Relatório 2014.02 Física Experimental III - Transformadores

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Física Experimental III
Experimento: Transformadores
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TRANSFORMADORES
Resumo
Para o experimento em que consiste medir o rendimento de transformadores e elevadores foi possível obter resultados bem próximos do esperado. Também o experimento consiste com estes resultados fazer uma comparação de transformadores supostos ideais com os das perdas acentuadas. A variação de tensão conseqüentemente da corrente devido ao transformador, aplicamos uma tensão no primário para depois colher os valore das tensões no secundário do transformador, e percebemos que a tensão foi reduzida, porem a corrente aumentou. 
Introdução
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 das impedâncias elétricas de um circuito elétrico. Inventado em 1831 por Michael Faraday, os transformadores são dispositivos que funcionam através da indução de corrente de acordo com os princípios do eletromagnetismo, ou seja, ele funciona baseado nos princípios eletromagnéticos da Lei de Faraday-Neumann-Lenz e da Lei de Lenz, onde se afirma que é possível criar uma corrente elétrica em um circuito uma vez que esse seja submetido a um campo magnético variável, e é por necessitar dessa variação no fluxo magnético que os transformadores só funcionam em corrente alternada. Um transformador é formado basicamente de enrolamento formado de varias bobinas que em geral são feitas de cobre eletrolítico e recebem uma camada de verniz sintético como isolante. O núcleo em geral é feito de um material ferro-magnético e o responsável por transferir a corrente induzida no enrolamento primário para o enrolamento secundário. Esses dois componentes do transformador são conhecidos como parte ativa, os demais componentes do transformador fazem parte dos acessórios complementares. Uma força eletromotriz é aplicada ao primário. Todas as características elétricas do primário tais como tensão, corrente, numero de espiras da bobinas recebem nomes de índice 1 para o primário e índice 2 para o secundário. O transformador na figura 1: 
 
Figura1. Esquema de um transformador.
Para um transformador ideal, onde são desprezadas as perdas nas bobinas de acordo com a lei de Indução de Faraday, a força eletromotriz induzida por espira é a mesma no primário e no secundário. Admitindo que V1 e V2 seja valores eficazes das tensões, pode-se escrever: Ou ainda: (1)
Onde V é a voltagem e N é o número de espiras.
No caso de n2>N1, o transformador é chamado de transformador elevador por que a voltagem V2 é maior que V1. N caso de N2<N1 transformador é chamado de transformador abaixador (ou redutor). Para um caso especial onde não consideramos nenhuma perda, a potência entregue ao primário é totalmente transferida para o secundário, então podemos imaginar uma resistência primaria igual a secundaria pela equação 2 abaixo.
 (2)
Isolando temos, (3)
Com uma resistência Ôhmica, a corrente pode ser calculada por 
 (4)
Nos transformadores reais a potência fornecida á carga é necessariamente menor que a recebida no primário. Para que se tenha uma idéia das perdas que ocorre no processo é conveniente definir uma grandeza chamada rendimento :
 (5)
Em um transformador o problema de como acoplar a impedância de uma carga a um gerador, de modo a minimizar as perdas a ou maximizar a potência transferida que se torna a máxima quando a impedância da carga for igual a impedância interna do gerador. 
Se forem, respectivamente, a tensão, a corrente, e a impedância do secundário, então. 
 (6)
Se forem os valores correspondentes do primário, a impedância é dada por.
 (7)
Substituindo da eq. (3) e da eq. (1) na eq. (6), resulta:
 ou (8)
Do ponto de vista primário, a resistência equivalente da carga não é R, mas 
 (9)
Os transformadores não têm energia própria e nem constituem carga, portanto nenhum transformador tem impedância própria a considerar na prática. A impedância marcada em um transformador de áudio é apenas um indicativo da sua característica de transformação de tensão ou impedância.
