Motores elétricos e geradores

motores DC

• * Vários nmemônicos diferentes são usados ​​para lembrar a direção da força.Alguns usam a mão direita, outros a esquerda.Para alunos que sabemmultiplicação vetorial, é fácil usar a força de Lorentz diretamente:F= qvxB, de ondeF= eudLxB.Essa é a origem do diagrama mostrado aqui.

• Por toda parte, usamos azul para o pólo Norte e vermelho para o Sul.Esta é apenas uma convenção para deixar a orientação clara: não há diferença no material em nenhuma das extremidades do ímã e geralmente não são pintadas de cores diferentes.

Observe o efeito doescovasnoanel dividido.Quando o plano da bobina giratória atinge a horizontal, as escovas quebram o contato (não se perde muito, porque esse é o ponto de torque zero de qualquer maneira - as forças agem para dentro).O momento angular da bobina a leva além desse ponto de interrupção e a corrente flui na direção oposta, o que inverte o dipolo magnético.Assim, após passar o ponto de quebra, o rotor continua girando no sentido anti-horário e começa a se alinhar na direção oposta.No texto a seguir, usarei amplamente a imagem do 'torque em um ímã', mas lembre-se de que o uso de escovas ou de corrente alternada pode fazer com que os pólos do eletroímã em questão troquem de posição quando a corrente muda de direção.

O torque gerado ao longo de um ciclo varia com a separação vertical das duas forças.Depende, portanto, do seno do ângulo entre o eixo da bobina e o campo.No entanto, por causa do anel dividido, é sempre no mesmo sentido.A animação abaixo mostra sua variação no tempo, e você pode pará-la a qualquer momento e verificar a direção aplicando a regra da mão direita.
 

Motores e geradores

Se você usar energia mecânica para girar a bobina (N voltas, área A) em velocidade angular uniforme ω no campo magnéticoB, produzirá uma fem senoidal na bobina.fem (uma fem ou força eletromotriz é quase a mesma coisa que uma voltagem).Seja θ o ângulo entreBe a normal à bobina, então o fluxo magnético φ é NAB.cos θ.A lei de Faraday dá:

• fem = − dφ/dt = − (d/dt) (NBA cos θ)

  = NBA sen θ (dθ/dt) = NBAω sen ωt.

um alternador

Na próxima animação, os dois pincéis entram em contato com dois anéis contínuos, de modo que os dois terminais externos estão sempre conectados às mesmas extremidades da bobina.O resultado é a fem senoidal não retificada dada por NBAω sen ωt, que é mostrada na próxima animação.

EMF traseiro

Então aqui está um corolário interessante.Todo motor é um gerador.Isso é verdade, em certo sentido, mesmo quando funciona como um motor.A fem que um motor gera é chamada deemf de volta.A fem traseira aumenta com a velocidade, por causa da lei de Faraday.Assim, se o motor estiver sem carga, ele gira muito rápido e acelera até que a contrafem, mais a queda de tensão por perdas, iguale a tensão de alimentação.O emf traseiro pode ser pensado como um 'regulador': ele para o motor de girar infinitamente rápido (salvando assim os físicos algum embaraço).Quando o motor está carregado, a fase da tensão fica mais próxima da corrente (começa a parecer resistiva) e essa resistência aparente dá uma tensão.Portanto, a fem traseira necessária é menor e o motor gira mais lentamente.(Para adicionar a fem traseira, que é indutiva, ao componente resistivo, você precisa adicionar tensões que estão fora de fase. Consultecircuitos CA.)

As bobinas geralmente têm núcleos

Na prática (e ao contrário dos diagramas que desenhamos), os geradores e os motores CC geralmente têm um núcleo de alta permeabilidade dentro da bobina, de modo que grandes campos magnéticos são produzidos por correntes modestas.Isso é mostrado à esquerda na figura abaixo, na qual oestatores(os ímãs que são estacionários) são ímãs permanentes.

Motores 'universais'

Os ímãs do estator também podem ser feitos como eletroímãs, como mostrado acima à direita.Os dois estatores são enrolados na mesma direção para dar um campo na mesma direção e o rotor tem um campo que se inverte duas vezes por ciclo porque está conectado a escovas, que são omitidas aqui.Uma vantagem de ter estatores enrolados em um motor é que se pode fazer um motor que funcione em CA ou CC, o chamadomotor universal.Quando você aciona esse motor com CA, a corrente na bobina muda duas vezes em cada ciclo (além das mudanças das escovas), mas a polaridade dos estatores muda ao mesmo tempo, então essas mudanças se cancelam.(Infelizmente, no entanto, ainda existem escovas, embora eu as tenha escondido neste esboço.) Para obter as vantagens e desvantagens do imã permanente versus estatores bobinados, consulteabaixo de.Veja tambémmais sobre motores universais.

