Motores e selecionando o caminho certo

o que faz um motor se mover?

a resposta mais vaga e simples é o magnetismo! Ok, agora vamos pegar essa força simples e transformá-la em um super carro!

para manter as coisas simples, precisaremos examinar alguns conceitos através das lentes do experimento mental. Algumas liberdades serão tomadas, mas se você quiser se sujar com os detalhes, você pode consultar o Dr. Griffiths. Para nosso experimento mental, vamos afirmar que um campo magnético é produzido por um elétron em movimento, ou seja, corrente. Enquanto isso cria um modelo clássico para usarmos, as coisas quebram quando atingimos o nível atômico. Para entender mais o nível atômico do magnetismo, Griffiths explica isso em outro livro…

eletromagnetismo

para criar um ímã ou campo magnético, teremos que ver como eles são gerados. A relação entre o campo atual e o campo magnético se comporta de acordo com a regra da mão direita. À medida que a corrente passa por um fio, um campo magnético se forma ao redor do fio na direção de seus dedos enquanto eles o envolvem. Esta é uma simplificação da Lei de força de Ampère, pois atua em um fio de transporte atual. Agora, se você colocar esse mesmo fio em um campo magnético pré-existente, poderá gerar uma força. Esta força é referida como a força Lorentz.

se a corrente for aumentada, a força do campo magnético é fortalecida. No entanto, para fazer algo útil com o campo, seriam necessárias quantidades incríveis de corrente. Além disso, o fio que entrega a corrente estaria carregando a mesma força magnética, criando campos não controlados. Ao dobrar o fio em um loop, um campo direcionado e concentrado pode ser criado.

eletroímãs

passando um fio em loop e passando uma corrente, um eletroímã é criado. Se um loop de fio pode concentrar o campo, o que você pode fazer com mais? Que tal mais algumas centenas! Quanto mais loops você adicionar ao circuito, mais forte será o campo para uma determinada corrente. Se for esse o caso, por que não vemos milhares **, se não **milhões, de enrolamentos em motores e eletroímãs? Bem, quanto mais longo o fio, maior a resistência. A lei de Ohm (V = I*R) diz que para manter a mesma corrente que a resistência aumenta, a tensão deve aumentar. Em alguns casos, faz sentido usar tensões mais altas; em outros casos, alguns usam fios maiores com menos resistência. Usar fios maiores é mais caro e geralmente é mais difícil de trabalhar. Estes são fatores que devem ser pesados ao projetar um motor.

tempo de experimento

para criar seu próprio eletroímã, basta encontrar um parafuso (ou outro objeto de aço redondo), algum fio magnético (medidor 30-22 funciona bem) e uma bateria.

Enrole entre 75-100 voltas de fio ao redor do aço. Usando um centro de aço concentra ainda mais o campo magnético, aumentando sua força efetiva. Vamos analisar por que isso acontece na próxima seção.

agora, usando papel de areia, remova o isolamento das extremidades dos fios e conecte cada fio a cada terminal da bateria. Meus parabéns! Você construiu o primeiro componente de um motor! Para testar a força do seu eletroímã, tente pegar clipes de papel ou outros pequenos objetos de aço.

ferromagnetismo

olhando para o início de nosso experimento mental, os campos magnéticos só podem ser produzidos por uma corrente. Tomando a definição de corrente como um fluxo de elétrons, os elétrons que orbitam um átomo devem criar uma corrente e, portanto, um campo magnético! Se cada átomo tem elétrons, tudo é magnético? É! Toda a matéria, incluindo sapos, pode expressar propriedades magnéticas quando recebe energia suficiente. Mas nem todo magnetismo é criado igualmente. A razão pela qual eu posso pegar parafusos com um magnetizador de refriderador e não um sapo é a diferença entre ferromagnetismo e paramagnetismo. A maneira de diferenciar os dois (e mais alguns tipos) é através do estudo da mecânica quântica.O ferromagnetismo será o nosso foco, uma vez que é o fenômeno mais forte e é com o que temos mais experiência. Além disso, para nos aliviar de ter que entender isso no nível quântico, vamos aceitar que os átomos de materiais ferromagnéticos tendem a alinhar seus campos magnéticos com seus vizinhos. Embora tendam a se alinhar, inconsistências no material e outros fatores, como a estrutura cristalina, criam domínios magnéticos.

quando os domínios magnéticos estão alinhados em uma ordem aleatória, os campos vizinhos se cancelam, resultando em um material não magnetizado. Uma vez na presença de um campo externo forte, é possível re-alinhar esses domínios. Ao alinhar esses domínios, o campo geral se fortalece, criando um ímã!

Este re-alinhamento pode ser permanente dependendo da força do campo. Isso é ótimo porque precisaremos deles na próxima seção.

ímãs permanentes

os ímãs permanentes se comportam da mesma maneira que os eletroímãs. A única diferença é, bem, eles são permanentes.

em todos os desenhos, as setas estarão apontando para longe do Pólo Norte e para o Pólo Sul. Outra convenção é usar a cor vermelha para representar o norte e o azul para representar o sul. Para identificar uma polaridade de ímãs, você pode usar uma bússola. Como os opostos se atraem, a agulha apontará para o norte até o pólo sul do ímã.

você pode realizar o mesmo experimento com um eletroímã para determinar a polaridade.

se você reverter o fluxo de corrente, poderá ver como um eletroímã pode reverter seus pólos.

este é um princípio fundamental para a construção de motores! Agora, vamos ver alguns motores diferentes e como eles usam ímãs e eletroímãs.