Relatorio 6 - Geradores, Transformadores e Motores (2)

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ
INSTITUTO DE CIÊNCIAS EXATAS
 Relatório #6 – Física Experimental III
Geradores, Motores e Transformadores
Professor: Thiago Costa Caetano
Equipe:
Antonio Luis Amadeu__________________ Matrícula: 18400
Daniel Garcia de Oliveira_______________ Matrícula: 17223
Jhonathan Junior da Silva ______________ Matrícula: 20896 
Marcos Paulo Ribeiro__________________ Matrícula: 21528 
 
Fundamentação Teórica 
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 são as características eletromagnéticas das seguintes máquinas:
Transformador de tensão;
Transformador de corrente elétrica;
2.	Solda elétrica;
3.	Forno elétrico;
4.	Auto-Transformador;
5.	Gerador;
6.	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.
I.I 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:
Figura 2 – Esquema de um Transformador
	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.
	Considerando N1 e N2 o número de espiras no primário e no secundário, respectivamente, e admitindo um sistema ideal (sem perdas), podem-se obter as seguintes relações matemáticas, que é a razão de transformação:
					 (1)
	É necessária que a corrente na bobina primária seja uma corrente alternada, para que possa ocorrer a variação do fluxo magnético no tempo, induzindo assim uma corrente na bobina secundária. Esses fluxos variáveis também induzem a tensões nos enrolamentos.
I.II Solda Elétrica
		A solda elétrica se baseia no princípio de funcionamento do transformador, sendo que neste caso, há redução da tensão e consequente 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.
	
Figura 3 – Solda Elétrica
	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 frequentemente 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.
	I.III Gerador
	Geradores são dispositivos capazes de converter energia mecânica em energia elétrica. O trabalho gerado pelo giro de uma bobina em um campo magnético ou pelo movimento relativo de um ímã em relação a uma bobina provoca um fluxo magnético e induz uma corrente nesta bobina.
	I.IV Motores Elétricos
	Os motores elétricos são dispositivos que funcionam de maneira oposta aos geradores, ou seja, convertem energia elétrica em outros tipos de energia. Uma corrente provida de uma fonte externa (geralmente um ou mais geradores), que percorrendo uma bobina imersa num campo magnético provoca seu movimento (o giro do eixo do motor).
Materiais Utilizados
 - Fonte de tensão/corrente contínua;
 - Fonte de tensão/corrente alternada;
 - 2 Multímetros;
 - Resistor (22Ω) e chave; 
 - Bobinas de 400, 600, 1200, 20000 espiras;
 - Núcleos de ferro;
 - Rotor;
 - Lâmpada de Neon;
 - Lâmpada convencional (pequena);
 - Calha circular de cobre;
 - Cabos de conexão;
Procedimento Experimental 
O experimento consistiu basicamente de duas partes, onde em cada parte, vários fenômenos foram abordados.
PARTE A
Transformadores:
Montou-se um transformador acoplando magneticamente duas bobinas, uma de 400 e outra de 1600 espiras utilizando o núcleo de ferro em “U”. A bobina primária foi conectada à uma chave liga/desliga e depois à uma fonte de tensão que fornecia 20V corrente alternada. A bobina secundária foi conectada diretamente à Lâmpada de Neon.
Observou-se o que ocorreu ao ligar / desligar a chave, além disso, com o multímetro, verificou-se a tensão de saída da bobina secundária.
Substituiu-se, então, a fonte de tensão de 20V corrente alternada, por outra de 20 V corrente contínua e foi observado o que ocorreu com a mesma Lâmpada de Neon ao se ligar/desligar a chave. Desconectou-se, em seguia, a Lâmpada de Neon e conectou-se o multímetro, a indicação de voltagem do mesmo foi observada ao se ligar/desligar a chave.
Relação de transformação de tensão:
	
	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.
	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}.
	
