Física 4 - Experimento 1 - Transformadores de Tensão

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Experimento 1 - Transformadores de Tensão
Yuri Falcão
Departamento de Física, Universidade Federal Rural de Pernambuco
Data de Realização: 03/05/2018 - Data de Entrega: 28/06/2018
Resumo—Neste experimento, buscamos compreender o funci-
onamento de um Transformador de tensão. Utilizando conhe-
cimentos sobre eletromagnetismo, iremos estudar este tipo de
circuito de corrente alternada experimentalmente, para então
relacionarmos com a teoria de como se dá a sua transformação
de voltagem.
I. OBJETIVO
Comprovar experimentalmente a relação entre as tensões de
entrada (Vd) e saída (Vs) do transformador.
II. DESCRIÇÃO TEÓRICA
Para fins de uma boa definição teórica, consideraremos um
transformador ideal.
Na figura, observamos duas bobinas enroladas em torno
de um núcleo de ferro. Dispostos dessa maneira para que o
acoplamento eletromagnético entre as bobinas seja otimizado
(apesar do fenômeno em questão ocorrer sem o núcleo
completo, ele fica enfraquecido, consequentemente passando
menos corrente pelo circuito) e, assim, haja a menor perda de
corrente possível. O enrolamento primário, com Np espiras,
está conectado a um gerador de corrente alternada, cuja a
força eletromotriz é dada por:
ε = εmsen(ωt) [1]
Com isso, a corrente primária alternada (Imag) induz um
fluxo magnético alternado φ no núcleo de ferro. Como estamos
considerando um transformador ideal, supomos que todo esse
fluxo atravesse as espiras do secundário. De acordo com a Lei
da Indução de Faraday, a força eletromotriz produzida em um
circuito, pela indução, é expressa pelo negativo da derivada
do fluxo magnético com o tempo através da área delimitada
por esse circuito. Ou seja, a força eletromotriz induzida por
espira εesp é a mesma em ambas. Podemos escrever então que:
εesp =
dφ
dt
=
Vp
Np
=
Vs
Ns
Simplificadamente:
Vs = Vp
(
Ns
Np
)
Essa equação descreve como se dá a transformação de
voltagem num transformador.
III. INSTRUMENTOS UTILIZADOS
• 1 Transformador de tensão;
• 2 Multímetros;
• 1 Par de bobinas.
• 1 Fonte de Tensão variável.
IV. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Figura 1. Fotografia dos instrumentos utilizados no
experimento já montados sobre a bancada. A bobina de
entrada possui 600 espiras e a saída 300 espiras e o
transformador possui um núcleo dividido em duas peças
metálicas.
O experimento foi montado como na foto acima. Um
multímetro para medir as tensões de entrada e saída das
respectivas espiras, um gerador de corrente o qual foi utilizado
para variar a tensão (entre 0 e 14 volts) e o transformador
para converter a tensão alternada de entrada numa diferente
na saída. Assim, tomamos nota da variação da tensão na
entrada e na saída, para dois transformadores diferentes:
Tensão da entrada (V ) Tensão da saída (V )
0 0
1,97 0,69
3,98 1,47
6,00 2,28
8,02 3,13
10,04 4,00
12,09 4,89
14,11 5,82
Tabela 1 - Valores encontrados para o primeiro
transformador.
Tensão da entrada (V ) Tensão da saída (V )
0 0
1,97 16,08
3,99 34,10
5,99 51,6
8,02 69,10
10,02 86,10
12,04 103,20
14,07 121,20
Tabela 2 - Valores encontrados para o segundo transformador.
A seguir, para a demonstração experimental da equação:
Vs = Vp
(
Ns
Np
)
,
construiremos os gráficos referentes aos valores coletados,
que nos dará o valor de
Vs
Vp
, de acordo com o coeficiente
angular da equação encontrada, para cada um dos transfor-
madores. Por fim, compararemos o valor encontrado com o
valor teórico e calcularemos o erro percentual, que nos dará
uma noção da eficiência do primeiro transformador e o quão
satisfatórios foram os dados do experimento. Para o segundo,
apenas devemos encontrar a relação entre
Vs
Vp
e concluir se o
transformador em questão tem mais espiras na entrada ou na
saída, sendo ele amplificador ou abaixador de corrente.
V. GRÁFICOS E CÁLCULOS
Para primeiro transformador, temos o seguinte valor teórico:
Ns
Np
=
300
600
=
1
2
= 0, 5
De acordo com o gráfico, nosso valor experimental
encontrado foi:
Vs
Vp
= 0, 4139.
Sendo assim, o erro percentual referente aos valores desse
transformador é:
|V alorExperimental − V alorTeorico|
V alorTeorico
· 100
|0, 4139− 0, 5|
0, 5
· 100 = 0, 0861
0, 5
· 100 = 17, 22%
Para segundo transformador, temos:
Ns
Np
=
Vs
Vp
= 8, 6317
VI. CONCLUSÃO
Apesar do erro de 17, 22% para o primeiro transformador,
devemos considerar as condições do mesmo, pois esse está
bastante gasto e velho, além de não ser possível obter o
valor exato da teoria mesmo para um transformador novo,
pois a teoria considera um transformador ideal. Considerando
esses fatores, podemos dizer que a porcentagem de erro foi
razoável para com o experimento. Contudo, isso não atraplha a
compreensão do experimento, pois pudemos observar durante
o experimento que mesmo sem a parte de cima do núcleo do
transformador, o acoplamento eletromagnético ainda ocorria,
apesar de mais fraco. Como pudemos observar experimen-
talmente isso, podemos dizer que o transformador estava
cumprindo sua função, mesmo que precáriamente, validando
a relação NsNp =
Vs
Vp
. Ademais, conseguimos demonstrar expe-
rimentalmente que o segundo transformador é amplificador de
corrente, tendo quase nove vezes mais espiras na saída do que
na entrada.
REFERÊNCIAS
[1] D. Halliday and R. Resnick, Fundamentos de Física 3 - Eletromagne-
tismo, 2nd ed. FUTURA, 1994.