O enigma
(Motor e lâmpada em série)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Objetivo
Despertar os conceitos envolvidos no funcionamento de um motor CC, de uma pequena lâmpada incandescente e do circuito série. Esquemas elétricos, símbolos de componentes, equacionamentos.

Montagem
A montagem desse pequeno projeto, muito útil para Salas de Aula, requer:

um pequeno motor elétrico CC para 1,5 V (motor que funciona com uma só pilha, retirado de um brinquedo),
uma lâmpada de lanterna para uma pilha (lâmpada pingo-d'água, 1,5V, pérola branca) com soquete,
uma pilha (média ou grande) com seu suporte,
dois fios com terminais (conectores) de pinos banana (vermelho e preto),
três terminais (conectores) fêmea (vermelho, bordô e preto) e
duas bases de madeira (MDF) (15 x 17 x 0,3)cm; fios, parafusos etc.

O esquema elétrico da montagem, à esquerda, é bastante simples; à direita, um estudo da disposição dos componentes sobre a base de madeira:

Eis a montagem pronta, vista por cima e de lado:

O experimento ... e o enigma
Como vimos, o motor e a lâmpada estão associados em série. A disposição da montagem permite que a pilha alimente individualmente quer o motor (quadro 1,abaixo), quer a lâmpada (quadro 2, abaixo), quer a associação (quadro 3, abaixo). Ligando-se os terminais da pilha (pinos banana, vermelho e preto) nos terminais do motor (conectores fêmea, vermelho e bordô) este passa a funcionar (observe o giro do disco segmentado); ligando-se nos terminais da lâmpada (conectores fêmea, bordô e preto) esta acende com brilho total e ligando-se nos terminais da associação (conectores fêmea, vermelho e preto) .... que acontecerá?

a) apenas o motor funciona e o disco gira?
b) apenas a lâmpada acende com bom brilho?
c) tanto o motor funciona como a lâmpada acende?
d) nenhum dos dois funcionará?

Antes de apresentar diretamente a montagem --- e o resultado, através da experimentação descrita acima --- convém estimular o envolvimento da sala de aula e o conteúdo científico dos alunos, apresentando a seguinte questão:

Questão 1: Uma pilha de 1,5 V pode ser usada para acionar um pequeno motor elétrico CC de 1,5 V ou acender uma lâmpada mignon de 1,5 V. Se a pilha for conectada à associação série do motor e lâmpada, então:

a) tanto o motor como  lâmpada funcionarão.
b) apenas o motor funcionará.
c) apenas a lâmpada funcionará.
d) nem o motor nem a lâmpada funcionarão.

Solução 1: A resposta correta é (b); apenas o motor irá funcionar. Quando a tensão de alimentação for aplicada à associação em série, o motor imediatamente dará a partida e alcançará boa rotação; nessa fase a lâmpada poderá apresentar ligeiro brilho que rapidamente se extinguirá. Observe que enquanto o motor funciona com alta rotação, com quase nenhuma carga externa, ele requer bem pouca intensidade de corrente do circuito. O motor permanece girando e a lâmpada permanece apagada(quadro 3, abaixo); a intensidade de corrente é suficiente para o motor, mas não para a lâmpada!

1- Pilha ligada direta no motor; motor girando	2- Pilha ligada direta na lâmpada; brilho total
3- Pilha alimentando motor + lâmpada em série	4- Circuito com eixo do motor travado

Nota: Nas fotos acima, colhidas com a Samsung - 5.0 Mega Pixels, com flash automático, repare bem no disco girante do motor, com eixo girando e eixo travado (ou motor desligado). Veja a cor dos setores claros e escuros desse disco. Qual a causa dessa diferença?

Questão 2: Na questão 1 examinamos o circuito série motor CC e lâmpada mignon. Reveja a pergunta e a resposta como introdução à questão 2.
                    Suponha agora que você alimenta o motor e a lâmpada em série através da pilha, mas que prenda o eixo do motor de modo que não possa girar. O que acontecerá?

a) motor e lâmpada funcionarão.
b) somente o motor funcionará.
c) somente a lâmpada funcionará.
d) nem motor nem lâmpada funcionarão.

Solução 2: De modo geral, a resposta correta é (d). Na prática, poderá haver uma variante dessa resposta, ou seja, 'a lâmpada permanece acesa porém, com pouco brilho'. Isso dependerá de alguns fatores tais como, pilha nova ou usada e lâmpada que acende com tensão mesmo um pouco abaixo do normal.
O importante é observar que,
caso a) com o motor bloqueado, o circuito série é constituído apenas pela pilha (e,r), resistência interna do motor (r') e resistência do filamento da lâmpada (R) e,
caso b) com o motor com eixo livre, a série contém: pilha (e,r), motor (e',r') e lâmpada (R).

Como se pode observar, com o motor livre, a d.d.p. entre seus terminais aumenta (devido ao acréscimo da parcela e'(r+R) no numerador da expressão acima) e, conseqüentemente, a d.d.p. nos terminais da lâmpada diminui (uma vez que a soma das duas deverá dar a d.d.p. nos terminais da pilha). Assim, a lâmpada com d.d.p. abaixo da normal e corrente abaixo da normal, ou não acende ou acenderá com bem baixo brilho.
Note que no cálculo da intensidade de corrente (i_b), com o motor girando, a f.e.m. é subtraída da f.c.e.m. (o que justifica sua designação) e no cálculo da d.d.p. nos terminais do motor (U_mb) ela é adicionada à 'queda de potencial ôhmica' (r'.i_b).

Nota final: Um modo interessante de observar essa substancial variação de d.d.p. nos terminais do motor quando livre e quando bloqueado (na série proposta) é instalar uma segunda lâmpada mignon (perola branca), 1,5 V, em paralelo com o motor. Com o motor bloqueado tal lâmpada não acende e com o eixo livre, acende.

Bom sucesso!