O que é um dínamo e como funciona? Aprenda com uma experiência simples

Um dínamo é uma máquina capaz de transformar energia mecânica em energia elétrica.

Parece complicado, mas podemos observar esse princípio utilizando materiais extremamente simples.

Neste experimento vou utilizar pequenos motores elétricos para mostrar algo muito interessante:

um motor pode receber eletricidade e produzir movimento, mas também pode fazer o caminho inverso: receber movimento e produzir eletricidade.

É justamente essa transformação de energia que vamos observar.

Primeiro precisamos entender o motor elétrico

Antes de falar do dínamo, vale começar pelo funcionamento de um pequeno motor elétrico de corrente contínua, daqueles encontrados em brinquedos e diversos projetos eletrônicos.

Dentro de um motor DC escovado encontramos elementos como:

bobinas;

ímãs permanentes;

eixo;

escovas;

comutador.

Quando aplicamos uma tensão aos terminais do motor, uma corrente elétrica circula pelas bobinas.

Essa corrente cria um campo magnético.

A interação entre os campos magnéticos existentes no motor produz forças que fazem o rotor e, consequentemente:

o eixo girar.

Podemos representar assim:

energia elétrica

↓

corrente nas bobinas

↓

interação eletromagnética

↓

movimento do rotor

↓

energia mecânica.

Portanto, no funcionamento normal como motor estamos transformando:

energia elétrica → energia mecânica.

E se fizermos o contrário?

Aqui começa nossa experiência.

Em vez de aplicar eletricidade aos terminais e esperar o eixo girar, podemos:

girar mecanicamente o eixo.

Quando fazemos isso, os condutores existentes no interior da máquina se movimentam em relação ao campo magnético.

Como resultado, pode surgir uma:

força eletromotriz induzida.

Ou seja:

movimento mecânico → geração de tensão elétrica.

Nosso pequeno motor passa então a trabalhar como:

gerador.

No caso de uma máquina DC escovada com comutador, temos uma demonstração bastante simples do princípio de funcionamento de um dínamo.

De onde surge essa eletricidade?

A explicação está em um dos fenômenos mais importantes do eletromagnetismo:

a indução eletromagnética.

Quando existe uma variação do fluxo magnético associado a um circuito condutor, pode surgir uma força eletromotriz induzida.

Esse fenômeno está relacionado à:

Lei de Faraday.

De maneira simplificada:

movimento relativo entre condutores e campo magnético

↓

variação do fluxo magnético

↓

tensão induzida.

É assim que conseguimos transformar movimento em eletricidade.

A Lei de Faraday

Uma representação bastante conhecida é:

ε = −N × dΦ/dt

onde:

ε = força eletromotriz induzida;

N = número de espiras;

Φ = fluxo magnético;

dΦ/dt = velocidade com que o fluxo magnético varia.

Não precisamos dominar a equação para compreender a experiência.

O que ela nos mostra é algo fundamental:

quanto mais rapidamente alteramos o fluxo magnético, maior pode ser a tensão induzida.

É por isso que a velocidade de rotação do eixo influencia a tensão produzida pelo nosso pequeno gerador.

Vamos fazer uma experiência

No experimento original utilizei:

dois pequenos motores DC;

duas pilhas, totalizando aproximadamente 3 V;

um multímetro.

Os dois motores foram acoplados mecanicamente pelos eixos.

A ideia é simples.

O primeiro motor recebe energia das pilhas.

Seu eixo gira.

Como os dois eixos estão acoplados, o primeiro motor força o eixo do segundo a girar.

Temos:

pilhas

↓

motor 1

↓

rotação

↓

motor 2

↓

energia elétrica.

O segundo motor irá gerar eletricidade pelo movimento do seu eixo. A tensão gerada será medida através de um aparelho muito usado na eletrônica chamado multímetro. Usei a escala de 2,5 Volts. Veja no vídeo mais abaixo que o multímetro não alcança o final da escala. Ou seja, estou usando 3 Volts (2 pilhas pequenas) para gerar menos de 2,5 Volts. Sendo assim, essa experiência só serve para demonstração e não para uso prático já que nesse exemplo estamos gastando mais energia do que gerando. É claro que se ao invés do motor ligado às pilhas estivéssemos usando a força do vento ou da água seria muito interessante. As usina eólicas e hidrelétricas funcionam segundo esse princípio.

