Ciências da Natureza e suas Tecnologias – Física TRANSFORMADOR

A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Ela iluminará cidades, movimentará máquinas e motores, proporcionando muitas comodidades. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende estreitamente dos transformadores, que elevam a tensão, ora a rebaixam. Nesse sobe e desce, eles resolvem não só um problema econômico, reduzindo os custos da transmissão a distância de energia, como melhoram a eficiência do processo. Antes de mais nada os geradores que produzem energia precisam alimentar a rede de transmissão e distribuição com um valor de tensão adequado, tendo em vista seu melhor rendimento. Esse valor depende das características do próprio gerador, enquanto a tensão que alimenta os aparelhos consumidores, por razões de construção e sobretudo de segurança, tem valor baixo, nos limites de algumas centenas de volts (em geral, 110 ou 220). Isso significa que a corrente, e principalmente a tensão fornecida, variam de acordo com as exigências. Nas linhas de transmissão a perda de potência por liberação de calor é proporcional à resistência dos condutores e ao quadrado da intensidade da corrente que os percorre (P = R.i 2 ). Para diminuir a resistência dos condutores seria necessário usar fios mais grossos, o que os tornaria mais pesados e o transporte absurdamente caro. A energia elétrica produzida nas usinas hidrelétricas é levada, mediante condutores de eletricidade, aos lugares mais adequados para o seu aproveitamento. Ela iluminará cidades, movimentará máquinas e motores, proporcionando muitas comodidades. Para o transporte da energia até os pontos de utilização, não bastam fios e postes. Toda a rede de distribuição depende estreitamente dos transformadores, que elevam a tensão, ora a rebaixam. Nesse sobe e desce, eles resolvem não só um problema econômico, reduzindo os custos da transmissão a distância de energia, como melhoram a eficiência do processo. Antes de mais nada os geradores que produzem energia precisam alimentar a rede de transmissão e distribuição com um valor de tensão adequado, tendo em vista seu melhor rendimento. Esse valor depende das características do próprio gerador, enquanto a tensão que alimenta os aparelhos consumidores, por razões de construção e sobretudo de segurança, tem valor baixo, nos limites de algumas centenas de volts (em geral, 110 ou 220). Isso significa que a corrente, e principalmente a tensão fornecida, variam de acordo com as exigências. Nas linhas de transmissão a perda de potência por liberação de calor é proporcional à resistência dos condutores e ao quadrado da intensidade da corrente que os percorre (P = R.i 2 ). Para diminuir a resistência dos condutores seria necessário usar fios mais grossos, o que os tornaria mais pesados e o transporte absurdamente caro.

A solução é o uso do transformador que aumenta a tensão, nas saídas das linhas da usina, até atingir um valor suficientemente alto para que o valor da corrente desça a níveis razoáveis (P = U.i). Assim, a potência transportada não se altera e a perda de energia por aquecimento nos cabos de transmissão estará dentro dos limites aceitáveis. Na transmissão de altas potências, tem sido necessário adotar tensões cada vez mais elevadas, alcançando em alguns casos a cifra de volts. Quando a energia elétrica chega aos locais de consumo, outros transformadores abaixam a tensão até os limites requeridos pelos usuários, de acordo com suas necessidades. A solução é o uso do transformador que aumenta a tensão, nas saídas das linhas da usina, até atingir um valor suficientemente alto para que o valor da corrente desça a níveis razoáveis (P = U.i). Assim, a potência transportada não se altera e a perda de energia por aquecimento nos cabos de transmissão estará dentro dos limites aceitáveis. Na transmissão de altas potências, tem sido necessário adotar tensões cada vez mais elevadas, alcançando em alguns casos a cifra de volts. Quando a energia elétrica chega aos locais de consumo, outros transformadores abaixam a tensão até os limites requeridos pelos usuários, de acordo com suas necessidades.

Existe uma outra classe de transformadores, igualmente indispensáveis, de potência baixa. Eles estão presentes na maioria dos aparelhos elétricos e eletrônicos encontrados normalmente em casa, tais como, por exemplo, computador, aparelho de som e televisor. Cabe-lhes abaixar ou aumentar a tensão da rede doméstica, de forma a alimentar convenientemente os vários circuitos elétricos que compõem aqueles aparelhos.

O princípio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido como indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é proporcional às variações do fluxo magnético. Os transformadores, na sua forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o primário e o secundário), que geralmente envolvem os braços de um quadro metálico (o núcleo). Uma corrente alternada aplicada ao primário produz um campo magnético proporcional à intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e chega ao enrolamento secundário com um mínimo de perdas. Ocorre, então, a indução eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos. O princípio básico de funcionamento de um transformador é o fenômeno conhecido como indução eletromagnética: quando um circuito é submetido a um campo magnético variável, aparece nele uma corrente elétrica cuja intensidade é proporcional às variações do fluxo magnético. Os transformadores, na sua forma mais simples, consistem de dois enrolamentos de fio (o primário e o secundário), que geralmente envolvem os braços de um quadro metálico (o núcleo). Uma corrente alternada aplicada ao primário produz um campo magnético proporcional à intensidade dessa corrente e ao número de espiras do enrolamento (número de voltas do fio em torno do braço metálico). Através do metal, o fluxo magnético quase não encontra resistência e, assim, concentra-se no núcleo, em grande parte, e chega ao enrolamento secundário com um mínimo de perdas. Ocorre, então, a indução eletromagnética: no secundário surge uma corrente elétrica, que varia de acordo com a corrente do primário e com a razão entre os números de espiras dos dois enrolamentos.

A relação entre as voltagens no primário e no secundário, bem como entre as correntes nesses enrolamentos, pode ser facilmente obtida: se o primário tem Np espiras e o secundário Ns, a voltagem no primário (Vp) está relacionada à voltagem no secundário (Vs) por Vp/Vs = Np/Ns, e as correntes por Ip/Is = Ns/Np. Desse modo um transformador ideal (que não dissipa energia), com cem espiras no primário e cinquenta no secundário, percorrido por uma corrente de 1 ampère, sob 110 volts, fornece no secundário, uma corrente de 2 ampères sob 55 volts.

Perdas no transformador Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, permitindo transferir ao secundário cerca de 98% da energia aplicada no primário. As perdas - transformação de energia elétrica em calor - são devidas principalmente à histerese, às correntes parasitas e perdas no cobre. 1. Perdas no cobre. Resultam da resistência dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias. As perdas pela resistência do cobre são perdas sob a forma de calor e não podem ser evitadas. 2. Perdas por histérese. Energia é transformada em calor na reversão da polaridade magnética do núcleo transformador. Perdas no transformador Graças às técnicas com que são fabricados, os transformadores modernos apresentam grande eficiência, permitindo transferir ao secundário cerca de 98% da energia aplicada no primário. As perdas - transformação de energia elétrica em calor - são devidas principalmente à histerese, às correntes parasitas e perdas no cobre. 1. Perdas no cobre. Resultam da resistência dos fios de cobre nas espiras primárias e secundárias. As perdas pela resistência do cobre são perdas sob a forma de calor e não podem ser evitadas. 2. Perdas por histérese. Energia é transformada em calor na reversão da polaridade magnética do núcleo transformador.

3. Perdas por correntes parasitas. Quando uma massa de metal condutor se desloca num campo magnético, ou é sujeita a um fluxo magnético móvel, circulam nela correntes induzidas. Essas correntes produzem calor devido às perdas na resistência do ferro.