Motor Elétrico

FUNDAÇÃO ESCOLA TÉCNICA LIBERATO SALZANO VIEIRA DA CUNHA
Projeto de Pesquisa da Primeira Série
Série: Primeira
Curso: Eletrotécnica
Turma: 2124
Sala: 237
Início: 02 de junho de 2009
Entrega: 17 de julho de 2009
Aluno: Bruna Ritter da Silva (07)
Aluno: Leonardo Marques (20)
Aluno: Bruno Hannecker Ewald (08) Aluno: Tatiane Texeira (31)
Orientador: Prof. Taylor Barcelos Ferreira Bueno Júnior
PRINCÍPIO DOS MOTORES ELÉTRICOS
1
1.1
DELINEAMENTO
Introdução
Ao observar o movimento do imã, gerando uma corrente elétrica induzida, no Museu
de Ciências e Tecnologia da PUC, com o experimento denominado “Movendo o Imã”,
aprendemos que correntes elétricas assim formadas, são denominadas correntes elétricas
induzidas. Sabendo que nos motores também temos movimentos de espiras retangulares
dentro de cilindros (rotores) e que esse movimento é o princípio de funcionamento dos
motores elétricos atuais. Procuramos estabelecer a ligação entre o experimento da PUC e o
princípio fundamental dos motores elétricos.
1.2
Tema
O princípio fundamental do funcionamento de um motor elétrico de corrente contínua.
1.3
Proposta
Em um primeiro momento será realizada uma pesquisa bibliográfica, para estabelecer
uma relação entre a experiência “Movendo o Imã” e o princípio de funcionamento do motor
elétrico. Posteriormente, trabalháramos em uma pesquisa exploratória, coletando os dados
necessários para que possamos fazer um protótipo de um motor, para assim termos uma visão
mais ampla do nosso projeto.
1.4
Justificativa(s)
Nós nos interessamos por este trabalho, pois ele explica o funcionamento dos motores
elétricos dos mais variados tipos, desde o de uma batedeira até os enormes motores
encontrados em usinas hidrelétricas e termoelétricas. Sem a utilização desses motores
elétricos, a nossa vida seria muito diferente, pois tudo seria realizado mais lentamente e não
teríamos a rapidez, a precisão e o conforto que as batedeiras, liquidificadores, carros, aviões,
etc. nos proporcionam.
Não devemos esquecer também que a utilização da energia é hoje uma das principais
preocupações do ser humano. Certamente uma das formas de aproveitar e utilizar de forma
racional a energia é entendendo o princípio de funcionamento do motor elétrico, cuja
aplicação é tão vasta.
1.5
Problema
É possível montar um modelo simples que permite visualizar a influência do campo
magnético, da corrente elétrica e das escovas no funcionamento de um motor elétrico de
correte contínua?
1.6
Objetivo(s)
Construir um modelo de motor elétrico que permite compreender a interação do
campo magnético produzido pela corrente elétrica que percorre uma bobina com o campo
magnético de um imã permanente colocado nas proximidades da bobina.
2
2.1
CONTEXTUALIZAÇÃO DA PESQUISA
Contextualização histórica
Até por volta dos anos 20, todo passeio de automóvel começava com uma desconfortável
ginástica: alguém devia curvar-se em frente ao carro e girar com força uma manivela. A
função dessa peça indispensável era dar a partida no motor, ou seja, executar seu primeiro
movimento, tirando-o da imobilidade; depois o combustível faria o resto. Desde então, porém,
a manivela foi aposentada e o exercício do motorista não passa de um leve virar da chave no
contato, que aciona um pequeno motor alimentado por uma bateria. O motor substituiu a
manivela. Assim como esses motoristas tiveram seus esforços poupados, as donas de casa
trocaram a força física pelo simples ato de ligar uma tomada.