O segundo motor não está conectado às pilhas.

Ele está sendo movimentado mecanicamente pelo primeiro.

Por isso passa a funcionar como:

gerador.

Medindo a tensão produzida

Para verificar se realmente existe geração de eletricidade, conectei um:

multímetro

aos terminais do segundo motor.

No experimento original utilizei a escala de 2,5 V do instrumento.

Quando o eixo começa a girar, o multímetro indica uma tensão.

Isso demonstra de maneira muito visual que:

o movimento mecânico está produzindo energia elétrica.

Quanto mais rápido eu girar, maior será a tensão?

Em geral, para esse tipo de máquina e dentro de sua faixa de operação:

maior velocidade de rotação → maior força eletromotriz gerada.

Você pode observar isso de maneira bastante simples.

Gire lentamente o eixo e observe o multímetro.

Depois aumente a velocidade.

A tensão indicada tende a aumentar.

Essa é uma característica muito importante dos geradores.

E se eu girar o motor ao contrário?

Essa é outra experiência interessante.

Se você inverter o sentido de rotação do eixo de um pequeno motor DC usado como gerador:

a polaridade da tensão gerada também se inverte.

Se o multímetro estiver indicando, por exemplo, uma tensão positiva em determinado sentido de rotação, ao inverter a rotação ele poderá indicar:

tensão negativa.

Isso significa que os terminais trocaram suas polaridades relativas.

Portanto:

sentido de rotação → influencia a polaridade da tensão gerada.

Tensão não é a mesma coisa que corrente

Esse é um ponto importante que apareceu inclusive nos comentários do artigo original.

Um leitor perguntou por que conseguia obter aproximadamente a tensão necessária para um rádio, mas apenas a luz do equipamento acendia. Na época expliquei que não basta produzir a tensão: o gerador também precisa conseguir fornecer corrente suficiente para alimentar a carga.

Esse conceito continua fundamental.

Imagine dois geradores que produzem:

12 V.

Um consegue fornecer:

10 mA.

O outro:

2 A.

Embora os dois apresentem 12 V em determinadas condições, suas capacidades de alimentar uma carga são completamente diferentes.

Tensão sem carga não conta toda a história

Podemos colocar o multímetro nos terminais de um pequeno motor, girar rapidamente seu eixo e observar uma tensão relativamente alta.

Isso não significa que conseguiremos alimentar qualquer equipamento que utilize aquela mesma tensão.

Quando conectamos uma carga, ela exige:

corrente.

A tensão nos terminais do gerador pode cair devido às suas características internas e às limitações mecânicas da fonte que está movimentando o eixo.

Por isso, ao avaliar um gerador, precisamos considerar pelo menos:

tensão;

corrente;

potência.

O que é potência elétrica?

De maneira simplificada, em corrente contínua:

P = V × I

onde:

P = potência em watts;

V = tensão em volts;

I = corrente em amperes.

Imagine que nosso gerador consiga fornecer:

5 V e 100 mA.

Como:

100 mA = 0,1 A

teríamos:

P = 5 × 0,1

ou:

0,5 W.

Agora imagine um equipamento que precise de 5 V e 2 A.

Ele necessita de:

10 W.

Portanto, nosso pequeno gerador não teria capacidade para alimentá-lo adequadamente, apesar de conseguirmos medir 5 V em determinadas condições.

Por que obtenho menos energia do que forneço?

No meu experimento, utilizei aproximadamente 3 V das pilhas para movimentar o primeiro motor, enquanto a tensão medida no segundo ficou abaixo de 2,5 V. Já no artigo original eu destacava que aquela montagem servia para demonstração, e não para tentar produzir energia útil a partir das próprias pilhas.

E existe uma razão fundamental para isso.

Nenhuma dessas conversões possui:

100% de eficiência.

Existem perdas em todas as etapas

Vamos observar nosso experimento.

Começamos com:

energia química das pilhas.

Ela é transformada em:

energia elétrica.

O primeiro motor transforma parte dela em:

energia mecânica.

O acoplamento transmite essa energia para o segundo motor.

E o segundo motor transforma parte da energia mecânica novamente em:

energia elétrica.

