Motores e geradores

Um fio de 5 cm percorrido por 20 A perpendicular a um campo de 1.5 T sofre uma força de 1.5 N; aplique essa ideia a uma espira que gira e você terá um motor.

Um campo magnético exerce força sobre uma corrente

A unidade 4 mostrou que uma corrente cria um campo magnético. De certo modo, o contrário também vale: um campo magnético exerce força sobre uma corrente. A força sobre um fio retilíneo de comprimento l, percorrido por uma corrente I em um campo uniforme B, é F = I l B sin θ, em que θ é o ângulo entre o fio e o campo. A força é máxima quando o fio cruza o campo em ângulo reto e nula quando o fio está paralelo a ele. A força é perpendicular tanto ao fio quanto ao campo, e a regra da mão direita 1 da OpenStax indica seu sentido.

A OpenStax resolve um exemplo com um campo intenso: B = 1.50 T, um trecho de fio de 5.00 cm e uma corrente de 20.0 A. Como sin 90° = 1, F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, aproximadamente o peso de uma maçã de 150 g. É uma força perceptível em um pedaço curto de fio. Isso também mostra de onde vem o tesla: 1 T é o campo no qual 1 A em 1 m de fio sofre uma força de 1 N.

Da força ao giro: o motor elétrico

Coloque uma espira retangular de fio entre os polos de um ímã e faça uma corrente percorrê-la. Em um lado, a corrente segue em um sentido; no lado oposto, segue no sentido contrário. Assim, os dois lados sofrem forças em sentidos opostos. A espira gira. Se nada mudasse, ela oscilaria até parar alinhada com o campo, por isso um motor inverte a corrente a cada meia-volta. Em um motor de corrente contínua, um comutador de anel dividido e as escovas fazem isso, mantendo a espira girando no mesmo sentido enquanto a corrente passa. O torque aumenta com o número de espiras: a OpenStax calcula que uma bobina quadrada de 100 espiras, com lado de 10.0 cm, percorrida por 15.0 A em um campo de 2.00 T, sofre um torque máximo de 30.0 N·m, suficiente para ser útil em um motor. A tabela de rendimentos da OpenStax atribui aos motores elétricos cerca de 98 por cento, muito acima dos motores que queimam combustível.

Transformando movimento em eletricidade

Se uma corrente em um campo pode produzir movimento, será que o movimento em um campo pode produzir corrente? Michael Faraday passou anos investigando essa questão. Em 29 de agosto de 1831, em seu laboratório no porão da Royal Institution, em Londres, ele enrolou duas bobinas de fio em lados opostos de um anel de ferro. Quando ligou uma bateria a uma bobina, uma agulha conectada à outra bobina se moveu por um instante e depois parou. Quando desligou a bateria, ela se moveu no sentido contrário. Uma corrente constante na primeira bobina não produzia efeito na segunda; apenas uma mudança fazia isso. A Royal Institution, que ainda conserva o anel, o descreve como o primeiro transformador elétrico.

Isso é indução eletromagnética: a variação do campo magnético que atravessa uma bobina produz uma tensão, chamada força eletromotriz induzida. Empurre um ímã em barra para dentro de uma bobina e o medidor ligado a ela se desvia para um lado; retire o ímã e ele se desvia para o outro; mantenha o ímã parado e a leitura será zero. Mova-o mais depressa e a leitura será maior. A OpenStax apresenta a grandeza essencial como fluxo magnético, Φ = B A cos θ, o campo multiplicado pela área da espira que ele atravessa. Qualquer variação de fluxo induz uma força eletromotriz, seja pela mudança do campo, da área ou da orientação da espira.

Um gerador transforma esse princípio em uma máquina. Uma bobina gira entre ímãs, de modo que o ângulo θ e, portanto, o fluxo variam continuamente, e uma tensão alternada surge em suas extremidades. Um gerador é construído quase exatamente como um motor: no motor, energia elétrica se transforma em rotação; no gerador, rotação se transforma em energia elétrica. Turbinas movidas a vapor, pela queda da água ou pelo vento fazem girar os geradores que fornecem a maior parte da eletricidade de nossas casas.