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Estudo dos transformadores Disciplina: Física Experimental III Participante: Luiz Gomes Monteiro Araújo 201407090798 Igo Pablo Gomes Lopes 201310062251 Luiz Patrick dos Santos de Oliveira 201308347911 CENTRO UNIVERSITÁRIO ESTÁCIO FACITEC e-mail dos componentes lz.gs.monteiro@outlook.com igopablogomes@gmail.com luiz.patrick@hotmail.com Resumo – O objetivo desse presente relatório é introduzir os conhecimentos e princípios físicos que servem de base para analisar o comportamento dos transformadores, reconhecendo os pormenores da montagem de um transformador didático e o seu funcionamento e a relação entre a tensão e o número de espiras no secundário de um transformador I – Introdução – Este trabalho tem como finalidade expor os resultados práticos e pesquisas teóricas realizados em laboratório e com auxilio de livros e sites. Assim sendo, cada grupo teve a incumbência de realizar a pesquisa e experiência a partir de roteiro pré-definido pelo Mestre Vinício Ferreira, procurando obter o máximo desempenho possível, bem como, os melhores resultados e a melhor apresentação do trabalho, a qual era objeto de ponderável avaliação. A experiência relatada neste trabalho foi por nós realizada, com o objetivo de ser usada como conhecimento e aprendizagem de instrumentos de medida. Com o tema estudo dos transformadores. Os transformadores de tensão, chamados normalmente de transformadores, são dispositivos capazes de aumentar ou reduzir valores de tensão. Um transformador é constituído por um núcleo, feito de um material altamente imantável, e duas bobinas com número diferente de espiras isoladas entre si, chamadas primário (bobina que recebe a tensão da rede) e secundário (bobina em que sai a tensão transformada). O seu funcionamento é baseado na criação de uma corrente induzida no secundário, a partir da variação de fluxo gerada pelo primário. A tensão de entrada e de saída são proporcionais ao número de espiras em cada bobina. Sendo: Onde: é a tensão no primário; é a tensão no secundário; é o número de espiras do primário; é o número de espiras do secundário. Por esta proporcionalidade concluímos que um transformador reduz a tensão se o número de espiras do secundário for menor que o número de espiras do primário e vice-verso. Se considerarmos que toda a energia é conservada, a potência no primário deverá ser exatamente igual à potência no secundário, assim: Montagem e funcionamento de um transformador Transformadores elétricos Um transformador é um dispositivo destinado a transmitir energia elétrica ou potência elétrica de um circuito a outro, transformando tensões, correntes e ou de modificar os valores de Impedância elétrica de um circuito. Trata-se de um dispositivo de corrente alternada que opera baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday e da Lei de Lenz. É um aparelho estático que transporta energia elétrica, por indução eletromagnética, do primário (entrada) para o secundário (saída). Os valores da tensão e da corrente são alterados, porém, a potência, no caso do transformador ideal, (Considera-se transformador ideal àquele em que S1=S2, onde S1 representa à potência aparente do primário e S2 a potência aparente do secundário) e a frequência se mantêm inalterados. II – Experimento Equipamentos utilizados 1 bobina de 400 espiras 1 bobina de 600 espiras 2 núcleos em forma de U 1 parafuso de fechamento do núcleo 1 fonte de alimentação de 6 v - AC; 8 cabos de ligação pino banana 1 chave liga / desliga 2 multímetros digital (*) Procedimentos experimentais Objetivo: reconhecer os pormenores da montagem de um transformador didático e o seu funcionamento. 1. Monta no núcleo do transformador uma bobina de N1= 600 espiras (enrolamento primário) e outra N2= 400 espiras (enrolamento secundário), conforme mostra a figura. Apertar bem os parafusos que seguram o núcleo. 2. Ligar os terminais do primário as fontes de tensão de 6 V DC passando por uma chave liga-desliga. 3. Ligar os terminais de enrolamento secundário ao voltímetro e utilizar o fundo de escala de 2,0 V DC. Análise dos resultados e conclusões Ao ligar a chave da fonte de 3V DC o voltímetro indica momentaneamente uma pequena tensão. O voltímetro indica o valor zero para tensão secundário. O transformador funciona em corrente alternada. Ao desligar a fonte DC de 6V a indicação no voltímetro é idêntica ao procedimento anterior quando a chave foi ligada. Ao ligar e desligar continua e rapidamente a fonte várias vezes o voltímetro indica valores variáveis, ora positivos ora negativos, de tensão no secundário. O ato de ligar e desligar faz com que haja corrente no secundário, ou seja, a corrente que circula no primário produz um campo magnético. Se o fluxo de indução magnética for variável, vai produzir uma fem induzida no secundário. No ato da ligação da chave o fluxo varia de um valor mínimo até um valor máximo e produz a fem no secundário e o voltímetro acusa tensão. Analogamente no ato de desligamento também ocorre variação do fluxo magnético que vai de um valor máximo até um valor mínimo, ocasionando também fem induzida no secundário, fazendo com que o voltímetro acuse valor negativo de tensão. O núcleo do transformador é laminado para evitar as correntes de Foucault que formam pequenos vórtices e podem produzir o aquecimento do núcleo e a consequente perda de energia. Objetivo: Obter a relação entre a tensão e o número de espiras no secundário. Procedimentos experimentais 1. Montar na placa de ensaios de circuitos elétricos o transformador conforme mostra a figura, mantendo a chave da fonte desligada. 