Transformador e corrente contínua

Currículos: GCSE, Sek I/II

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Objetivo

Verificar se um transformador funciona com corrente contínua e ver que uma tensão aparece no enrolamento secundário apenas quando a corrente no primário varia.

A montagem

Uma fonte de tensão contínua de 6 V está ligada através de um interruptor e de um amperímetro ao enrolamento primário do transformador (2000 espiras, resistência de 40 Ω). Uma lâmpada de 3,5 V / 0,5 W e um voltímetro no modo DC estão ligados ao enrolamento secundário (1400 espiras). O interruptor está aberto.

Procedimento

1. Feche o interruptor. Observe a lâmpada e o amperímetro.
2. Espere alguns segundos. Anote as leituras do amperímetro e do voltímetro.
3. Abra o interruptor. Observe a lâmpada.
4. Repita o experimento com uma velocidade de simulação menor para ver melhor os clarões.

Resultado esperado

Quando o interruptor é fechado, a corrente no enrolamento primário cresce gradualmente, em uma fração de segundo, e se estabiliza em cerca de 0,15 A: ela é limitada pela resistência do enrolamento. O fluxo varia devagar, a tensão induzida é pequena e a lâmpada mal acende — o filamento apenas fica avermelhado, o que só se nota no escuro. Enquanto a corrente é constante, o voltímetro no enrolamento secundário indica 0 e a lâmpada fica apagada. Quando o interruptor é aberto, a corrente é interrompida bruscamente e a lâmpada dá um clarão forte — duas vezes mais brilhante do que em condições nominais — e se apaga em um quarto de segundo: a corrente induzida é de cerca de 0,2 A, 1,4 vez a sua corrente nominal. Uma tensão no enrolamento secundário só é induzida por um fluxo magnético variável, então um transformador não funciona com corrente contínua.

A corrente no enrolamento primário não é limitada por acaso. O núcleo de um transformador real pode saturar com corrente contínua, e uma corrente forte na abertura passaria para o circuito secundário na mesma proporção das espiras e queimaria a lâmpada.

Questões

1. Por que a lâmpada dá um clarão mais forte quando o interruptor é aberto do que quando é fechado?
2. Por que a corrente no enrolamento primário não cresce imediatamente depois do fechamento?
3. Por que os transformadores são usados apenas em circuitos de corrente alternada?

Respostas

1. Quando o interruptor é fechado, a corrente e o fluxo magnético crescem gradualmente, e uma variação lenta do fluxo induz apenas uma tensão pequena. Quando ele é aberto, a corrente de 0,15 A do primário cessa quase de imediato, e a energia armazenada no campo magnético do núcleo vai para o circuito secundário: o fluxo mantém uma corrente de cerca de 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A passando pela lâmpada, 1,4 vez a sua corrente nominal.
2. O enrolamento tem 2000 espiras em um núcleo de aço e, por isso, uma grande indutância. A corrente crescente cria um fluxo magnético crescente, e esse fluxo induz no enrolamento uma tensão que se opõe ao crescimento da corrente (autoindução), então a corrente se aproxima de 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A gradualmente.
3. Um transformador transfere energia apenas por meio de um fluxo magnético variável; uma corrente contínua cria um fluxo constante, e o enrolamento secundário não fornece tensão. Com corrente contínua a corrente do primário também é limitada apenas pela resistência do enrolamento: com o primário padrão de 500 espiras (2,5 Ω), a fonte de 6 V faria passar por ele cerca de 1,9 A, e um enrolamento real superaqueceria.