Experimento 7

Prévia do material em texto

UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
Instituto de Ciências Exatas
 Departamento de Física e Química
Física 3 – FIS413
Lab. 7 – Transformadores, Geradores e Motores
Relatório
Aluno: Iuri Tiago Martins Angelo – 17084
Objetivos
	Os objetivos dessa experiência realizada em laboratório são:
Conhecer e estudar as principais características e propriedades dos transformadores.
Entender o princípio de funcionamento de máquinas elétricas.
Introdução e Teoria
	O experimento tratado nesse relatório está ligado às características de máquinas projetadas basicamente nas propriedades eletromagnéticas estudadas em práticas anteriores.
	A base do experimento comentada nesse relatório é as características eletromagnéticas das seguintes máquinas:
Transformador de corrente alternada em corrente contínua;
Solda elétrica;
Forno elétrico;
Auto-Transformador;
Gerador;
Motor elétrico;
	O fenômeno eletromagnético mais usado no funcionamento desses aparelhos é a indução eletromagnética, descoberta por Faraday e Henry paralelamente. Uma descoberta relativamente antiga que tem enorme aplicação até hoje. É a base da geração de energia elétrica da sociedade contemporânea, com principal aplicação em usinas hidrelétricas.
Equipamentos Utilizados
Fonte de tensão/corrente contínua;
Transformador variador de tensão;
Multímetros (2);
Resistor (22 Ω) e chave;
Bobinas de 5, 400, 600, 1200 e 1600 espiras;
Núcleos de ferro;
Rotor;
Lâmpada de neon;
Lâmpada convencional;
Calha circular de cobre;
Cabos de conexão.
Procedimento
O experimento consistiu basicamente duas partes (A e B):
PARTE A:
	1. Transformadores:
	a) Nessa parte da experiência foram acopladas magneticamente duas bobinas de 400 e 1600 espiras no núcleo de ferro em “U”, ou seja, montou-se um transformador. A primeira bobina foi ligada na fonte de tensão (20 V c.a.) em série com uma chave, e à outra bobina foi ligada uma lâmpada de neon. Observou-se que a lâmpada acendeu e manteve um brilho constante.
_____
Estrutura de um transformador:
	Transformadores são dispositivos utilizados para aumentar ou diminuir o valor de uma tensão alternada.
	O transformador é constituído essencialmente de um núcleo de material ferromagnético e de duas bobinas.
	Uma delas recebe o nome de primário (enrolamento no qual aplicamos a tensão cujo valor vai ser modificado) e a outra, de secundário (em que obtemos a tensão com valor modificado).
	O esquema descrito encontra-se abaixo:
	O funcionamento do transformador baseia-se na Lei de Faraday.
	Nos terminais do enrolamento primário, aplicamos uma tensão alternada cujo valor vai ser modificado.
	Esta tensão cria um fluxo magnético variável nesse enrolamento, que é "canalizado" pelo núcleo, fazendo com que ele atinja o enrolamento secundário. 	Nestas condições, vai haver uma tensão V2 induzida no secundário, que está relacionada com a tensão primária V1 através do número de espiras dos dois enrolamentos.
_____
	b) Ao se ligar e desligar a chave, se observou que a lâmpada acendia e apagava respectivamente. Com um voltímetro ligado à bobina secundária verificou-se que a tensão era c.a.
	c) A fonte de tensão de 20 V c.a. foi substituída por uma de 20 V c.c. 	Observou-se que a lâmpada acendia somente quando se abria ou fechava a chave. Colocando um voltímetro no lugar da lâmpada de neon, observou-se uma oscilação na tensão ao se abrir e fechar a chave. No entanto, quando se mantinha a chave imóvel, o registro de tensão era zero.
	Pode-se explicar esse fenômeno observando que a fonte gerava corrente contínua. Somente quando se abria e fechava a chave é que se gerava uma variação do fluxo magnético e, conseqüentemente, induzia-se uma corrente contínua na segunda bobina. Enquanto a chave permanecia imóvel, o fluxo magnético permanecia constante e, assim, não se induzia corrente elétrica na segunda corrente (conseqüentemente tensão nula).
	2. Relação de transformação de tensão:
	a) Fazendo uso da mesma montagem, mas sem a lâmpada de neon, foram aplicadas ao circuito primário tensões de 4,0; 8,0 e 12,0 Vc.a. Simultaneamente foram lidas as tensões no circuito secundário.
	b) O procedimento do item acima foi repetido para as seguintes combinações de espiras das bobinas no primário e secundário, respectivamente: {1600;1600}; {1600;400} e {400;400}.
	Os dados obtidos encontram-se abaixo:
Tabela I
	N1
	N2
	N1/N2
	V1 (V)
	V2 (V)
	V1/V2
	Média (V1/V2)
	400
	1600
	0,25
	4,0
	15,0
	0,26
	0,26
	