Em cada etapa existem perdas.

Por exemplo:

resistência dos fios e bobinas;

aquecimento;

atrito nas buchas ou rolamentos;

atrito das escovas;

perdas magnéticas;

resistência mecânica;

imperfeições no acoplamento.

Por isso:

energia elétrica → motor → gerador → energia elétrica

sempre nos devolve menos energia útil do que aquela que fornecemos inicialmente.

Então não podemos ligar o gerador no próprio motor?

Essa é uma dúvida extremamente comum.

Imagine:

gerador alimenta motor

e:

motor gira o mesmo gerador.

Será que, depois de iniciado o movimento, o conjunto continuaria funcionando sozinho?

Não.

Isso seria uma máquina de movimento perpétuo.

As perdas inevitáveis fazem com que a energia disponível diminua a cada conversão.

Para o sistema continuar funcionando, precisamos fornecer energia de alguma fonte externa.

Mas e uma usina hidrelétrica?

A diferença é justamente a origem da energia mecânica.

Em nosso experimento, usamos:

pilhas → motor → gerador.

Isso não faz sentido como sistema de geração de energia porque estamos usando eletricidade para gerar movimento e depois tentando transformar esse movimento novamente em eletricidade.

Em uma hidrelétrica, a energia que movimenta o gerador vem da:

água.

Podemos representar, de forma simplificada:

água armazenada em determinada altura

↓

energia potencial gravitacional

↓

movimento da água

↓

turbina

↓

gerador

↓

energia elétrica.

Não estamos criando energia.

Estamos:

transformando energia.

E em uma turbina eólica?

O mesmo raciocínio vale.

Temos:

vento

↓

movimento das pás

↓

rotação do eixo

↓

gerador

↓

energia elétrica.

A fonte inicial é a energia cinética do vento.

Novamente:

não estamos produzindo energia do nada.

Estamos convertendo uma forma de energia em outra.

E aquele dínamo antigo de bicicleta?

Talvez muita gente conheça o termo dínamo justamente por causa das bicicletas.

Um pequeno gerador entra em movimento com a rotação da roda e fornece eletricidade para alimentar a iluminação.

Quando a bicicleta se movimenta:

roda gira

↓

gerador gira

↓

energia elétrica é produzida

↓

lâmpada recebe energia.

Mas existe uma consequência interessante.

Gerar eletricidade exige esforço

Se retiramos energia elétrica do gerador, essa energia precisa vir de algum lugar.

No caso da bicicleta:

vem do ciclista.

Quando o gerador está fornecendo energia para uma carga, aparece um torque resistente.

Em outras palavras, fica um pouco mais difícil manter o sistema girando.

Isso é consequência da própria conservação de energia.

Não existe:

energia elétrica grátis surgindo no eixo.

Quanto mais potência elétrica útil retiramos do gerador, maior precisa ser a potência mecânica fornecida, considerando também as perdas.

A Lei de Lenz ajuda a explicar isso

Observe novamente a expressão da indução:

ε = −N × dΦ/dt

Aquele sinal negativo possui significado físico.

Ele está relacionado à:

Lei de Lenz.

A corrente induzida surge em um sentido tal que seus efeitos se opõem à variação que a produziu.

Isso ajuda a compreender por que um gerador submetido a uma carga oferece resistência mecânica ao movimento.

Quando retiramos energia elétrica dele:

precisamos fornecer energia mecânica ao eixo.

Motor e gerador são máquinas muito próximas

Essa talvez seja uma das partes mais interessantes da experiência.

Em um pequeno motor DC:

eletricidade entra → movimento sai.

Quando utilizamos a mesma máquina como gerador:

movimento entra → eletricidade sai.

Podemos representar:

MOTOR

energia elétrica → energia mecânica

e:

GERADOR

energia mecânica → energia elétrica.

Isso mostra como os princípios de motores e geradores estão intimamente relacionados.

Dínamo e alternador são a mesma coisa?

No uso cotidiano, os termos às vezes acabam misturados, mas existe uma diferença conceitual importante.

Tradicionalmente, chamamos de dínamo uma máquina geradora que fornece corrente unidirecional através da utilização de um:

comutador mecânico.

