Explique o princípio para o funcionamento de um motor elétrico.
Passo 1
O enunciado pede para explicar o princípio de funcionamento de um motor elétrico, ou seja, como ele converte energia elétrica em energia mecânica. Para isso, vamos usar a teoria do eletromagnetismo: em particular a força de Lorentz sobre um condutor percorrido por corrente em presença de campo magnético e o mecanismo de comutação que gera movimento contínuo.
Passo 2
Quando uma corrente elétrica percorre um condutor imerso em um campo magnético, cada portador de carga experimenta a força de Lorentz. Para um fio retilíneo de comprimento
percorrido por corrente
num campo uniforme
, a força resultante é
onde o módulo dessa força vale
com
sendo o ângulo entre a direção do fio e a direção de
.
Passo 3
Num motor típico de corrente contínua, a parte móvel (rotor) é formada por uma ou várias espiras retangulares. Cada lado da espira sofre uma força do tipo
em direções opostas, gerando um momento de torção (torque)
onde
e
são dimensões da espira,
é a área de cada volta e
o número de voltas. Esse torque tende a girar a espira em torno de seu eixo.
Passo 4
Para manter o giro contínuo, o motor de corrente contínua usa um comutador (cilindro de segmentos condutores) e escovas de grafite. A cada meia volta do rotor, o comutador inverte o sentido de circulação da corrente na espira, de modo que o torque continue atuando sempre no mesmo sentido de rotação.
Passo 5
Assim, pela interação elétrica (corrente) e magnética (campo) e pelo dispositivo de comutação, o motor produz torque constante, transformando potência elétrica
em potência mecânica no eixo
onde
é a velocidade angular. A diferença entre
e
corresponde às perdas (calor, atrito, indutância).
Resposta
O motor elétrico funciona com base na força de Lorentz num condutor percorrido por corrente dentro de um campo magnético, gerando torque numa espira. Um comutador inverte o sentido da corrente a cada meia volta, garantindo rotação contínua e convertendo energia elétrica em trabalho mecânico no eixo.