	
	
	8,0
	29,0
	0,27
	
	
	
	
	12,0
	47,0
	0,25
	
	1600
	1600
	1
	4,0
	3,75
	1,06
	1,08
	
	
	
	8,0
	7,3
	1,10
	
	
	
	
	12,0
	11,0
	1,09
	
	1600
	400
	4
	4,0
	0,6
	6,66
	5,53
	
	
	
	8,0
	1,5
	5,33
	
	
	
	
	12,0
	2,6
	4,61
	
	400
	400
	1
	4,0
	3,6
	1,11
	1,09
	
	
	
	8,0
	7,1
	1,08
	
	
	
	
	12,0
	11,0
	1,09
	
	Os dados acima dispostos em um gráfico resultam na seguinte curva:
	Nota-se claramente que essa curva é do tipo linear (y=x). Confirmando o comportamento teórico da tensão em um transformador:
N1/N2 = V1/V2
	4. Solda elétrica:
	A solda elétrica se baseia no princípio de funcionamento do transformador, sendo que neste caso, há redução da tensão e conseqüente elevação da corrente no circuito secundário em cujos terminais se fixam duas hastes de um material de baixo ponto de fusão.
	O aquecimento mediante corrente elétrica é amplamente usado para a soldadura de metais. Normalmente se utilizada corrente alternada (rede elétrica), a qual é bastante conveniente para a obtenção das intensas correntes necessárias ao processo. A técnica mais comum para a obtenção de tais correntes implica no uso de um transformador abaixador de tensão.
	