2. Usar no enrolamento primário a bobina de N1= 200 espiras, e apertar bem os parafusos. 3. Conectar a bobina primária através de uma chave liga-desliga com a fonte de 6,0 V AC. 4. Ligar a chave e medir a tensão V1 no primário. V1 =6,72 V. 5. Usar um cabo de ligação longo, enrolar uma espira no secundário e conectar os terminais desse cabo no voltímetro (observar a figura) e selecionar a escala de 2,0 V AC. 6. Ligar a chave e anotar na tabela o valor da tensão indicada pelo voltímetro. Aconselha-se manter a chave ligada apenas o tempo necessário para a realização da leitura. 7. Aumentar em uma espira o enrolamento do secundário e repetir os procedimentos até completar a tabela. Valores das grandezas no secundário nº de espiras n2 Tensão V V/n2 Valor Médio V/n2 1 0,068 0,068 2 0,101 0,05 3 0,134 0,045 0,046 4 0,165 0,041 5 0,196 0,039 6 0,23 0,038 Análise dos resultados e conclusões A diferença entre os valores medidos é bem menor que a tolerância admitida, de 5%, por isso pode-se considerar que são praticamente iguais ao valor médio. No Experimento manteve-se constante a tensão (6,72V AC) e o número de espiras no primário. Verificou-se que a tensão e o número de espiras no secundário se comportaram como grandezas diretamente proporcionais, pois mantiveram constante o quociente. Objetivo: Obter a relação entre o quociente V/N no primário e no secundário de um transformador. Procedimentos experimentais 1. Montar o transformador conformeilustra a figura. Ter certeza de que a chave esteja aberta quanto iniciar a montagem do experimento. 2. Usar a placa de ensaios de circuitos elétricos e montar o circuito mostrado na figura. Utilizar no enrolamento primário uma bobina de N1= 600 espiras, e no enrolamento secundário uma bobina com N2= 200 espiras. Apertar bem os parafusos. 3. Colocar a chave liga-desliga em série com a bobina primária do transformador. 4. Aplicar no primário uma tensão de 6,0 V AC. 5. Conectar o voltímetro no primário do transformador, selecionar a escala para tensão alternada de 20 V AC e medir a tensão V1 de entrada. V1= 6,72 V 6. Retirar o voltímetro do primário e conectá-lo no secundário do transformador e selecionar a escada para tensão alternada 20 V AC, para medição da tensão de saída V2 no secundário. 7. Conferir cuidadosamente as ligações realizadas. 8. Ligar a chave e fazer a leitura de V2 registrando seu valor na tabela. 9. Abrir a chave e substituir a bobina do secundário de 200 espiras pela bobina de 400 espiras (N2= 400). Apertar bem os parafusos. 10. Fechar a chave, medir o novo valor de V2 e anotar o resultado na tabela. 11. Repetir os procedimentos para os valores sugeridos até completar a tabela. Análise dos dados e conclusões 1. Calcular a relação de transformação (quociente N1/N2 do número de espiras nas bobinas primária e secundária e o quociente V1/V2 tensão no primário e tensão no secundário). 2. Calcular o desvio percentual entre os valores dos quocientes N1/N2 e V1/V2 (5ª. e 6ª colunas). 3. Considerando uma tolerância de 5% qual a relação entre a 5ª. e a 6ª. colunas da tabela? 4. Com base nos resultados experimentais responder às duas questões seguintes: a) Se a bobina do secundário tem mais espiras que a bobina do primário a tensão na saída é maior ou menor que a tensão de entrada? Justificar. R: a equação obtida experimentalmente que relaciona os dois quocientes, permite analisar o valor da tensão no secundário em função do número de espiras das bobinas. b) Se a bobina do secundário tem menos espiras que a bobina do primário a tensão na saída é maior ou menor que a tensão de entrada? Justificar. R: Nesse caso, sendo N2 < N1, tem-se V2 < V1, isto é a tensão na saída é menor. 5. Calcular o número de espiras da bobina secundária de um transformador de campainha cuja tensão no secundário é de 5,0 V se a bobina primária tem 1200 espiras e 220 V AC aplicados a ela. Utilizando a equação: Bp/Bs = Vbp/Vbs = is/ip is = correte secundária ip = corrente primária bp = bobina primária bs = bobina secundária V = voltagem III – Conclusão Todos os cálculos estão dentro do limite de erro permitido que é de 5%, com isso foi possível comprovar através dos experimentos e cálculos a veracidade das equações que relacionam tensão, corrente e números de espiras de um transformador. Podemos também observar os efeitos de campos magnéticos. Bp Bs Bp:Bs Vbp Vbs Bp/Bs Vbp/Vbs Erro(%) (Bp/Bs) Vbp/Vbs 200 600 01:03 6,72 19,4 0,33 0,34 4,8 600 200 03:01 6,72 2,2 3 3,05 1,6 400 200 02:01 6,72 3,3 2 2,03 1,5 200 400 01:02 6,72 13 0,5 0,51 1,2 400 600 02:03 6,72 9,9 0,66 0,67 1,5 600 400 03:02 6,72 4,3 1,5 1,56 4 Corrente nas bobinas secundárias obtidas com a equação anterior Bp Bs Corrente i(Ampéres) 200 600 0,020 600 200 0,020 400 200 0,35 200 400 0,03 400 600 0,12 600 400 0,01 Referências bibliográficas Sófisica. Transformadores. Disponível em: <http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/transformadores.php>. Acesso em: 29 de Maio de 2016, 14horas. ebah. Trabalho transformadores. Disponível em: <http://www.ebah.com.br/content/ABAAAfmXkAL/trabalho-transformadores>. Acesso em: 29 de Maio de 2016, 15horas. Wikipédia. Transformador. Disponível em: < https://pt.wikipedia.org/wiki/Transformador >. Acesso em: 29 de Maio de 2016, 15horas.
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