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Experimentos com Indução
(Transformador desmontável para fins didático)

Prof. Luiz Ferraz Netto [Léo]
leobarretos@uol.com.br

Sobre os transformadores
Normalmente a energia elétrica não é gerada sob a forma e parâmetros apropriados a uma determinada utilização e, assim sendo, o problema de alterações nos valores de tensões e correntes apareceu logo nas primeiras aplicações industriais. Os aparelhos imaginados para resolver tais problemas são de concepções que datam de mais de um século.
Tais aparelhos recebem a denominação genérica de transformadores e são melhores conhecidos sob adjetivos que especificam mais acuradamente suas funções particulares, tais como: elevadores de tensão, abaixadores de tensão, de isolamento, casadores de impedância, de modulação, de acoplamento, de pulso, de saída, etc.

Transformador desmontável típico
Nessa mesma Sala 13 - Eletromagnetismo - há vários temas sobre transformadores didáticos. Vale uma consulta. Desta feita vamos nos restringir ao uso de um "transformador desmontável para fins didáticos". Eis um visual das partes que constituem esse 'kit', provavelmente já existente em muitas escolas e faculdades:

Para meu uso particular e demonstrações para alunos interessados utilizo-me desse 'kit', o qual recomendo como equipamento básico de eletricidade para todas as escolas. Eis algumas fotos:

Dimensões do núcleo

 

Experimentos com o 'kit'
(A) - Modo para se obter altas intensidades de correntes - Aplicação: Solda elétrica
Como primário usamos a bobina de 250 espiras (ou a de 300 espiras) e como secundário a bobina de tubo de cobre com 5 ou 6 espiras. Se a tensão aplicada é de Up = 120 VAC, a corrente no primário ficará ao redor dos 5 A (Ip = 5 A); se usarmos a bobina de 300 espiras no primário e a de 5 espiras no secundário teremos (veja cálculos abaixo, à direita):

  Ip/Is = Ns/Np

Is = Ip.Np/Ns
  = 5.300/5 =
  = 300 A

Aplicação: Solda elétrica - O transformador acima ilustrado é utilizado para demonstrar o funcionamento de uma solda elétrica. O secundário é uma bobina de 5 espiras feitas com um tubo de cobre de parede espessa e cerca de 1 cm de diâmetro. Quando o secundário é posto em curto circuito a corrente assume valores de centenas de ampères. Dois pregos (ou pedaços de arame) são colocados na parte de soldagem e, quando entram em contato, esquentam até o rubro e, eventualmente, se fundem. Várias tiras pequenas de metal podem ser colocadas entre os pontos de solda; quando estes são apertados contra elas, soldam-se uma às outras. Há um tubo isolante (fibra) separando o núcleo de ferro das espiras do secundário.

(B) Anel de Thompson
O anel de Thompson ou vulgarmente anel saltitante, é essencialmente um transformador de núcleo aberto no qual a bobina secundária se reduz a uma única espira de fio grosso. Na prática, o secundário  é um anel metálico, normalmente de alumínio, de paredes grossas.

Quando a bobina primária (250 ou 300 espiras de fio de cobre esmaltado para corrente de 5 a 10 A) está conectada à rede elétrica (117 VAC), a corrente induzida na bobina secundária (anel metálico de parede grossa) é muito intensa (faça os cálculos!) e gera um forte campo magnético em seu interior.
A lei de Lenz aplicada ao sentido dessa corrente justifica a concordância das polaridades desses dois campos (o indutor e o induzido) e a conseqüente força de repulsão que surge no anel, fazendo-o saltar. Obviamente no sistema indutor (núcleo e bobina primária) aparece a reação dessa força de repulsão, comprimindo o sistema contra a mesa (ou sobre o prato de uma balança de molas, se o intuito do experimento é constatar o valor médio da intensidade dessa força, ou a validade da terceira lei de Newton).

