Transformador

Para os jovens estudantes de Eletricidade opinarem:

Transformadores elétricos são equipamentos constituídos de um núcleo ferromagnético, contendo um certo número de espiras no primário (Np) e um certo número de espiras no secundário (Ns). No primário é ligada uma fonte de tensão (um gerador, uma tomada, etc) através uma chave e no secundário é ligada uma carga (uma lâmpada, um chuveiro elétrico, um motor elétrico, etc).

Se Np < Ns temos um transformador elevador de tensão: numa usina hidrelétrica, por exemplo a tensão de geração é 13 800 V e a transmissão é em 138 000 V (Ns = 10.Np). Isto é feito para reduzir as perdas por efeito Joule nas linhas de transmissão (P = R.i²), pois, quanto maior V, menor será i

Se Np > Ns temos um transformador abaixador de tensão: quando a linha de transmissão chega numa cidade, devido ao risco para a população, a tensão é abaixada, por exemplo, para 13 800 V (Neste caso Np = 100.Ns). 0 mesmo acontece nas residências, quando a tensão é abaixada de 13 800 V para 220 V ou 110 V).

Se Np = Ns temos um transformador isolador: tanto a tensão quanto a corrente no primário e secundário são iguais. A função deste transformador é isolar (separar) o circuito primário do circuito secundário.

O princípio do transformador é baseado na tensão e corrente induzida (3ª Lei do Eletromagnetismo).

Com base nisto, um estudante de Engenharia Elétrica afirmou "Se um gerador de corrente contínua for ligado no primário de um transformador, não haverá tensão induzida no secundário".

Esta afirmação é verdadeira ou falsa? Porque?

Para poder responder é necessário:

a) Saber o que é corrente contínua
b) Conhecer bem a teoria de Eletromagnetismo (em especial a 3ª Lei).
c) Saber o que é Campo Magnético, Indução Magnética, Fluxo Magnético, tensão induzida, etc.

Os enrolamentos primários e secundários não são conectados entre si, e para haver o aparecimento de uma corrente no secundário e assim dar procedência a corrente no circuito é necessário uma indução da ddp, uma corrente contínua no enrolamento primário geraria um campo magnético do secundário com intensidade constante, e assim não haveria indução de força eletromotriz, já que sabemos que pela lei de Lenz e Faraday que é necessário uma variação do fluxo magnético para que a indução ocorra. Uma corrente alternada no entanto cria campos magnéticos variáveis, e esse campo variável, atingingiria o segundo enrolamento causando uma variação do fluxo, induzindo assim, uma ddp e o consequente aparecimento de uma nova corrente inversamente proporcional ao número de voltas de cada enrolamento. 

Entretanto essa é apenas uma forma de conseguir variar o fluxo magnético no enrolamento secundário (variando o campo a partir de uma corrente alternada), poderíamos também tentar variar a área, mudando continuamente o eixo normal do enrolamento provocando assim uma variação no fluxo com um campo constante (provocado por corrente contínua). 

Se for possível fazer isso, creio que mesmo com corrente contínua teríamos a possibilidade de uma indução de ddp no secundário do transformador. 

Enfim, qualquer coisa que variar a intensidade de linhas de campo no secundário vale .. não precisa ser necessariamente uma corrente alternada que cria um campo variável, os seres humanos são criativos, podem pensar em uma outra forma de proporcionar a variação do fluxo.

Não é possível mudar a área, mudando o eixo: o transformador é um equipamento fixo (um caso típico são os transformadores de 220/110 ou 110/220 usados em residências: por exemplo uma pessoa em Santos, com 220 V quer ligar um equipamento de som de 110 V)

Sejamos pois criativos para achar uma solução: os seres humanos do fórum são super-criativos!!!

Uma dica, como eu já disse é entender BEM o que é corrente contínua, partido da definição de corrente contínua.

Elcio, qualquer maneira que sirva para variar o fluxo no secundário é valido, inclusive o de variar a área, que creio que seja sim possível. 

Ficar ligando e desligando a passagem de uma corrente contínua também varia o fluxo, seria uma maneira menos criativa essa na minha opinião.

Thálisson

A área do material ferromagnético de um determinado transformador é fixa. Devemos conseguir o objetivo com o transformador disponível.

Ligar e desligar  a chave manualmente é uma das soluções Thálisson. Vou explicar porque para os demais usuários do fórum:

Com a chave desligada a corrente é nula.
Ao se ligar a chave, num intervalo de tempo infinitesimal ∆t a corrente i começa a fluir no primário.

Neste intervalo de tempo há uma variação de corrente (de zero para i) e consequentemente há uma variação do campo magnético (∆H), da indução magnética (∆B) e do fluxo (∆φ). Com isto aparece no secundário uma força eletromotriz induzida e = - ∆φ/∆t

Se alguém estiver segurando os terminais do secundário, neste instante, vai levar um choque!!

O mesmo acontece quando se desliga a chave: a única diferença é que o sentido da fem induzida é oposto, já que a corrente cai de um valor i para zero.

Tenho um compromisso agora. Assim que retornar volto ao assunto.

Voltando ao assunto:

Definição de corrente contínua: 

É uma corrente que flui num só sentido, isto é as cargas elétricas se movimento num sentido único.

A corrente alternada é diferente, por exemplo seja a corrente i = sen(w.t).