	A figura acima mostra o princípio da soldadura de topo. As peças metálicas, a serem unidas pela soldadura elétrica, são postas em contato e se faz fluir por elas uma intensa corrente elétrica. A região da junção apresenta uma resistência elétrica muito maior que aquelas impostas pelas peças metálicas e, por isso, ali, a temperatura se eleva rapidamente até a temperatura de soldadura; forças de compressão são aplicadas para completar o processo. 
	Um método diferente, conhecido como soldadura por pontos, figura (b), é o mais empregado para soldar placas ou laminas metálicas. As folhas, sobrepostas, são apertas entre dois eletrodos de uma liga de cobre de grande condutividade, amiúde resfriados interiormente. Quando passa a corrente entre dois eletrodos, o ponto de união das lâminas se aquece até a temperatura de soldadura; então se corta a corrente e se afastam os eletrodos. 
	A soldadura por pontos é freqüentemente usada em lugar da rebitagem;  com máquinas automáticas de solda elétrica por pontos o processo torna-se uniforme e rápido, demorando a soldadura de cada ponto apenas una fração de segundo.
	Os métodos esboçados acima são denominados soldaduras por resistência, porque se baseiam na resistência elétrica das superfícies metálicas em contacto. 	Existe outro método importante chamado soldadura autógena ou, ainda, soldadura de arco; porém, antes de comentarmos sobre isso, vale considerar primeiro o arco elétrico e suas propriedades.
	a) Foi montado um transformador com uma bobina de 600 espiras no primário e no secundário uma de 5 espiras, que em cujas extremidades foram fixas duas hastes metálicas de baixo ponto de fusão.
	b) Ao circuito primário foi ligada uma tensão de 220 V c.a. e foi comprimida uma haste contra a outra utilizando os isoladores de borracha fixos às pontas. 	Observaram-se faíscas na ligação entre as hastes. E, após soltas, elas permaneceram grudadas.
	5. Forno elétrico:
Um forno elétrico trata-se de um transformador, cujo circuito secundário é constituído por um condutor em curto circuito.
	a) Em sua montagem, o circuito secundário foi substituído por uma calha de cobre e a mesma foi cheia com água.
	b) Ligou-seo circuito primário à rede (220 V c.a.) e observou-se que a água esquentou até atingir seu ponto de ebulição.
	6. Auto-transformador:
	a) No núcleo foi colocada somente uma bobina de 1200 espiras com derivação central (600 + 600).
	b) Foi aplicada uma tensão de 110 V c.a. aos terminais externos da bobina (1200 espiras) e medida com o voltímetro de corrente alternada a tensão de saída entre cada dois terminais da bobina, num total de três medidas.
	O esquema da montagem é apresentado a seguir:
600
600
A
B
C
	c) Foi aplicada a mesma tensão aos terminais superiores da bobina (600 espiras) e medidas novamente as tensões de saída.
Os valores das tensões lidas constam na seguinte tabela:
Tabela II
	Primário (Entrada)
	Secundário (Saída)
	Entrada/Saida (V)
	1200 Espiras
	600 Espiras
	(110±0,5)
	(55±0,5)
	600 Espiras
	600 Espiras
	(110±0,5)
	(110±0,5)
	1200 Espiras
	1200 Espiras
	(110±0,5)
	(110±0,5)
	600 Espiras
	1200 Espiras
	(110±0,5)
	(220±0,5)
	Conclui-se daí que a leitura de tensão nos terminais é diretamente proporcional ao número de espiras sobre as quais é aplicada a tensão da fonte.
PARTE B:
	7. Gerador:
	Um gerador de corrente alternada (alternador) é constituído basicamente de uma espira que gira no interior de um campo magnético.
	Quando se faz a espira girar com velocidade angular constante, o fluxo magnético que atravessa sua superfície varia continuamente, crescendo e decrescendo ritmadamente no transcorrer de cada volta. Surgem assim, na espira, uma força eletromotriz tensão e uma corrente induzida alternadas senoidais, que assumem os mesmos valores a cada período, em que a espira realizar um giro completo.
	O esquema descrito acima é ilustrado na seguinte figura:
	a) Na montagem do gerador, utilizou-se o rotor montado no imã em “U”. Montaram-se as pinças do rotor de modo que uma delas fizesse contato com o anel externo e a outra com o anel interno.
	b) Foi conectado aos terminais o multímetro (c.c.) com fundo de escala de 3 V e o rotor foi girado. O procedimento foi repetido para o multímetro (c.a.). O valor lido nos multímetros foram os seguintes:
	Tensão de corrente contínua
	≈ 0,5 V
	Tensão de corrente alternada
	≈ 8 V
	c) O multímetro foi substituído pela lâmpada.
	d) O rotor foi girado e observou-se que a lâmpada apresentava brilho proporcional à velocidade de rotação do rotor.
	e) A posição das pinças foi alterada de modo que ambas ficassem no centro do cilindro a fim de trocarem de anel a cada meia volta desse cilindro. Os itens b) a d) foram repetidos para essa configuração. Os resultados foram os seguintes:
	Tensão de corrente contínua
	≈ 6 V
	Tensão de corrente alternada
	≈ 11 V
Observou-se que nessa configuração a lâmpada apresentou maior brilho.
	8. Motor elétrico:
	Em um motor elétrico, a energia elétrica é convertida em energia mecânica. Basicamente, uma corrente, oriunda de uma fonte externa de energia elétrica, ao percorrer uma bobina imersa numa região de campo magnético, provoca seu movimento mecânico, que consiste no giro do eixo do motor.
	a) A lâmpada usada na experiência anterior foi substituída pela fonte de tensão.
	b) Foi aplicada uma tensão de aproximadamente 8 V c.c. de modo a fazer o rotor girar. Nessa configuração o motor girou no sentido anti-horário. Foi necessário aplicar um pequeno torque para iniciar o movimento. A seguir, a tensão foi alterada para 5 V e depois para 15 V. Observou-se que a velocidade angular do rotor aumenta/diminui quando a tensão aumenta/diminui.
	A polaridade da fonte foi invertida, e observou-se o análogo ao descrito acima, porém em sentido oposto (sentido horário).
	
Conclusão
	Com este trabalho, podemos compreender as relações de transformação dos transformadores, bem como seu funcionamento e a aplicação dos princípios da indução eletromagnética no mesmo. Pôde-se também verificar algumas aplicações para os transformadores, tais como a solda elétrica e o forno elétrico.
	Também podemos estudar o comportamento de motores elétricos e geradores, e a maneira como estes funcionam.
	
Bibliografia
HALLIDAY, D; RESNICK, R. Física. Rio de Janeiro. Livro Técnico, Vol 2. pp 756 – 758.
PURCELL, E. M. Eletricidade e Magnetismo. São Paulo: Edgard Blücher, 1973. 424 p. (Coleção de Física de Berkeley, v.2).
http://pt.wikipedia.org/
UNIFEI – Universidade Federal de Itajubá	 quarta-feira, 23 de novembro de 2011