É muito interessante observar o que ocorrerá quando o anel de alumínio (material mais utilizado) é resfriado em nitrogênio líquido. Tal resfriamento aumenta substancialmente a condutividade do material do anel, a corrente induzida adquire valores especialmente notáveis e o anel congelado saltará muito mais alto.
Se a bobina primária é 'energizada' e então abandonarmos o anel no centro do núcleo de ferro, ele irá levitar. Se tentarmos arrastá-lo para baixo, até o topo da bobina primária, iremos sentir uma força repulsiva muito intensa; talvez até consigamos levá-lo até lá --- mas, prepare-se para soltá-lo rapidamente pois o aquecimento que se manifestará será um bocado intenso. Não nos esqueçamos da lei de Joule! A energia desenvolvida sob a forma de calor é proporcional à resistência elétrica do anel, ao quadrado da intensidade de corrente nele induzida e do intervalo de tempo que dura a indução.

Para uma explicação rápida do fenômeno (para os jovens da 8a série, por exemplo) basta informar que a bobina primária e o anel secundário comportam-se como duas barras magnéticas cujos pólos de mesmo nome se defrontam.

  
Para que o anel salte, o campo magnético gerado pela bobina não pode estar confinado ao núcleo (o que acontece quando o núcleo está fechado, como na foto ao lado). Ele deve se 'espalhar', de modo que B (vetor indução magnética) admita um componente vertical (que é responsável pelo estrangulamento do anel) e um componente horizontal/radial (que é responsável pela repulsão do anel para cima).  Se substituirmos o anel rígido por uma espiral toroidal fechada de fio de cobre, pode-se verificar o estrangulamento do anel toroidal.
Nota: Quando o fluxo está crescendo, o sentido da força de Lorentz sobre o anel é o de repulsão e, quando está decrescendo, é o de atração. Este fato e a inércia do anel deveria impedir qualquer movimento, todavia, o desequilíbrio ocorre por conta da pequena indutância do anel, que atrasa um pouco a corrente e faz com que, numa pequena fração do ciclo, ocorra a concordância entre o sentido da corrente e o do campo, necessário para ocorrer a repulsão.

 

             
Obviamente nenhuma das explicações dadas para o anel saltador aqui apresentadas no texto acima é completa; o aluno do ensino médio ainda não tem os recursos necessários para o entendimento da não uniformi-dade de campo magnético que se origina no núcleo e seus efeitos sobre o anel. Se fecharmos o núcleo (como na ilustração acima) o anel não mais apresentará qualquer tendência de 'saltar'; o que justifica esse meu parágrafo sobre a 'não uniformidade do campo'. Com o núcleo fechado não ocorre considerável espalhamento do campo para fora do núcleo, o que é indispensável para o pulo do anel.
Nota: Estou construindo o anel que não para de saltar, fica saltando continuamente de um lado para outro do núcleo aberto.


Anel saltador ou saltitante: há um sistema que liga/desliga a corrente nos seus devidos tempos. Tudo em fase de construção.

(C) Modo de se obter muito alta intensidade de corrente - Aplicação: Forno de indução
Para esta experimentação usamos da "calha". Esta consiste de um aro metálico (cobre ou latão), que comporta uma canaleta (um rebaixo) no círculo médio, fixado a um punho de madeira. No fundo é uma chapa circular com um sulco na região central capaz de reter uma pequena quantidade de água. Montando o sistema como se ilustra e ligando-se a corrente primária esta água ferve em segundos (2 ou 3 segundos!). Em 5 s toda a água já terá se vaporizado. Colocando-se a cabeça de um palito de fósforo nesta calha (em substituição à água), o fósforo arderá em segundos. A calha passa a ser uma espira única e de resistência desprezível; a corrente induzida alcança a casa dos mil ampères facilmente.

