Quando fazemos uma corrente elétrica passar por um fio, algo acontece ao redor desse condutor que não conseguimos enxergar diretamente: surge um campo magnético.
Essa relação entre eletricidade e magnetismo é um dos fundamentos mais importantes da eletrônica e da eletricidade. É a partir dela que podemos compreender o funcionamento de dispositivos como eletroímãs, relés, solenoides, alto-falantes e motores elétricos.
No vídeo que acompanha este artigo, faço uma demonstração prática desse efeito para mostrar que eletricidade e magnetismo estão muito mais relacionados do que pode parecer.
Corrente elétrica produz campo magnético
Quando uma corrente elétrica circula por um condutor, forma-se um campo magnético ao seu redor. Esse fenômeno ficou historicamente associado aos experimentos de Hans Christian Ørsted, que observou no início do século XIX que uma corrente passando por um fio conseguia desviar a agulha de uma bússola.
Portanto:
corrente elétrica → campo magnético
Essa relação aparentemente simples é fundamental para entendermos vários dispositivos elétricos.
O que acontece se enrolarmos o fio?
Um fio percorrido por corrente já produz um campo magnético.
Mas podemos enrolar esse fio formando uma bobina.
Os campos produzidos pelas diferentes espiras se combinam, tornando o efeito magnético muito mais útil. Quanto maior o número de espiras e a corrente, outros fatores mantidos constantes, maior pode ser o campo produzido por um solenoide.
Temos então:
fio → corrente → campo magnético
e depois:
várias espiras → bobina → campo magnético mais concentrado
É aqui que começamos a chegar ao eletroímã.
Como funciona um eletroímã?
Podemos colocar um material ferromagnético, como um núcleo adequado de ferro, dentro da bobina.
Ao circular corrente, a bobina produz seu campo e o núcleo pode intensificar bastante o efeito magnético. O Departamento de Energia dos EUA, por exemplo, descreve justamente essa progressão: fio com corrente, fio enrolado e bobina em torno de material ferromagnético para produzir um eletroímã mais forte.
A grande vantagem é que temos um ímã controlado eletricamente.
corrente ligada → campo magnético presente
corrente desligada → campo reduzido ou praticamente desaparece, dependendo do material e da remanência
É uma ideia extremamente poderosa.
Onde encontramos eletroímãs?
Eles estão em muitos equipamentos.
Podemos encontrá-los em relés, solenoides, fechaduras elétricas, campainhas e vários tipos de atuadores.
O princípio básico continua sendo:
energia elétrica → corrente na bobina → campo magnético → ação física
Ou seja, conseguimos utilizar eletricidade para provocar movimento.
E isso nos leva diretamente ao motor.
Como o efeito eletromagnético faz um motor girar?
Agora acrescentamos outra propriedade importante.
Um condutor percorrido por corrente, quando colocado em um campo magnético externo, pode sofrer uma força magnética.
Se organizarmos os condutores formando uma bobina, as forças magnéticas podem produzir um torque.
É exatamente essa ideia que está na base do motor elétrico: loops de fio percorridos por corrente interagem com um campo magnético, produzindo torque e fazendo um eixo girar.
Podemos simplificar:
energia elétrica
↓
corrente
↓
interação de campos magnéticos
↓
força
↓
torque
↓
rotação
↓
energia mecânica
O motor transforma eletricidade em movimento
Essa é uma maneira muito interessante de enxergar o motor elétrico.
Ele é um conversor de energia:
energia elétrica → energia mecânica
Quando ligamos uma bateria a um pequeno motor e vemos o eixo começar a girar, estamos observando o resultado de forças eletromagnéticas atuando internamente.
O motor parece simples externamente, mas existe uma combinação muito interessante de corrente, campo magnético e forças acontecendo dentro dele.
E por que o motor continua girando?
Em um motor DC escovado tradicional existe um problema a resolver.
Se simplesmente colocássemos uma bobina em um campo magnético e aplicássemos corrente sem nenhum mecanismo adicional, ela não manteria indefinidamente o torque no mesmo sentido.
Por isso entram componentes como comutador e escovas.
O comutador altera a direção da corrente nas bobinas nos momentos apropriados, permitindo manter o torque responsável pela rotação.
É uma solução eletromecânica muito engenhosa.
E os motores brushless?
Nos motores brushless, ou motores sem escovas, não utilizamos a mesma comutação mecânica realizada por escovas e comutador.
O chaveamento das bobinas é realizado eletronicamente.
Apesar da diferença tecnológica, continuamos explorando o mesmo fundamento:
correntes elétricas + campos magnéticos → forças → movimento
É por isso que compreender primeiro a experiência básica ajuda tanto a entender posteriormente motores muito mais sofisticados.
Se invertermos a corrente, o que acontece?
Outro experimento interessante é observar a direção do campo magnético.
Se invertermos o sentido da corrente em um condutor, invertemos também a direção do campo magnético produzido por ele. A conhecida regra da mão direita pode ser utilizada para determinar essa direção.
Isso ajuda a compreender como circuitos conseguem controlar o comportamento de motores e outros atuadores eletromagnéticos.
Eletroímã e motor possuem a mesma origem física
Esse é talvez o ponto mais interessante deste experimento.
À primeira vista, um eletroímã e um motor parecem dispositivos completamente diferentes.
Mas observe:
Eletroímã
corrente → campo magnético → atração/ação magnética
Motor
corrente + campo magnético → força/torque → rotação
Os dois exploram a relação fundamental entre eletricidade e magnetismo.
Veja o efeito eletromagnético na prática
No vídeo abaixo mostro o efeito eletromagnético produzido pela corrente elétrica e sua relação com o funcionamento do eletroímã e do motor elétrico.
Uma experiência simples que explica muita tecnologia
Esse é mais um daqueles casos em que um experimento relativamente simples permite compreender tecnologias muito maiores.
Começamos com:
um fio + corrente elétrica
e descobrimos um campo magnético.
Enrolamos o fio:
bobina + corrente
e conseguimos concentrar o campo.
Acrescentamos um núcleo:
bobina + núcleo + corrente
e construímos um eletroímã.
Depois exploramos forças magnéticas:
bobinas + campo magnético + comutação
e conseguimos construir um motor.
É uma sequência fantástica para perceber como princípios básicos da Física acabam se transformando em dispositivos que utilizamos todos os dias.