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1. Resumo
Este relatório mostrará como é o funcionamento de um transformador de corrente alternada. Citará os fatores responsáveis pela mudança de uma tensão aplicada para outra tensão de saída qualquer, alguns tipos de transformadores serão dados como exemplo. No experimento veremos o comportamento do transformador à altas e baixas voltagens de entrada e quando há mais perdas de potência. E o que acontece com o transformador quando a fonte de corrente é contínua?
2. Introdução
O transformador é um dispositivo constituído por duas bobinas, eletricamente isoladas, enroladas em torno de um mesmo núcleo de ferro doce (ferro quase puro) como mostra a figura 1 abaixo: [Apostila de Física Experimental II – UEPG]
Uma corrente alternada produzida pela fonte (E) no enrolamento primário, induz um fluxo magnético alternado fB no núcleo do ferro. Como o núcleo se estende atravessando o enrolamento secundário, este fluxo induzido também se estende através das espiras do secundário. Da lei da indução de Faraday, a fem induzida por E é a mesma, tanto para o primário quanto para o secundário. Além disso, a tensão V1 entre as extremidades do primário é igual à fem induzida no primário, e a tensão V2 entre as extremidades do secundário é igual à fem induzida no secundário. Assim podemos escrever: [Halliday]
portanto,
onde N1 e N2 são o número de espiras dos enrolamentos primários e secundários respectivamente.
Se N2>N1, dizemos que o transformador é um transformador elevador porque ele eleva a tensão do primário V1 para uma tensão mais alta V2. Analogamente, se N2<N1, o dispositivo é um transformador abaixador. [Halliday]
Admitindo que o transformador é ideal (não ouver perdas de energia), a potência fornecida ao primário deve ser igual à fornecida pelo secundário, então chegamos a tal relação: [Apostila de Física Experimental II – UEPG]
Onde i1 e i2 são as correntes no primário e no secundário respectivamente. Quanto maior for a tensão no secundário, menor será a corrente. Por esta razão a transmissão de energia elétrica se faz em tensões elevadas, já em nossas residências, utilizamos tensões baixas por segurança. [Apostila de Física Experimental II - UEPG]
Alguns Tipos de Transformadores [Notas de Física Experimental - Unicamp – IFGW]
Se N1 < N2 temos que a voltagem no secundário é maior que no primário e dizemos que temos um transformador de alta (e se N1 << N2 temos um transformador de alta tensão). Se N1 > N2 temos um transformador de baixa, que utilizam virtualmente todos os aparelhos para transformar os 110 volts de linha em tensões compatíveis com os componentes eletrônicos. Um transformador ideal pode ser ligado ao contrário, invertendo os papéis de primário e secundário e, portanto, os adjetivos de baixa e alta.
Note-se que um transformador de baixa é um amplificador de corrente. Antigamente os aparelhos de som eram a válvulas (que operam como amplificadores de voltagem, mas fornecem baixas correntes). As caixas de som são tipicamente de 8 W e exigem muita corrente. Por exemplo, um aparelho estéreo de 50 watts por canal implica em 2,5 ampères. Os aparelhos de som a válvulas utilizavam um transformador de saída para alimentar cada caixa com a corrente necessária. (Os aparelhos de som modernos têm transistores de saída, que operam como amplificadores de corrente podendo gerar correntes de dezenas de ampères, e são mais baratos e compactos que os transformadores).
Se N1 = N2 as voltagens primária e secundária são iguais e temos um transformador de isolamento. Os transformadores de isolamento são utilizados quando se deseja aterrar um ponto do circuito sem alterar a tensão de linha (é perigosíssimo e rigorosamente proibido aterrar um dos pontos da tomada). Em quase todo transformador os enrolamentos estão isolados eletricamente, o que permite que um dos pontos do secundário possa ser aterrado com segurança.
Figura 2. Trasformador em um carro.
A bobina de ignição é interessante pois ilustra um conceito diferente de funcionamento de um transformador (ver figura 2), normalmente o platinado está fechado, deixando passar uma corrente contínua pelo primário. Esta corrente cria um campo magnético constante e não há, portanto, voltagem induzida no secundário. Neste período a bobina funciona apenas como um armazenador de energia magnética. Quando o platinado abre (nos carros o platinado é acionado pelo rotor, aquela peça que gira dentro do distribuidor), a corrente no primário cai a zero bruscamente e se induz uma fem de alta voltagem (tipicamente 30 kV) no secundário. O campo elétrico produzido na vela de ignição é maior que a ruptura dielétrica do ar na câmara de explosão e se gera uma faísca com uma energia praticamente igual à energia magnética armazenada previamente na bobina. Nos carros modernos a ignição é eletrônica (não tem platinado, utiliza-se um transistor para fazer o chaveamento) e a energia para a faísca é armazenada:
3. Experimento
3.1. Material
bobinas com números de espiras diferentes;
núcleo de ferro doce;
voltímetro de corrente alternada (CA) e contínua (CC);
cabos;
fonte de tensão contínua e alternada.
3.2. Métodos
Monte o circuito abaixo usando uma fonte de CA (corrente alternada) com V1 de 10V, usando no primário (N1) uma bobina de 300 espiras e no secundário(N2) uma bobina de 600 espiras e medimos o valor da voltagem (V2) entre os pontos A e B do circuito abaixo:
Com o mesmo circuito mude para V1=120V e N2=5 espiras
Depois com V1=10V e N1=N2=600 espiras
E finalmente, utilizando uma fonte de corrente contínua (CC) com V1=10V
4. Resultados obtidos
- Elaborar uma tabela de resultados:
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Tabela 1. Transformadores criados no experimento |
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V1 (V) |
N1 |
N2 |
V2 exp (V) |
V2 teo (V) |
Perda de potência (%) |
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1 |
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2 |
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3 |
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4 |
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4.2. Análise dos resultados e discussões
Analisar a linha 1 da tabela 1:
Porque ouve perda de potência considerável?
Analisar a linha 2 da tabela 1:
Em que influencia V1 ser mais alta comparada ao item anterior?
Analisar a linha 2 da tabela 1:
Em que influencia N1=N2?
Analisar a linha 2 da tabela 1:
O que ocorre quando V1 possui corrente contínua?
5. Conclusão
- Fazer uma conclusão sobre transformadores
6. Referências
APOSTILA DE FÍSICA EXPERIMENTAL II - UEPG, 2003, pg 73
HALLIDAY, D. & Resnick, Fundamentos de Física 3 - Eletromagnetismo, 6ª edição, Livros Técnicos e Científicos Editora S.A., Rio de Janeiro, 2003., pg 253.
NOTAS DE FÍSICA EXPERIMENTAL - CIRCUITOS DE CORRENTE ALTERNADA, Prof. Hugo L. Fragnito, Unicamp – IFGW, Setembro de 2000, pgs 53 e 54