No intervalo ]0,pi[ a corrente flui num único sentido. Por convenção é o sentido positivo: os valores de i estão todos acima do eixo t. Já no intervalo ]pi, 2pi[ a corrente tem sentido oposto (negativo): todos os valores de i estão abaixo do eixo t. Esta mudança de sentido ocorre 60 vezes em cada segundo (60 Hz);



A grande confusão que os estudantes fazem é "achar" que corrente contínua é o mesmo que corrente constante e isto não é verdade.

Um acorrente pode ser sempre positiva (ou negativa) e ser variável. Por exemplo a corrente do gráfico abaixo é contínua. Existem geradores que produzem correntes variáveis, porém contínuas.
Notem que, no gráfico existe um intervalo de tempo em que a corrente é constante (paralela ao eixo t).

Isso mesmo Elcio, Mas se você pode modificar o gerador, eu também posso modificar o transformador utilizado, temos infinitas possibilidades.

- inserir no circuito, uma espécie de catavento que continuamente liga e desliga o circuito de corrente contínua, para assim variar o fluxo no secundário.

- modificar o gerador para as intensidades de correntes variarem.

- ou modificar o transformador.

As maneiras propostas para variar a corrente seja na sua intensidade ou sentido são clássicas e as mais simples de serem feitas, entretanto podemos abrir nossa mente e usar a imaginação. 

Uma ideia utópica seria um aquecedor/resfriador no enrolamento secundário, para assim, por efeitos de dilatação a área variar, entretanto teríamos uma alteração na resistência do fio e isso pode acarretar alguns problemas ou ser usado a favor. Até mesmo um mecanismo giratório destes enrolamentos não seria problema para um engenheiro, poderíamos também mudar o número de espiras por unidade de comprimento, mudar o meio para a alteração da permeabilidade magnética. 

Enfim, como eu havia dito antes, existem inúmeras manerias, criatividades novas e no fim o que importa é alcançar um objetivo: variar o fluxo do campo magnético no secundário, não importando se é corrente contínua ou alternada.



Adotando o campo como sendo aproximadamente o gerado por solenoides:



O campo gerado talvez não seja esse mas é apenas uma demostração da quantidade de parâmetros além da corrente, que podemos variar para obter o que desejamos.

O objetivo da questão era como obter uma tensão induzida no secundário de um determinado transformador, usando no primário uma corrente contínua.

Vamos considerar, portanto, o transformador "imexível" (termo criado pelo ex-ministro Magri, do governo Collor)

Como você já respondeu, ficar ligando e desligando a chave manualmente é um dos meios.

Outro modo, como eu expliquei é usar um gerador de corrente contínua variável.

Vou descrever agora um adendo à solução de ligar e desligar a chave, sem ser manualmente. O desligamento da chave será "automático":

1) Tenho em meu poder um pequeno falso livro que eu denomino "livro dos choques". Eu o adquiri, há anos atrás, numa case de truques, mágicas e pegadinhas, existente em qualquer grande cidade.

2) Este livro, na realidade é uma caixa retangular, de papelão, dimensões aproximadas de 9 x 13 cm (espessura de 1,5 cm)

3) A capa e a contracapa são forradas de papel aluminizado (bom condutor elétrico). Na capa existe uma foto de mulher nua, um excelente atrativo para os curiosos, especialmente os do sexo masculino: eles imediatamente querem abrir o livro para ver o seu conteúdo!

4) No interior do "livro" existem:

a) Duas pilhas comuns de 1,5 V (imagino que estão em série, pois o circuito está escondido).
b) Um transformador (escondido) de relação de espiras bem grande, para elevar a tensão.
c)  Um contato elétrico (chave) visível que pode fechar ou abrir o circuito primário.
d) Uma mola (também escondida)

5) Internamente, com o livro fechado, a mola está comprimida e o contato está aberto; quando o livro é aberto a mola distende e fecha o contato, o que causa uma corrente no primário.

6) Durante algum tempo (alguns segundos) a mola executa um MHS, até parar e manter a corrente constante no primário.

7) Enquanto a mola esta fechando e abrindo o circuito, a corrente no primário varia (embora continue contínua) e uma tensão induzida aparece no secundário (não sei o valor, estimo de 100 a 200 V)

8 ) Os terminais do secundário são a capa e a contracapa do "livro", as quais estão seguras, uma em cada mão do curioso, no momento da abertura do livro.

9) Como consequência o curioso leva um choque elétrico, forte mas de pequena duração, principalmente devido ao fato do curioso lançar longe o livro, tal o susto que leva!!!

Eu acho que você já havia contado essa história por aqui, 

Bem interessante por sinal, e apesar de eu ter viajado um pouco em busca de soluções alternativas, creio que esse tópico foi muito bom para o esclarecimentos de alguns conceitos fundamentais em eletricidade que acabam confundindo os estudantes. 

Você deve ter sido um brilhante engenheiro elétrico Elcio! E espero poder me tornar também algum dia.

Tlássison

Sim eu já havia contado esta história mas não lembro quando nem onde, após quase 6 anos de fórum.

O objetivo foi este mesmo mostrar para todos os estudantes, os conceitos básicos de eletricidade e a importância da teoria bem entendida (e não apenas decorada) para a solução de problemas de problemas técnicos e de engenharia de qualquer área (civil, mecânica, eletrônica, metalúrgica, química, telecomunicações, aeronáutica, aeroespacial,  etc.). 

E, se o seu sonho é este, meu amigo, garanto que logo, logo, teremos mais um excelente engenheiro brasileiro. E espero ainda estar vivo para cumprimentá-lo pelo sucesso alcançado.