Já um:

alternador

produz uma saída alternada em sua geração, com a forma final dependendo de sua construção e do sistema de retificação utilizado.

Essa diferença fica interessante quando observamos nosso pequeno motor DC escovado.

Para que servem as escovas e o comutador?

No motor DC escovado existe um conjunto mecânico formado pelas:

escovas

e pelo:

comutador.

Quando o dispositivo funciona como motor, esse sistema participa da comutação da corrente nas bobinas do rotor para manter o torque no sentido desejado.

Quando utilizamos a máquina como gerador, o mesmo conjunto também permite obter nos terminais externos uma tensão de polaridade definida para determinado sentido de rotação, embora com ondulações decorrentes da comutação.

É uma solução eletromecânica muito engenhosa.

Posso usar qualquer motor como gerador?

Muitos motores podem atuar como geradores de alguma forma, mas isso não significa que todos se comportarão da mesma maneira nem que qualquer motor seja adequado para qualquer projeto.

Precisamos considerar características como:

tipo do motor;

velocidade de rotação;

tensão desejada;

corrente necessária;

construção interna;

eficiência.

Um pequeno motor DC com ímãs permanentes é especialmente interessante para experiências porque é simples.

Gire o eixo e:

uma tensão aparece nos terminais.

Posso acender um LED?

Dependendo do motor utilizado e da velocidade de rotação:

sim.

Mas precisamos lembrar que um LED possui:

polaridade

e necessita de condições adequadas de:

tensão e corrente.

Além disso, normalmente utilizamos um resistor ou outro circuito apropriado para limitar a corrente do LED.

Em pequenas experiências, conseguir acender um LED girando um motor é uma maneira muito visual de demonstrar a conversão:

movimento → eletricidade → luz.

Posso carregar uma bateria?

Em princípio, um gerador pode fazer parte de um sistema para carregar baterias.

Mas não devemos simplesmente ligar qualquer motor utilizado como gerador diretamente a qualquer bateria.

Um sistema de carregamento adequado precisa controlar parâmetros como:

tensão;

corrente;

polaridade

e, dependendo da química da bateria:

o processo específico de carga.

Baterias de lítio, por exemplo, exigem circuitos apropriados de gerenciamento de carga.

Portanto, a experiência com o motor demonstra o princípio de geração.

Um carregador é outro projeto.

Veja o experimento no vídeo

No vídeo original deste artigo mostro os dois motores acoplados.

Um recebe energia das duas pilhas.

Seu eixo movimenta o segundo motor.

E o multímetro permite observar a tensão produzida pelo segundo.

Depois de compreender o princípio, vale assistir novamente prestando atenção nesta sequência:

pilhas

→ energia elétrica

→ primeiro motor

→ energia mecânica

→ segundo motor

→ energia elétrica

→ multímetro.

Essa pequena montagem permite visualizar uma cadeia inteira de conversões de energia.

Uma experiência simples para entender geração de energia

Podemos resumir:

motor elétrico:

eletricidade → movimento

gerador:

movimento → eletricidade

Quando movimentamos o eixo de um pequeno motor DC de ímã permanente, podemos gerar uma tensão em seus terminais.

Quanto mais rapidamente o eixo gira, dentro das condições do sistema, maior tende a ser a tensão gerada.

Quando conectamos uma carga, porém, precisamos considerar não apenas a tensão, mas também:

corrente e potência.

E sempre existem perdas.

Por isso, o gerador não cria energia.

Ele:

transforma energia mecânica em energia elétrica.

Essa diferença parece pequena, mas é fundamental para entender como funcionam desde um pequeno motor girado com os dedos até grandes sistemas de geração de eletricidade.

Quer aprender mais sobre motores, eletricidade e eletrônica?

Experimentos como este são interessantes porque permitem observar conceitos que às vezes parecem abstratos.

Um pequeno motor pode nos ajudar a compreender:

corrente elétrica;

campo magnético;

indução eletromagnética;

tensão;

corrente;

potência;

conservação de energia.

Mais importante do que apenas saber que “um motor pode funcionar ao contrário” é compreender:

de onde vem a energia e como ela é transformada.

Quando entendemos isso, começamos a enxergar com muito mais clareza o funcionamento de:

motores, geradores, alternadores e diversos outros sistemas eletromecânicos.