Relação de transformação de corrente:
Um transformador foi montado com a seguinte combinação de bobinas: 400 espiras no primário e 1600 espiras no secundário. Acoplou-se um multímetro em série com a fonte de tensão na bobina primária do transformador e também com a bobina secundária, ajustou-se os multímetros para leitura de corrente em corrente alternada.
Aplicou-se as seguintes correntes na bobina primária: 20 mA, 35 mA e 50 mA corrente alternada e foram feitas as leituras da corrente na bobina secundária.
O procedimento foi repetido com as seguintes combinações de número de espiras das bobinas no primário e secundário respectivamente: [1600:1600], [1600:400] e [400:400]. 
Solda elétrica: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.
	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. 
Forno elétrico:
Montou-se um forno elétrico utilizando a mesma montagem anterior, porém, substituindo o circuito secundário por uma calha de cobre e adicionou-se água à mesma.
	O circuito primário foi ligado à rede (220 V c.a.) e observou-se o que aconteceu.
Auto-transformador:
	No núcleo foi colocada somente uma bobina de 1200 espiras com derivação central (600 + 600).
	Foi aplicada uma tensão de 110 V c.a. aos terminais externos da bobina (1200 espiras), com o voltímetro de corrente alternada, foi medida 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
Figura 4 – Esquema da bobina com derivação central
	Foi aplicada a mesma tensão aos terminais superiores da bobina (600 espiras) e medidas novamente as tensões de saída.
PARTE B:
Gerador:
	No gerador, a Energia Mecânica é convertida em Energia Elétrica, isto é, realiza-se trabalho para girar uma bobina em um campo magnético e obtém-se nela, pela variação do fluxo magnético, força eletromotriz e corrente elétrica induzidas.
Montou-se o gerador;
Quando conectou-se a saída do gerador aos multímetros c.a. e c.c., em cada caso, obteve-se cerca de 1.7V;
(iii e iv) A lâmpada acendeu quando foi colocada no lugar dos multímetros, colocando o rotor do gerador em rotação;
(v) Da maneira proposta por este item, o multímetro c.a. não acusou tensão e o multímetro c.c., sim. No caso em que houve produção de f.e.m. e de corrente induzidas, era preciso rotacionar o gerador mais rapidamente para produzir a mesma f.e.m. que a montagem anterior.
Figura 5 – Ilustração de um Gerador
Motor elétrico:
No caso, tal dispositivo tem o princípio de funcionamento inverso ao do gerador, convertendo energia elétrica em mecânica.
Montou-se o motor elétrico e aplicou-se tensão c.c. neste, que foram de 5V, 8V e 15V. Não foi difícil de constatar que a velocidade angular do rotor é proporcional à tensão c.c. aplicada. E quando se inverteu a polaridade, o sentido de rotação também inverteu.
 Resultados
Transformador
Observou-se que ao se ligar e desligar a chave, a lâmpada acendia e apagava respectivamente. Com multímetro ligado à bobina secundária verificou-se que a tensão era c.a.
	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 o multímetro 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 ligada ou desligada, o registro de tensão era zero.
	Pode-se explicar esse fenômeno observando que a fonte gerava corrente contínua e neste caso, somente quando se abria e fechava a chave é que se gerava uma variação do fluxo magnético e, consequentemente, induzia-se uma corrente elétrica na segunda bobina. Na situação em que a chave permanecia imóvel na posição ligada ou desligada, o fluxo magnético permanecia constante e, assim, não se induzia corrente elétrica na segunda bobina (consequentemente tensão nula).
Relação de transformação de tensão
	Através dos dados obtidos abaixo, podemos concluir que a relação enunciada pelas equações é verdadeira pois os valores de tensão obtidos na bobina secundária respeitaram as relações do número de espiras, exceto pelo fato de que existem perdas devido a alguns fatores a saber: 
O transformador não é ideal, o condutor de fluxo magnético tem perdas;
Não se pode garantir que as bobinas contenham o número de espiras nominal;
O fio condutor das bobinas tem perdas de resistência e indutância;
Etc.:
Os dados obtidos encontram-se abaixo:
Quadro 1 – Transformadores e valor de Tensão
	N1
	N2
	N1/N2
	V1 (V)
	V2 (V)
	V1/V2
	Média (V1/V2)
	400
	1600
	0,25
	4,0
	15,0
	0,27
	0,27
	
	
	
	8,0
	29,0
	0,28
	
	
	
	
	12,0
	47,0
	0,26
	
	400
	400
	1,0
	4,0
	3,6
	1,11
	1,10
	
	
	
	8,0
	7,5
	1,10
	
	
	
	
	12,0
	11,0
	1,10
	
	1600
	400
	4,0
	4,0
	0,6
	6,67
	5,43
	
	
	
	8,0
	1,6
	5,00
	
	
	
	
	12,0
	2,6
	4,62
	
	1600
	1600
	1,0
	4,0
	3,4
	1,18
	1,16
	
	
	
	8,0
	7,2
	1,11
	
	
	
