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Roda de Barlow e de Faraday
(Motor e Gerador)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leo@feiradeciencias.com.br 

Histórico
Peter Barlow (1776 - 1862) - Matemático e físico britânico, nasceu em Norwich. Imaginou uma roda que é conhecida pelo seu nome Roda de Barlow, e foi o primeiro motor elétrico (1828).
Antes da apresentação dessa Roda à comunidade ele inventou um aparelho didático para ilustrar a teoria de Ampère sobre o magnetismo terrestre. Tal experimento ficou conhecido sob a denominação de Esfera de Barlow. Vejamos o que o levou a tal experimento.

A descoberta por Oersted da ação de uma corrente elétrica sobre a agulha magnética móvel sobre seu eixo e os trabalhos desenvolvidos por Ampère, nos anos que se seguiram, deram origem a uma nova forma de encarar a 'ação do globo terrestre' sobre as bússolas. A hipótese de Gilbert, o qual considerava a Terra como um gigantesco ímã, começava a mostrar certas fragilidades perante os dados experimentais.
A teoria não parou por ai, o desenvolvimento dos estudos experimentais sobre o Eletromagnetismo permitiu o aparecimento de um novo modelo segundo o qual a origem do magnetismo terrestre residia não na presença de um grande ímã no interior da Terra e sim na existência de correntes elétricas circulares no seu interior.
O aparecimento desta hipótese deve-se ao fato de Ampère ter conseguido pôr em evidência que o magnetismo resultava sempre da existência de correntes circulares no interior de um corpo. Não havia, então, razão para se duvidar que o magnetismo terrestre tivesse a mesma origem. Ficou assim aberto um novo campo de pesquisa designado por Geomagnetismo. Desde então, muito se tem investido no sentido do aperfeiçoamento de modelos que expliquem a complexidade das características do campo magnético terrestre e das suas variações ao longo da história da Terra.

Numa perspectiva pedagógica, Barlow criou um aparelho didático constituído por uma esfera de madeira (hoje substituível pelos globos terrestres escolares) sobre a qual enrolou fios de cobre, formando espiras circulares paralelas ao seu equador. Próximo desta esfera, distribuiu pequenas agulhas magnéticas, que simulavam a orientação das bússolas quando se faz passar corrente elétrica no fio condutor que envolve a esfera

Uma Esfera de Barlow, para ilustrar teoria do magnetismo terrestre, pode ser montada e apresentada em feiras de ciências ou em trabalhos escolares. O material para tal montagem é particularmente simples: um globo terrestre escolar (diâmetro de cerca de 30 cm); cerca de 12 metros de fio de cobre esmaltado número 22 ou 24; algumas agulhas magnéticas (tais pequenas bússolas são facilmente encontradas em lojas de 1,99); uma fonte de alimentação (2 ou 3 pilhas em série) e uma armação de madeira algo parecida como a ilustrada acima (pode-se usar da própria armação que acompanha o globo terrestre escolar).
O fio de cobre é enrolado, em espiras unidas, na região do equador. Fazendo-se passar corrente elétrica pelo fio constata-se, mediante as pequenas bússolas, a orientação dos campo magnético nas mais diversas regiões ao redor do globo.

A Roda de Barlow
A Esfera de Barlow acima destaca a ação do campo magnético (criado pela corrente elétrica que envolve o equador do globo) sobre os ímãs (bússolas), todavia, os campos magnéticos agem também sobre as correntes elétricas e esta ação manifesta-se com o aparecimento de força. 
Para bem entender o funcionamento da Roda de Barlow vamos nos estender um pouco sobre esse tema:

Ação dos campos magnéticos sobre as correntes elétricas
Consideremos inicialmente a seguinte montagem cuja finalidade será destacar o fenômeno:

Dois condutores rígidos que participam de um circuito elétrico que contém uma pilha e uma chave interruptora estão imerso  no campo magnético produzido pelo ímã NS. Sobre esses condutores coloca-se um pequeno cilindro condutor não ferromagnético (Cu, Al, latão, etc.). Enquanto a chave ch permanece aberta o pequeno cilindro mantém-se imóvel sobre os condutores (trilhos) mas, ao fecharmos a chave, o cilindro corre para  fora do ímã sobre os dois fios condutores que servem de trilhos, como indicado na ilustração acima, à esquerda.
No esquema, à direita, pode-se ver a explicação do fenômeno. Nessa ilustração o pequeno cilindro é visto pela sua secção reta, com a corrente elétrica 'entrando' no plano da figura (x) e o ímã está encostado no plano da figura. O campo magnético que a corrente retilínea produz ao seu redor é, como sabemos, formado por linhas de indução circulares. A regra da mão direita nos informa que o sentido convencional dessas linhas é o indicado na ilustração. O vetor indução magnética B é, em cada ponto, tangente à linha de indução e tem mesmo sentido que ela. 

No pólo Norte do ímã o campo magnético faz nascer a força F de mesma direção e sentido de B, enquanto que no pólo Sul faz nascer força F de mesma direção de B porém de sentido oposto. Pelo princípio da ação e reação, o ímã reage sobre o pequeno cilindro condutor da corrente elétrica fazendo aparecer nele a força resultante 2F. Sob ação dessa força o cilindro, de pequena massa, é lançado para a esquerda; o ímã, por sua grande massa, pouco ou nada será influenciado pela reação dessa força.
Invertendo-se o sentido da corrente no cilindro condutor, inverte-se o sentido da força sobre ele; será arrastado para 'dentro' do ímã em U. O mesmo ocorrerá se, mantendo-se o sentido original da corrente, invertermos os pólos do ímã (S em cima, N em baixo). 