(D) Modo de se obter alta tensão - Aplicação: Chifre elétrico 
O transformador elevador de tensão apresenta como primário uma bobina de 150 ou 300 espiras e como secundário uma bobina de 12 000 ou 24 000 espiras. A razão de transformação é a mesma nos dois casos: 

                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 150/12000 ==> Us = 8 800 V~
                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 300/24000 ==> Us = 8 800 V~

Nos terminais da bobina secundário, onde teremos disponível a alta tensão alternada, ligam-se duas varetas metálicas, dispostas na vertical, em forma de V, lembrando um par de chifres. Eis as ilustrações:

Os detalhes do funcionamento e as causas da subida da faísca nos chifres podem ser vistos, em detalhes, no trabalho: www.feiradeciencias.com.br/sala14/14_04.asp , que trata especificamente do "chifre elétrico".

(E) Circuito L-C - Variação da Impedância indutiva

(F) Linha de transmissão - Vantagens da alta tensão

(H) Verificar a relação entre número de espiras - Es = (ns/np).Ep

Material
Núcleo em U com armadura e dispositivo de aperto,
Bobina com 500 espiras (np),
Fio longo com pinos banana,
Multiteste ou voltômetro AC (0__10 V ou 0__3 V),
Interruptor.

Montagem

Procedimento

Após efetuada a montagem como ilustrada acima, a chave interruptora é aciona. Os alunos/expectadores poderão observar, pela leitura no voltômetro, que no laço feito com o condutor que envolve o núcleo foi gerada uma tensão induzida (cerca de 0,2 V --- na figura a chave seletora do medidor está em 'X2'; a tensão aparece multiplicada por 2).

A seguir, o condutor é enrolado duas voltas ao redor do núcleo e nova medida é feita; a tensão induzida dobrou. Em continuação, o apresentador dá 3 voltas do fio ao redor do núcleo, como ilustrado abaixo. E assim em diante, até que o comprimento do condutor permita.

Claramente a proporcionalidade entre a tensão induzida e o número de espiras é observada.

A expressão ideal (transformador ideal --- sem perda de fluxo magnético)  Es = (ns/np).Ep  pode ser facilmente constatada:

1 volta    ==> Es =(1/500).110 = 0,22 V
2 voltas  ==> Es =(2/500).110 = 0,44 V
3 voltas  ==> Es =(3/500).110 = 0,66 V

(I) A corrente no primário depende da carga no secundário
Uma lâmpada de 117V/40W colocada em série com o primário (250 ou 300 espiras) acende com fraco brilho quando o secundário (que contém uma lâmpada de automóvel de 12V/70W) está aberto. Ao se fechar o circuito secundário, a lâmpada de 12V brilha e a lâmpada da 110V/40W brilha mais intensamente, acusando um aumento da intensidade de corrente no primário.

(J) Sistema Edson de distribuição (três fios)
A bobina secundária de 300 espiras dotada de ´center tap´ (derivação central) dá margem a uma excelente apresentação didática do Sistema Edson de Distribuição de energia elétrica. É o conhecido Sistema de Três Fios ainda bastante usado nos campos, fazendas, etc., para distribuição monofásica e bifásica.
Adaptada a devida tensão elétrica no primário do transformador (na ilustração abaixo, 13,8kV proveniente da rede elétrica), no secundário teremos: entre o centro da bobina e cada extremo uma tensão de 110 VAC e entre os dois terminais extremos (enrolamento total) uma tensão de 220 VAC.

 Em relação ao center tap da bobina secundária, os potenciais elétricos dos dois extremos estão defasados de 180º.

(K) Motor com espira de sombra
1- Resumo teórico

Uma das maneiras mais simples de produzir um campo magnético que desloca sua posição de uma região de um pólo para outra é usar o recurso ilustrado a seguir.

Em cada um dos pólos do estator produz-se um entalhe, efetuado a cerca de um terço de distância da borda das lâminas do núcleo. Ao redor da menor das duas seções retangulares limitadas pelo entalhe é colocado uma bobina, de uma só espira de grosso fio (ou lâmina) de cobre, em curto-circuito. É a denominada espira de sombra; a região do pólo de ferro laminado que contém tal espira é denominado pólo sombreado. A porção livre deste pólo é a parte não-sombreada. A bobina de excitação, não mostrada na ilustração acima, abraça o pólo inteiro (não-sombreada + sombreada).

