O
primeiro motor elétrico
Historicamente e curiosamente, esse motor elétrico deveria constar no início
e no final da lista de motores didáticos que aqui apresento. Historicamente
porque foi realmente o primeiro motor elétrico (obtenção de movimento
contínuo à partir da corrente elétrica) apresentado na História da Ciência e,
curiosamente, porque nos últimos meses de 2010, tal tipo de motor, agora com
o pomposo nome de "homopolar" reaparece (principalmente no Youtube) nas mais
variadas montagens, destacando as formidáveis forças portantes dos ímãs de
neodímio. Destaquemos a parte histórica, para iniciar:
Imediatamente após tomar conhecimento da descoberta de Oersted sobre a
conexão entre a eletricidade dinâmica (assim era conhecida, em contraposição à
eletricidade
estática) e o magnetismo, Michael Faraday
(1791 -1867) achou um meio de explorar a descoberta. Ele sabia que uma
corrente elétrica exerce uma força sobre um pólo magnético que lhe fica
próximo. Talvez essa força pudesse fazer um pólo magnético girar em
torno de um fio conduzindo corrente. Faraday utilizou o aparelho ilustrado
abaixo, à esquerda, para verificá-lo.
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Experiência de
Faraday, na qual um pólo magnético gira em tor-
no de uma corrente elétrica
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Experiência de
Faraday, na qual um
fio conduzindo corrente gira em
torno de um pólo magnético fixo
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A corrente passa
em um circuito fechado, como se indica pelas setas (veja comentário ao
final dessa parte 2). O mercúrio, que é um bom condutor de
eletricidade, forma uma parte do percurso que vai do fundo do vaso de vidro
até o fio fixo. Quando passa uma corrente, o pólo norte do ímã
desloca-se em uma trajetória circular em torno do fio fixo. Se os pólos
magnéticos forem invertidos, ou o sentido da corrente, o sentido de rotação
será também invertido.
Com o sucesso
dessa experiência, Faraday prosseguiu para provar que um fio transportando
uma corrente pode ser posto a girar em torno de um pólo magnético. O ímã
fixo foi colocado em um adaptador, como na ilustração acima, à direita,
e o fio mergulhado no mercúrio tornou-se capaz de mover-se livremente.
Logo que o
circuito foi completado, o fio começou a girar em torno do pólo magnético.
Uma vez mais, o sentido de rotação pôde ser invertido, bastando inverter
os pólos magnéticos ou o sentido da corrente. Eis uma versão mais aprimorada
(ainda da época) do motor homopolar de Faraday:
Descrição
Um longo ímã vertical apresenta, em sua parte superior, uma
pequena cavidade C contendo mercúrio, na qual mergulha uma ponta que faz
parte da equipagem móvel ABDE, formada por fios de cobre. As extremidades
livres dos dois fios BA e DE mergulham numa calha circular também cheia de
mercúrio. Põe-se a calha e o ímã em comunicação, respectivamente, com o pólo
positivo e negativo de um gerador de corrente, de modo que ela circula nos
diversos condutores, nos sentidos indicados pelas setas. Constata-se, então,
que a equipagem adquire um movimento de rotação contínuo em torno do ímã.
Suponhamos o ímã suficientemente longo de modo que, nos diversos pontos do
quadro móvel, possa ser considerado como um único pólo magnético concentrado
em N (daí o nome - homopolar). Segundo a lei de Laplace, a ação deste campo
gerado pelo pólo magnético N, sobre cada elemento de AB é uma força magnética
Fmag. perpendicular ao plano do quadro e sentido para fora
da figura (use a regra da mão esquerda), enquanto que a sua ação sobre cada
elemento de ED é inversa, isto é, para dentro do plano da figura. Sendo
concordantes as ações de torque que se exercem sobre os diversos elementos do
quadro, origina-se uma rotação contínua no sentido das setas que representam
as forças magnéticas.
Sem dúvida, esse foi o primeiro
motor da História das Ciências, apresentado por Michael
Faraday. Vamos apresentá-lo só para o caso do fio móvel e ímã
fixo (você poderá fazer a inversão para futuras demonstrações), em
duas versões e, a seguir, a moderna montagem didática do motor homopolar:
Versão
1- Essencialmente, consta de um tubo de vidro ou acrílico, de
diâmetro cerca de 8 cm e altura 40 cm. Dois tampões de cortiça vedam
seus extremos. Pelo tampão inferior penetra um ímã cilíndrico de
ALNICO, ficando com cerca de 6 cm dentro do tubo (apenas parte da
extremidade Norte, conforme ilustração).
No
centro do tampão superior coloca-se um contato elétrico que termina por
um gancho ou argola. Nesse gancho, suspende-se um fio de platina ou níquel-cromo.
A extremidade inferior desse fio mergulha 1 ou 2 mm no mercúrio colocado
no tubo. A montagem é ilustrada acima.
Ligando-se a fonte de tensão (uma ou duas pilhas em série ou uma fonte de
1,5 a 3,0VCC, 2 A), a corrente elétrica passa a circular pelo fio. O campo
magnético do ímã permanente age sobre essa corrente dando origem a uma
força magnética perpendicular ao fio.
Essa
força magnética (força de Lorentz) determina um torque que manterá o
fio girando em torno do Imã.
Versão
2- Essa versão dispensa o tubo de vidro e os tampões. Agora
utilizamos um suporte metálico, comum nos laboratórios escolares. Para
suportar o ímã (e o mercúrio) usamos um receptáculo raso de plástico
(o autor usou um cinzeiro) no qual foi praticado um orifício central que
permite a passagem do ímã cilíndrico (um ligeira camada de cola epóxi
ao redor do ímã garante sua fixação no copinho plástico).
Eis um visual da montagem e o esquema elétrico do motor de Faraday:
A
fonte de alimentação pode ser para 12 VCC. Inicia-se a operação com o
cursor do reostato de 50 a 100 ohms na posição de máxima resistência.
Após iniciado o movimento do fio ao redor do ímã ajusta-se o cursor do
reostato para que não ocorra excessivo aquecimento do fio móvel. Usar o
dispositivo em curtos intervalos de tempo.
Eis
uma ilustração para outra variante dessa montagem acima:
Vejamos, agora,
como o motor homopolar de Faraday se converteu para a roupagem atual. É como
se Faraday pudesse dispor de moderna pilha alcalina e possante ímã cilíndrico
de neodímio. Eis as transformações:
Em (a) temos a
montagem primitiva deste motor, com os recursos da época. Em (b), tiramos a
pilha original e a colocamos sobre o ímã, com o pólo positivo para cima;
observe o novo sentido da corrente elétrica. Em (c) eliminamos a calha
contendo mercúrio e simplesmente dobramos os fios que nela mergulhavam para
encostar no ímã; observe que esta operação não afeta o sentido da corrente.
Finalmente, em (d), substituímos o símbolo da bateria por uma pilha
real alcalina e o longo ímã original pelo pequeno e possante ímã de neodímio;
os fios continuam tocando o ímã, a corrente circula, o quadro gira ... eis o
"novo motor homopolar de Faraday".
Variantes desta
montagem podem ser apreciadas no YouTube.
Motores
homopolares no Youtube:
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2 -
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4 -
5 - ...
Tudo como antes na
casa de Arantes!