De fato, é quase impossível imaginar a vida sem as engenhocas elétricas que povoam a
paisagem doméstica: liquidificadores, aspiradores, máquinas de lavar e secar, toca-discos,
geladeiras etc. Para além do restrito território de um apartamento, os elevadores são
imprescindíveis, assim como os portões eletrônicos das garagens e as escadas rolantes de uma
loja. Um pouco mais longe, nas indústrias, a evolução não foi muito diferente: para produzir
todas essas máquinas, outros equipamentos foram criados. Embora enormes e muito
diferentes em aparência de um pequeno secador de cabelos, por exemplo, a maioria deles
utiliza o mesmo sistema básico de funcionamento: o de um motor elétrico. Ele transforma a
energia elétrica em energia mecânica, como o girar das pás de um ventilador.
Em 1820, o cientista dinamarquês Hans Christian Oersted (1777-1851) não imaginou que
com uma singela experiência descobriria um princípio físico fundamental para o
funcionamento desse tipo de motor. Oersted passou uma corrente elétrica, gerada por uma
pilha, por um fio condutor e depois aproximou desse fio uma bússola; a agulha, que é um ímã
(uma barra magnética), mexeu-se e alinhou-se perpendicularmente ao fio. Para o cientista, o
fato só poderia dizer uma coisa: em volta do fio havia um campo magnético, que agiu sobre o
outro campo, o da agulha.
Com isso, estabeleceu-se pela primeira vez a relação entre eletricidade e magnetismo.
O físico francês André-Marie Ampere (1775-1836), um gênio da Matemática, após tomar
conhecimento das experiências do dinamarquês, começou a formular uma lei do
eletromagnetismo, chegando à conclusão de que as linhas de força criadas pelo fio eletrizado o campo magnético - são circulares, ou seja, formam uma espécie de cilindro invisível em
volta do condutor.
Até então, pensava-se que o campo magnético caminhava apenas em linha reta, de um
ímã para outro. Também pesquisando a ligação entre eletricidade e magnetismo, estava o
inglês Michael Faraday (1791-1867).
Nascido em Newington, perto de Londres, ele era físico e químico, mas de formação
teórica precária. Por isso, valorizava a experiência como prova dos fenômenos naturais.
Graças à sua curiosidade e a metódicas experiências, ele pôde demonstrar em 1822 o campo
magnético circular. Faradayencheu com mercúrio - um metal condutor - duas taças
especialmente desenhadas, de modo a ter um fio elétrico saindo do seu fundo. Numa delas
fixou verticalmente uma barra magnetizada. Na outra, deixou frouxo outro magneto. Na
primeira taça, quando um fio elétrico pendurado acima da taça tocava o mercúrio, fechando o
circuito, esta se punha a girar em volta do ímã. Na outra taça, onde o fio estava frouxo,
quando ligado à corrente o magneto girava em torno do fio central. Este foi o primeiro motor
elétrico, o autêntico ancestral das máquinas de hoje.
Nove anos depois, Faraday notou que se colocasse um ímã dentro de uma bobina, em
cujo fio passasse energia elétrica, este se moveria de forma a acompanhar as linhas de força
da bobina; demonstrou assim que uma bobina eletrizada é também um ímã. Se colocarmos
uma bobina entre dois ímãs fixos, sem tocar neles, ela aponta seu pólo norte para o pólo sul
do ímã e vice-versa. Mas, como os pólos da bobina são determinados pelo sentido da corrente
que passa pelo fio, quando o invertemos, os pólos também se invertem, o que faz com que a
bobina se mova novamente. Se essa inversão da corrente for constante, ela não pára de girar.
Na época de Faraday, como a única fonte de energia elétrica disponível era a de uma pilha, de
corrente contínua, a mudança de sentido dá corrente se dava através de um sistema chamado
comutador, até hoje usado em brinquedos e outros pequenos motores.
Este é o princípio do funcionamento do motor elétrico. Para que o movimento
aconteça, é preciso que haja uma interação entre os campos magnéticos de um estator (parte
fixa do sistema) e um rotor (parte móvel). Depois de Faraday, muitos outros cientistas
começaram a especular sobre o fenômeno da eletricidade. O engenheiro-eletricista e inventor
belga Zénobe Théophile Gramme construiu, em 1869, um motor que também se comportava
como gerador - a máquina inversa. Ou seja, quando ligada a uma corrente elétrica, produzia
energia motora. E, quando movida por uma força motora, produzia energia elétrica. O invento
foi chamado dínamo Gramme e apresentado em Viena em 1873. Alguns anos depois, foi
exposta na Universidade Técnica de Graz, na Áustria, onde encantou o aluno iugoslavo
Nikola Tesla.
