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 L percorrido por corrente I num campo uniforme \mathbf{B}, a força resultante é
\mathbf{F} = I\,\mathbf{L}\times \mathbf{B},
onde o módulo dessa força vale
F = I\,L\,B\,\sin\theta,
com \theta sendo o ângulo entre a direção do fio e a direção de \mathbf{B}.

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 F = I\,L\,B em direções opostas, gerando um momento de torção (torque)
\tau = F \times \tfrac{a}{2} + F \times \tfrac{a}{2} = I\,B\,L\,a = N\,I\,A\,B,
onde a e L são dimensões da espira, A = aL é a área de cada volta e N 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
P_{\rm in} = V\,I
em potência mecânica no eixo
P_{\rm out} = \tau \,\omega,
onde \omega é a velocidade angular. A diferença entre P_{\rm in} e P_{\rm out} 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.

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