Construir um motor simples

Faça a bobina de fio de cobre rígido, para que não precise de nenhum suporte externo.Enrole 5 a 20 voltas em um círculo de cerca de 20 mm de diâmetro e faça com que as duas extremidades apontem radialmente para fora em direções opostas.Essas extremidades serão o eixo e os contatos.Se o fio tiver laca ou isolamento de plástico, descasque-o nas pontas.

motores CA

A primeira coisa a fazer em um motor CA é criar um campo rotativo.A CA 'comum' de um soquete de 2 ou 3 pinos é CA monofásica - tem uma única diferença de potencial senoidal gerada entre apenas dois fios - o ativo e o neutro.(Observe que o fio terra não conduz corrente, exceto no caso de falhas elétricas.) Com AC monofásica, pode-se produzir um campo giratório gerando duas correntes que estão fora de fase usando, por exemplo, um capacitor.No exemplo mostrado, as duas correntes estão 90° fora de fase, então a componente vertical do campo magnético é senoidal, enquanto a horizontal é cosusoidal, como mostrado.Isso dá um campo girando no sentido anti-horário.

(* Me pediram para explicar isso: do simplesteoria AC, nem as bobinas nem os capacitores têm a tensão em fase com a corrente.Em um capacitor, a tensão é máxima quando a carga termina de fluir para o capacitor e está prestes a começar a fluir.Assim, a tensão está atrás da corrente.Em uma bobina puramente indutiva, a queda de tensão é maior quando a corrente está mudando mais rapidamente, o que também ocorre quando a corrente é zero.A tensão (queda) está à frente da corrente.Nas bobinas do motor, o ângulo de fase é bem menor que 90¡, porque a energia elétrica está sendo convertida em energia mecânica.)

Nesta animação, os gráficos mostram a variação no tempo das correntes nas bobinas vertical e horizontal.O gráfico dos componentes do campo B_xe B_ymostra que a soma vetorial desses dois campos é um campo rotativo.A figura principal mostra o campo rotativo.Também mostra a polaridade dos ímãs: como acima, o azul representa o pólo Norte e o vermelho o pólo Sul.

Se colocarmos um ímã permanente nesta área de campo rotativo, ou se colocarmos uma bobina cuja corrente sempre corre na mesma direção, isso se torna ummotor síncrono.Sob uma ampla gama de condições, o motor girará na velocidade do campo magnético.Se tivermos muitos estatores, em vez de apenas os dois pares mostrados aqui, poderíamos considerá-lo como um motor de passo: cada pulso move o rotor para o próximo par de polos acionados.Por favor, lembre-se do meu alerta sobre a geometria idealizada: motores de passo reais têm dezenas de pólos e geometrias bastante complicadas!

motores de indução

A animação à direita representa ummotor de gaiola de esquilo.A gaiola de esquilo tem (nesta geometria simplificada, pelo menos!) dois condutores circulares unidos por várias barras retas.Quaisquer duas barras e os arcos que as unem formam uma bobina – conforme indicado pelos traços azuis na animação.(Apenas dois dos muitos circuitos possíveis foram mostrados, para simplificar.)

Este esquema sugere por que eles podem ser chamados de motores de gaiola de esquilo.A realidade é outra: para fotos e mais detalhes, vejamotores de indução.O problema com os motores de indução e gaiola de esquilo mostrados nesta animação é que os capacitores de alto valor e alta tensão nominal são caros.Uma solução é o motor de 'polo sombreado', mas seu campo de rotação tem algumas direções onde o torque é pequeno e tem uma tendência de rodar para trás sob algumas condições.A maneira mais simples de evitar isso é usar motores de múltiplas fases.

Motores de indução CA trifásicos

Se alguém colocar um imã permanente em tal conjunto de estatores, ele se torna ummotor trifásico síncrono.A animação mostra uma gaiola de esquilo, na qual, para simplificar, apenas um dos muitos loops de corrente induzida é mostrado.Sem carga mecânica, ele gira praticamente em fase com o campo rotativo.O rotor não precisa ser uma gaiola de esquilo: na verdade, qualquer condutor que carregue correntes parasitas irá girar, tendendo a seguir o campo rotativo.Este arranjo pode dar umamotor de induçãocapaz de alta eficiência, alta potência e altos torques em uma faixa de taxas de rotação.

Motores lineares