Físico e engenheiro, Tesla começou a pesquisar novos aperfeiçoamentos para o
engenho, que já fazia enorme sucesso. Em 1883, apresentou o primeiro gerador de corrente
alternada - aquela cujos pólos se invertem. A partir de então, a corrente passou a ser gerada de
forma alternada, como as que hoje chegam às tomadas. A seguir, inventou o motor elétrico
sem comutador. No entanto, a corrente alternada - que viria a ser a outra grande revolução na
eletricidade - não causou o impacto esperado por Tesla na comunidade científica européia da
época. Isso forçou o pesquisador a procurar novas oportunidades nos Estados Unidos, onde
chegou em 1884. No mesmo ano, vendeu os direitos de patente das invenções a um certo
George Westinghouse, dono de uma companhia elétrica que levava seu nome.
O sistema Tesla-Westinghouse, como viria a ser conhecido, foi utilizado pela primeira
vez na iluminação do World·s Columbian Exposition, uma feira montada em Chicago, em
1893, para celebrar o quarto centenário do descobrimento da América. O sucesso foi tanto que
a companhia de Westinghouse acabou contratada meses depois para instalar geradores
elétricos pela primeira vez nas cataratas do Niágara. Depois da invenção da corrente
alternada, muitos outros aperfeiçoamentos foram introduzidos nos motores elétricos. Por
exemplo, em vez de apenas dois pólos no estator, alguns novos motores têm uma seqüência
de vários ímãs muito próximos, o que aumenta a uniformidade do movimento. Em casos
como o dos toca-discos, o avanço melhora muito a qualidade do som. As pesquisas apontam
agora para outra revolução: os supercondutores. Sem desperdiçar energia, esses fios de
cerâmica tornariam os motores muito mais potentes. Mas isso faz parte do futuro. De qualquer
forma, o princípio fundamental continua o mesmo - por sinal, algo muito simples, embora
tenha modificado radicalmente a vida das pessoas.
2.2
Contextualização tecnológica
Os motores elétricos girantes comportam duas armaduras ferromagnéticas cilíndricas
coaxiais, sendo uma fixa (estator) e outro móvel (rotor), separadas por um entreferro. A maior
parte dos motores de potência significativa são motores de campo girante, trifásicos, tanto
síncronos (girando à velocidade do campo) como assíncronos (cuja velocidade é ligeiramente
inferior à do campo). Os motores de corrente contínua resultam da reversibilidade dos
geradores correspondentes, podendo ser de um dos quatro tipos; com excitação independente,
em série e compostos, sendo todos caracterizados pela facilidade de regulagem de sua
velocidade. O motor universal é um motor série que funciona em corrente contínua ou
alternada monofásica e é utilizado comumente nos aparelhos eletrodomésticos.
3
3.1
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Imã
Alguns corpos se atraem ou se repelem por uma força magnética: são os imãs.
•
O ímã sempre tem dois pólos, o pólo norte e o pólo sul. Norte e sul se atraem e
pólos iguais se repelem.
•
•
•
3.2
O ímã mais comum é de aço, que é ferro misturado a carbono. O aço forma um
ímã permanente.
O ferro puro também pode ser magnetizado, mas perde a magnetização tão
logo o ímã que o magnetiza for afastado.
Os ímãs mais fortes que se conseguem fazer são de uma cerâmica chamada
ferrite. Ímãs de ferrite são usados em alto-falantes de aparelhos de som.
Campo Magnético
Campo magnético é a influência de cargas elétricas em movimento e imãs
permanentes. Pode-se dizer também que o campo magnético é uma região do espaço onde se
manifesta o magnetismo, através das chamadas ações magnéticas. Essas ações verificam-se à
distância e apenas algumas substâncias são influenciadas pelo campo magnético. Por
exemplo, o cobre não tem propriedades magnéticas. Pelo contrário, os materiais ferrosos são
fortemente influenciados. Afirma-se que as ligações químicas são produtos de desequilíbrios
nos campos magnéticos, e não elétricos.