Quando o enrolamento excitador é conectado a uma fonte de corrente alternada, a linha central magnética é deslocada da parte não-sombreada para a parte sombreada. Este deslocamento do eixo magnético é, em efeito, equivalente a mover o pólo fisicamente; o resultado é que o rotor em gaiola-de-esquilo é solicitado a girar em sentido da parte não-sombreada para a parte sombreada. Para bem entender o processo considere a ilustração a seguir:

2- Formação do campo girante
Vamos assumir, de início, que a corrente de excitação siga uma onda senoidal e em tal sentido que no pólo em destaque tenhamos um Pólo Norte (N). A discussão será dividida em três partes, conforme a intensidade de corrente muda de 0 para a, depois de a para b e a seguir de b para 0.

Parte (1) - A intensidade de corrente sobe muito rapidamente ao longo da curva senoidal, de 0 para a; sob esta circunstância uma tensão será induzida na espira de sombra desenvolvendo uma alta intensidade de corrente na espira de baixa resistência. Esta corrente ocorrerá em um sentido que tenderá opor-se à rápida variação do fluxo que a originou (Lei de Lenz). Devido a isto o fluxo do campo é, em sua maior parte, deslocado para a parte não-sombreada; a linha central magnética ficará ao longo da seta, perto do centro da parte não-sombreada (A).

Parte (2) - A intensidade de corrente varia muito pouco no trecho de a para b percorrendo o topo da curva senoidal; sob tal condição, praticamente nenhuma tensão será induzida na espira curto-circuitante, nenhuma corrente, consequentemente, circulará pela bobina de sombra. O fluxo originado pela bobina de excitação terá seu valor máximo e estará uniformemente distribuído sobre a face total do pólo; a linha central magnética desloca-se, então, para o centro do pólo, como indicado pela seta (B).

Parte (3) - A intensidade de corrente diminui rapidamente de b para 0 ao longo da curva senoidal; sob esta circunstância uma tensão será induzida na espira sombra que produzirá uma alta corrente, devido sua baixa resistência. Tal corrente terá um sentido que tentará impedir que o fluxo diminua (Lei de Lenz), isto é, originará um forte Pólo Norte na parte sombreada do pólo. A linha magnética se deslocará do centro para a parte sombreada do pólo, como se indica pela seta (C).

Conclusão - A linha central magnética se deslocará de A a B a C, da parte não-sombreada à parte sombreada do pólo. Este deslocamento, na realidade, ocorre gradualmente, não em etapas, de um lado para outro e, como a metade negativa da onda senoidal será a seguir aplicada na bobina excitadora do pólo, um Pólo Sul se arrastará longitudinalmente. O efeito geral é como se os pólos girassem através do espaço, da esquerda para a direita, propiciando o devido torque para o rotor de gaiola.

Os motores simples, que funcionam deste modo, não podem inverter o sentido de rotação do rotor. Os motores especialmente projetados na técnica dos pólos sombreados, podem inverter o sentido de rotação, mas são demasiado complicados para o uso geral.

3- Parte experimental
Num pequeno núcleo de (4 x 4 x 5) cm foi efetuado um entalhe de 2 cm de profundidade e 3 mm de abertura; neste contorno foi curto-circuitado (soldada com ferro de 100 W) uma espira de fio de cobre de 2,5 mm de diâmetro.

Um rotor de gaiola, retirado de um velho motor de toca-discos, disposto horizontalmente sobre o pólo assim preparado gira velozmente ao ser ligada a alimentação de 127 Vac na bobina excitadora de 250 espiras. Uma lata de refrigerante com eixo longitudinal disposta sobre tal pólo também gira a mais de 2000 rpm.
Outra aplicação experimental interessante pode ser vista na Sala 22, motor 15; clique no link a seguir:
www.feiradeciencias.com.br/sala22/motor15.asp .

(L) segue experimentos ...

... segue mais experimentos ...

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