Motores Elétricos Síncronos
(Modelos Didáticos)

Prof. Luiz Ferraz Netto
leobarretos@uol.com.br

Apresentação
Nesse experimento ressaltam-se dois fenômenos, o efeito magnético das correntes alternadas e a magnetização do ferro, por influência. Devidamente combinados podem resultar no princípio de funcionamento de vários dispositivos; aqui destacaremos um didático motor elétrico síncrono.

Comecemos experimentando com uma bobina com núcleo de ar, como na ilustração (a) abaixo. Sendo alimentada com tensão alternada, a corrente alternada cria campo magnético que alterna com a mesma freqüência da corrente (60 Hz, por exemplo, da rede domiciliar).

Na ilustração (b) acima, inserimos no interior da bobina um núcleo de ferro doce. Esse núcleo de ferro imanta-se, tornando-se um ímã cuja polaridade inverte de sentido com a mesma freqüência da corrente na bobina. Temos um eletroímã de corrente alternada.
Na ilustração (c) fomos um pouco além, colocamos um cilindro de ferro doce (capaz de girar ao redor de um eixo horizontal, como ilustrado) próximo da extremidade superior de nosso eletroímã de corrente alternada. Por influência (ação do campo magnetizante sobre os dipolos elementares do ferro) esse cilindro converte-se em ímã de polaridade que se alterna, também, com a mesma freqüência do núcleo da bobina ou da corrente alternada circulante.

Abaixo ilustramos alguns detalhes desse último experimento.

O motor síncrono
Na situação ilustrada acima, ao ligarmos a corrente de alimentação da bobina, a haste de ferro imanta-se e o momentâneo pólo oposto ao do núcleo da bobina será atraído e essa haste (agora na vertical) ficará 'vibrando' na freqüência da tensão alternada de alimentação. Mas, se você der um impulso tangencial (um 'piparote' com o dedo médio, como se fosse expulsar um cisco de cima da mesa) na extremidade dessa haste, ela começara a girar. Se o impulso for adequado, ela 'engrena' com a freqüência das alternância (sincronismo) e continuará girando até que seja desligada a corrente (ou bloqueada com a mão). Eis nosso 'didático motor elétrico síncrono'.

O material para a construção desse motor é de obtenção muito simples; uma bobina com núcleo de ferro, uma haste de ferro, um eixo e mancais para tal eixo. A bobina pode ser obtida de várias fontes: um eletroímã de campainha comum de residências, o eletroímã de um relé para 110V, eletroímãs para 12V (nesse caso precisamos de um transformador de 110VAC/12VAC), parte de um transformador com primário para 110VAC etc.

Montei vários desses motores, cada qual eletroímã obtido de aparelhos diferentes, vamos mostrá-los:

1) Eletroímã extraído de um velho relé.

2) Enrolamento e núcleo de um pequeno transformador de 110VAC (observe a recolocação do núcleo):

3) Enrolamento de um antigo relógio elétrico de parede (o núcleo é um parafuso):

    4) Eletroímã retirado de um antigo relé de computador de cartão perfurado:

Esse enrolamento não era para 110VAC e sim para 63 VAC, por isso, aquecia demasiado ao permanecer ligado por alguns minutos na rede domiciliar de 110VAC. A solução foi colocar um diodo retificador (1N4002) em série. Melhorou e o motorzinho ainda funcionou muito bem com 1/2 onda. Acrescentei ainda um resistor de fio (10 ohms, 10 W) em série com o enrolamento, por segurança. Agora, gira, com aquecimento mínimo.

Comentários
Obviamente os motores descritos são puramente didáticos. Os motores elétricos síncronos reais trabalham na base de campos magnéticos girantes. 
Na ilustração a seguir, temos três eletroímãs ao redor de um círculo (espaçados de 120^o) e no centro do círculo uma simples agulha magnética extraída de uma bússola para fins escolares. Cada bobina está alimentada em sua própria fase em uma rede elétrica trifásica.

Como se observa, cada eletroímã produz alternativamente um pólo N/um pólo S, na extremidade voltada para o centro. As flutuações de polaridade, representadas por letras, estão em cor preta acentuada quando o magnetismo é intenso, em cor cinza quando é débil. Para bem acompanhar a ilustração, fixe sua atenção na extremidade vermelha da bússola e observe que ela sempre 'corre' em busca do pólo S.
A flutuação na intensidade de magnetização desses pólos corresponde exatamente à flutuação na tensão de cada fase que alimenta as bobinas. Quando uma das fases alcança seu máximo, a corrente nas outras duas estão circulando em sentidos opostos e com apenas metade da tensão. Dado que a duração da corrente em cada eletroímã é apenas 1/3 daquela de um ciclo isolado, o campo magnético dará uma volta completa por ciclo. Eis o campo magnético girante.

A agulha da bússola (com seu pólo N pintado de vermelho) seguirá exatamente o campo magnético e completará uma volta por ciclo. Em uma rede trifásica de 50 Hz a agulha realizará 50 voltas em 1 segundo, o que equivale a 50 x 60 = 3 000 r.p.m. (rotações por minuto). Na rede de 60 Hz, a agulha realizará 3 600 r.p.m.

Vale lembrar, ainda, que as correntes alternadas produzem os mesmos efeitos que aqueles observados nas correntes contínuas: efeito magnético, térmico, químico, luminoso, indução, auto-indução etc. Só para destacar o efeito magnético, o que nos interessa no momento, ilustramos abaixo, em (a) a ação de um campo magnético (perpendicular ao plano da figura), sobre uma corrente alternada (no plano da figura). Observe que um cada 1/2 ciclo da alternância, (1) e (2), a força magnética que surge, inverte seu sentido de atuação.

Em (b) ilustramos uma corda metálica tensa vibrando em ressonância com a corrente alternada que a atravessa.