	
	12,0
	10,0
	1,20
	
	Os dados acima dispostos em um gráfico resultam na seguinte curva:
Onde a curva que melhor se ajusta aos pontos é da forma 
Relação de transformação de corrente	
	
Através dos dados obtidos, podemos também concluir que a relação enunciada pelas equações é verdadeira no tocante à corrente elétrica pois os valores obtidos na bobina secundária respeitaram as relações do número de espiras, exceto pelo fato de que existem perdas devido aos mesmos fatores já citados no item anterior
Quadro 2 – Transformadores e valor de corrente
	N1
	N2
	N1/N2
	I1 (mA)
	I2 (mA)
	V1/V2
	Média (V1/V2)
	400
	1600
	0,25
	20,2
	3,9
	5,18
	4,98
	
	
	
	35,5
	7,2
	4,93
	
	
	
	
	50,2
	10,4
	4,83
	
	400
	400
	1,0
	20,3
	16,6
	1,22
	1,20
	
	
	
	34,9
	29,0
	1,20
	
	
	
	
	49,8
	41,8
	1,19
	
	1600
	400
	4,0
	20,0
	68,7
	0,29
	0,29
	
	
	
	35,0
	122,5
	0,29
	
	
	
	
	50,0
	177,2
	0,28
	
	1600
	1600
	1,0
	20,0
	17,1
	1,17
	1,15
	
	
	
	35,0
	30,4
	1,15
	
	
	
	
	50,0
	44,1
	1,13
	
	Os dados acima dispostos em um gráfico resultam na seguinte curva:
Onde a curva que melhor se ajusta pode ser expressa por 
Solda elétrica
	Concluímos que, devido à relação de espiras, tensão e corrente elétrica na bobina primária e secundária, foi possível soldar duas pontas de um metal de baixo ponto de fusão devido a tensão e corrente elétrica gerados pela indução magnética na bobina secundária.
Forno elétrico
	Verificamos que a indução magnética provocou uma intensa corrente elétrica na calha de cobre que seria como uma espira de fio em curto, tal fato gerou uma grande corrente na calha aquecendo a mesma ao ponto de ebulição da água.
Auto Transformador
	Com esta montagem, verificamos que um enrolamento primário pode ser utilizado para gerar tensão e corrente elétrica dentro dele próprio, basta para isto, efetuarmos algumas derivações nas espiras da bobina primária. As tensões obtidas estão na tabela abaixo comprovando o efeito do auto transformador.
Gerador
	Comprovamos que o fato de alterarmos o fluxo magnético nas espiras de um gerador através do giro destas espiras através de um fluxo magnético constante, gera uma tensão e corrente elétricas capazes de acender uma lâmpada e, consequente tensão de valores: 
Motor Elétrico
	Como no item acima, mas agora de modo inverso, percorrendo as espiras por uma corrente elétrica geramos um fluxo magnético que interage com o fluxo magnético constante advindo dos imãs permanentes, desta forma, geramos torque de forma a girar o rotor produzindo trabalho ao acoplarmos o rotor a alguma máquina mecânica. 
Conclusões
Todos os experimentos foram realizados com sucesso, observou-se muito bem a relação entre o número de espiras, corrente e tensão. Foram compreendidos os funcionamentos do gerador e do transformador. Pode-se concluir que o eletromagnetismo é fundamental para o conceito de energia elétrica nos moldes em que vem sendo usada principalmente no Brasil devido ao gerador. Vale ressaltar que pudemos observar a importância da indução de correntes elétricas devido a variações de campos magnéticos para a maioria das máquinas que temos hoje desde celulares (o motor que vibra quando deixamos no silencioso) até os grandes geradores de energia elétrica das usinas hidrelétricas que transformam energia mecânicaem energia elétrica fornecendo conforto para cidades inteiras.
Bibliografia
HALLIDAY, D. Fundamentos de Física - Eletromagnetismo – Vol. 3. Ed. LTC, 8ª Ed. (2009)
SEARS, F. W. Física II – Eletricidade, Magnetismo, Eletrônica. Rio de Janeiro, Ed. LTC, 1ª Ed. (1963)
Transformadores disponível em: <http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/InducaoMagnetica/transformadores.php>. Acesso em: 12 Dez. 2012.
Geradores disponível em:
< http://www.sofisica.com.br/conteudos/Eletromagnetismo/Eletrodinamica/geradores.php>. Acesso em: 12 Dez. 2012.
Itajubá – MG
Dezembro de 2012