3.3
Espira
Espira é um tipo de circuito elétrico que possui diversas funções voltadas,
principalmente, à produção de campo magnético, eletricidade e energia mecânica. É
componente dos geradores de energia elétrica, assim como dos motores elétricos, dos
transformadores, indutores e de vários outros dispositivos.
3.4
Corrente elétrica
A corrente elétrica é um fluxo de elétrons que circula por um condutor quando entre
suas extremidades houver uma diferença de potencial. Esta diferença de potencial chama-se
tensão. A facilidade ou dificuldade com que a corrente elétrica atravessa um condutor é
conhecida como resistência. Esses três conceitos: corrente, tensão e resistência, estão
relacionados entre si, de tal maneira que, conhecendo dois deles, pode-se calcular o terceiro
através da Lei de Ohm.
4
METODOLOGIA
Iremos construir um motor elétrico simples, rudimentar, em que poderemos ver
aplicado ‘O princípio Fundamental do Motor Elétrico’.
4.1
Proposta de solução
Para a construção desse motor elétrico rudimentar, escolhemos primeiramente os
materiais que melhor se adaptam ao nosso protótipo: imãs, fios, bobina, madeira para o
suporte do motor, espiras, etc. Depois faremos uma análise do orçamento em várias lojas, do
material que será utilizado.
A idéia básica é construir esse protótipo num suporte grande cujas medidas serão em
torno de 30 cm por 30 cm de lado.
Realizaremos as medidas do protótipo dentro dos Laboratórios do Curso de
Eletrotécnica. Neste local também será realizado a análise das mesmas.
Para análise do motor iremos empregar instrumentos como multímetro, bússolas, etc.
O motor também será analisado pelo número de rotações por minuto.
4.2
Orçamento
MATERIAL
Imã
OBSERVAÇÃO
22x3
5m
CUSTO
16,80
LOJA
MRM comércios e
serviços limitados
em Canudos.
Fio
Tábua de madeira
Bobina
Espiras
Pilhas
4.3
R$ 2,10m
10 mm²
Eucalipto tratado
R$ 9,00
Como não encontramos
as bobinas, resolvemos
construí-las
nós
mesmos através de
materiais já encontrados
em nossas residências.
Vamos montá-las com
fios
de
cobre
esmaltados encontrados
em uma resistência de
chuveiro.
Pilhas alcalinas de alta
carga.
R$ 0,00
Róla fios endurtia e
comércio Ltda. em
Novo Hamburgo.
Madeireira JG em
Novo Hamburgo.
R$ 0,00
R$ 2,50
Hiper mercado
Bourbon em Novo
Hamburgo.
Cronograma
Jul.
Ago.
Set.
Out. Nov. Dez.
16 a 31
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 31
01 a 15
16 a 30
01 a 15
16 a 31
01 a 15
Montagem do projeto
x x
Entrega do projeto pronto
x
Montar o protótipo
x x
Após a avaliação feita pelo
x
professor de projetos, vamos
imprimir para uma segunda
avaliação que será realizada
pela professora de Português.
Apresentação do projeto
x x
Relatório do protótipo
x x
Apresentação final
x x x
BIBLIOGRAFIA
Ubirajara, Claudio. Motor Elétrico. http://www.cienciamao.if.usp.br/tudo/exibir.php?
midia=pmd&cod=_pmd2005_i0902, 24/06/09.
Fendt, Walter. Motor de Corrente Contínua. http://www.walterfendt.de/ph11br/electricmotor_br.htm, 13/08/09.
Magneto - imã. http://www.guia.heu.nom.br/magneto_-_ima.htm, 19/08/09.
O que é campo magnético? http://br.geocities.com/jcc5000/oqueecampomagnetico.htm,
19/08/09.
Tojano, Lídia. Corrente Elétrica.
http://www.mundovestibular.com.br/articles/757/1/CORRENTEELETRICA/Paacutegina1.html, 19/08/09.