Metodologia
Os materiais utilizados para realizar essa atividade foram:
Fonte de tensão;
Um multiteste (TEK DMM254);
Um osciloscópio analógico;
Uma bobina (de 600 voltas, 9mH, 2,5Ohm);
Uma bobina (de 300 voltas, 2mH, 2,5Ohm);
Um resistor (de 120Ohm, 10W);
Um núcleo de transformador;
Duas lâminas de latão;
Um cabo coxial com dois plugs banana;
Cinco cabos de conexão;
Suportes;
Neste experimento ajustou-se o osciloscópio, de modo que fosse possível uma futura leitura através deste. Realizaram-se duas etapas:
Na primeira etapa, após montado o circuito com o oscilador, resistor, transformador, amperímetro e fonte, aplicou-se as tensões 2,0V; 3,0V e 4,0V. Leram-se os valores no amperímetro e no osciloscópio. Inseriram-se lâminas de latão na parte superior do transformador, colocaram-se os valores de tensões anteriores e leram-se os valores.
Na segunda etapa, as conexões retiradas de cada bobina foram colocadas na outra bobina e também se tirou as lâminas de latão. Aplicaram-se as tensões 6,0V; 4,0V e 2,0V no primário e coletaram-se os dados obtidos.
Resultados e Análises
TABELA 1: TRANSFORMADOR ELEVADOR
	V¹ (V)
	V² (V)
	i¹ (mA)
	V²/V¹
	N²/N¹
	i² (mA)
	η
	2,0
	3,4
	58,1
	1,7
	2
	20,03
	59%
	3,0
	4,8
	82,6
	1,6
	2
	28,28
	54,8%
	4,0
	6,6
	105,3
	1,65
	2
	38,89
	60,9%
	2,0*
	2,6
	105,5
	1,3
	2
	15,32
	18,9%
	3,0*
	3,8
	152,9
	1,27
	2
	22,39
	18,5%
	4,0*
	4,8
	197,4
	1,2
	2
	28,28
	17,2%
* com lâminas de latão
TABELA 2: TRANSFORMADOR ABAIXADOR
	V¹ (V)
	V² (V)
	i¹ (mA)
	V²/V¹
	N²/N¹
	i² (mA)
	η
	6,0
	2
	70,9
	0,33
	0,5
	11,78
	5,5%
	4,0
	1,4
	49,9
	0,35
	0,5
	8,25
	5,8%
	2,0
	0,7
	24,8
	0,35
	0,5
	4,12
	5,8%
Observando-se os resultados da tabela 1, percebe-se que quando se colocou as lâminas de latão no transformador elevador, o rendimento abaixou em mais de 35% para cada voltagem.
Para os transformadores de o laboratório melhorar o rendimento, precisamos entender que existe uma queda ôhmica primária e secundária que produzem uma perda de energia por efeito Joule, cuja potência constitui a perda no cobre primário e secundário do transformador. Para conter esta perda em limites convenientes é necessário tornar suficientemente pequenas as resistências primárias e secundárias, escolhendo-se oportunamente a seção dos condutores do enrolamento.
Calculou-se a impedância das três tensões de entrada com a equação:
Z¹=V¹/ i¹
Para as tensões de entrada que valem 2.0, 3.0 e 4.0 V, acharam-se os seguintes valores das impedâncias: 34.42, 36.32, 37.99 Ω.
Calculou-se a resistência equivalente com a equação:
Req=(N¹/N²)².R
Achou-se o seguinte resultado da resistência equivalente: 30 Ω.
Percebe-se que o valor da resistência equivalente é menor que o valor das impedâncias nas três tensões de entrada.
Conclusão
No experimento Transformadorestivemos resultados próximos dos esperados para o experimento. Obtivemos os rendimentos elevados e abaixadores. Foi comprovada a distinção entre transformadores ideais de perda acentuada estes últimos utilizados no experimento. Os rendimentos sem e com lâminas de latão são consideravelmente diferentes, mostrando a influência destes. No caso dos transformadores abaixadores o rendimento cai muito com a inversão das bobinas, que é devido à bobina secundária ter menos espiras e consequentemente uma resistência maior.
Bibliografia
Halliday, D., R. Resnick, et al. (2008). Fundamentos de Física, LTC. 
SEARS, F., H. D. YOUNG, et al. (2009). FÍSICA 3 - ELETROMAGNETISMO.
RAS, E. (1994). TRANSFORMADORES de potencia de medida y de protección. 
Barcelona.
Apostila de física Experimental III.