O sentido da força que surge no condutor móvel (ou sobre a corrente) pode ser dado pela regra dos três dedos da mão esquerda: dispomos os três dedos da mão esquerda (médio, indicador e polegar) perpendiculares entre si, de modo que o indicador represente a direção e o sentido do campo de indução magnética B (do Norte para o Sul) e o dedo médio represente a direção e sentido da corrente; o polegar indicará a direção e sentido da força (ou, do deslocamento do condutor).

Esse fenômeno dá margem a um bom experimento e uma eficaz montagem para as feiras de ciências quando disposto como abaixo se ilustra:

Entre as pernas de um ímã em U colocamos uma pequena cuba K contendo um pouco de mercúrio. Suspendemos  um fio de cobre rígido MP, móvel ao redor de M, e cuja ponta mergulha cerca de 1 mm no mercúrio. Uma pilha tem seus terminais ligados, um em M e outro que mergulha  no mercúrio da cuba. Fechado o circuito, como se ilustra, a corrente circula no fio de M para P; o campo magnético do ímã age sobre essa corrente aplicando nela uma força F que, por sua vez, joga o condutor para a posição MP' (ou mesmo para fora do mercúrio!). Invertendo-se o sentido da corrente ou do campo (invertendo os pólos do ímã) o fio será projetado no sentido oposto.

Pois bem, a Roda de Barlow funciona exatamente do mesmo modo que o fio, observando que, como o fio é substituído por um disco móvel (que faz o papel de infinitos fios), o movimento será contínuo. Na verdade, é um dos aparelhos mais simples para transformar a energia elétrica em energia mecânica; eis uma ilustração:

Consta de um disco de cobre ou alumínio, D, montado num eixo horizontal, E, ao redor do qual pode girar, apoiado nos mancais, P. A borda inferior do disco toca a superfície do mercúrio depositado na cuba C. O disco situa-se entre os pólos N e S de um ímã permanente.
Ao fazermos passar pelo disco, desde o mercúrio até o eixo de rotação (ou vice-versa), uma corrente elétrica de direção perpendicular às linhas de indução desse campo magnético, nasce a força que colocará o disco em rotação.

Disco de Faraday
A roda de Barlow funciona também como gerador de energia elétrica, caso em que ela passa a ser designada como disco de Faraday (ilustração à direita, acima).
Se fizermos girar o disco mediante uma manivela (ou outro meio mecânico qualquer) e interligarmos os fios F entre si, fechando o circuito (ou ligando tais fios a um galvanômetro), circulará por eles uma corrente elétrica induzida (que será explorada em outro trabalho), assim denunciando a existência de uma força eletromotriz induzida no disco.

Esse conceito se deve a Michael Faraday (1791-1867). Filho de um pobre ferreiro, Faraday foi aprendiz de encadernador e se auto-instruiu lendo os livros que lhe traziam para encadernar. Converteu-se no maior cientista britânico, famoso por suas brilhantes intuições e por seus populares discursos. Foi ele quem descobriu que movendo-se um ímã perto de um circuito elétrico fechado, a variação do campo magnético que 'abraça' esse circuito, tornava possível 'induzir' uma corrente elétrica nesse circuito. Essa 'indução magnética' tornou-se o princípio do funcionamento dos geradores elétricos, transformadores e muitos outros aparelhos.
Faraday mostrou que outra forma de induzir tal corrente era 'movendo o condutor' dentro de um campo magnético estacionário. Seu "disco de Faraday" original tinha a seguinte disposição:

O disco metálico gira dentro do campo magnético, mediante um sistema de polias acopladas por correia. Na borda do disco e em seu eixo existem escovas que se interligam com um galvanômetro. Ao girar a manivela (e, conseqüentemente, o disco) o galvanômetro acusa uma d.d.p.

O 'condutor de eletricidade' em movimento, nesse caso, era sólido (o disco de cobre), porém, como sugeriu Faraday, um fluido condutor em circulação dentro de um campo magnético também deve gerar tais correntes induzidas. Faraday tentou medir a corrente elétrica criada pelo fluxo do rio Tâmisa de Londres dentro do campo magnético terrestre. Para tanto, esticou um fio ao longo da ponte de Waterloo (veja ilustração abaixo), imergindo seus extremos dentro do rio e tentou medir a corrente induzida (linha curva de pequenas flechas, na ilustração). 

Não conseguiu seu intento (devido às pequenas d.d.p.(s) envolvidas nos processos químicos e sensibilidades dos aparelhos), porém a idéia é correta.

Para compreender o funcionamento do disco de Faraday, secciona-se imaginariamente um estreito setor do disco; ele opera do mesmo modo que o condutor acima citado que se move no campo do ímã. Sempre há um setor do disco metálico movendo-se no campo do ímã, nas condições descritas; neste setor é que surge a f.e.m. induzida, e esta é constante enquanto for mantida a velocidade angular do disco.
Pode-se demonstrar que a f.e.m. induzida no disco de Faraday é, em valor absoluto, dada por: E = B.A.f , sendo B a intensidade do campo de indução no qual se move o disco, A a área do disco e f a freqüência de revolução do disco.

Abaixo, à esquerda, uma visão da montagem (aqui, da roda de Barlow) sob outro ângulo.
À direita, uma ilustração parcial (não se representa a cuba e os mancais do eixo do disco) onde se substituiu o ímã permanente por um eletroímã.

Apesar da montagem ficar um pouco mais dificultosa, é conveniente trocar o disco maciço por uma roda de dentes; isso reduzirá sua massa, seu momento de inércia e permitira uma maior velocidade de rotação. Ilustremos isso:


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