Produção de Energia Mecânica Com Campos Magnéticos: Funcionamento de Motores Elétricos, Slides de Engenharia Elétrica

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Capitulo 4

Princípios da conversão

eletromecânica da energia;

TE 323 Conversão de Energia l

2. O que vamos ver neste capítulo?

1. Introdução

2. Produção de energia mecânica

com campos magnéticos

3. Campo eletromagnético

produzido pela corrente

passando através de um fio

4. Força Eletromagnética

5. Torque em uma espira

• Mesmo que ímãs permanentes sejam frequentemente usados, principalmente em pequenos motores, pelo menos alguns dos 'ímãs’ de um motor devem ser 'eletroímãs‘
• Um motor não pode funcionar se for construído exclusivamente com ímãs permanentes, não só não haverá o torque inicial para 'disparar’ o movimento, se eles já estiverem em suas posições de equilíbrio, como apenas oscilarão, em torno dessa posição, se receberem um 'empurrão' externo inicial

• As máquinas elétricas rotativas são equipamentos destinados a converter energia mecânica em energia elétrica, ou vice-versa;
• No primeiro caso elas recebem o nome de motores elétricos e, no segundo, geradores elétricos;
• O processo de conversão se realiza por meio dos fenômenos estudados e consolidados pelas leis fundamentais da eletricidade e do magnetismo: - Lei da indução eletromagnética, Lenz-Faraday - Lei do circuito elétrico, lei de Kirchhoff - Lei circuital do campo magnético, lei de Ampére

2. Produção de energia mecânica

com campos magnéticos

• Um campo eletromagnético se comporta

como um campo magnético que ocorre

naturalmente;

• Ambos os tipos de campo possuem polos

norte e sul;

• Os polos opostos dos campos magnéticos se

atraem e os polos iguais dos campos

eletromagnéticos se repelem, da mesma

forma que no exemplo da barra magnética.

• O Ímã A está montado sobre um eixo que gira livremente;
• Quando o polo norte do Ímã B é colocado próximo ao polo norte do Ímã A, a força magnética de repulsão entre os dois pólos norte afasta o polo norte do Ímã.

3. Campo eletromagnético produzido pela

corrente passando através de um fio

• Já vimos que os campos magnéticos podem ser produzidos usando a eletricidade;
• Estes campos magnéticos produzidos por corrente elétrica são denominados campos eletromagnéticos;
• Os motores elétricos usam eletroímãs ao invés dos ímãs naturais porque: - Os eletroímãs podem produzir e variar as forças de atração e repulsão milhares de vezes mais fortes do que aquelas produzidas pelos ímãs naturais e; - Os eletroímãs podem ser ligados e desligados, enquanto os ímãs naturais possuem um campo magnético permanente.

• A corrente passando através de um condutor, como um fio de cobre, gera um campo eletromagnético em volta do fio;
• Não há polos norte e sul verdadeiros, pois o campo foi produzido por um ímã circular. Porém, se pudéssemos produzir um intervalo no campo magnético, apareceriam os polos norte e sul.

Desta forma:

• Um condutor percorrido por corrente elétrica, imerso em um campo magnético, sofre a ação de uma força eletromagnética.

Força eletromagnética sobre um condutor retilíneo

• A força age na direção perpendicular às linhas de campo.

• A intensidade da força eletromagnética exercida sobre o condutor também depende do ângulo entre a direção da corrente e a direção do vetor densidade de campo magnético, como mostra a figura abaixo.
• Quando o campo for perpendicular à direção da corrente, a força exercida sobre o condutor será máxima. Quando o campo e a corrente tiverem a mesma direção a força sobre o condutor será nula.

• Isso significa que a intensidade da força eletromagnética F

exercida sobre o condutor é diretamente proporcional à:

• densidade do campo magnético B
• à intensidade de corrente elétrica que percorre o condutor;
• ao comprimento longitudinal do condutor;
• ao ângulo de incidência das linhas de campo no condutor.
• O módulo do vetor força magnética que age sobre o

condutor pode ser dado por:

onde: F – intensidade do vetor força eletromagnética [N]; B – densidade de campo magnético ou densidade de fluxo magnético [T]; 𝑙 - comprimento ativo do condutor sob efeito do campo magnético [m]; θ - ângulo entre as linhas de campo e a superfície longitudinal do condutor [° ou rad]

Exercício 1 Um condutor retilíneo é percorrido por uma corrente elétrica de 5 A e está com 20 cm de seu comprimento longitudinal imerso em um campo magnético uniforme de 3 T, fazendo um ângulo de 30º C. Determine o vetor força eletromagnética resultante (módulo, direção e sentido). (Resp. F=1,5 N).

5. Torque de uma espira

• Uma espira condutora livre pode girar em torno do seu eixo, quando: - submetida a um campo magnético; e - percorrida por corrente elétrica sofre um torque de giro.
• Na figura a seguir, podemos observar que os condutores da espira percorridos por corrente I (no sentido horário na espira) e submetidos a uma densidade de campo magnético B (no sentido indicado, para a direita) sofrem a ação de forças magnéticas cujos sentidos são dados pela regra de Fleming (mão esquerda – ação motriz). A composição dos vetores produz um torque girante