Transformador com carga

Currículos: GCSE, Sek I/II

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Objetivo

Comparar as correntes e as potências nos circuitos primário e secundário de um transformador e estimar o seu rendimento.

A montagem

Uma fonte de tensão alternada (onda senoidal, amplitude 12 V, valor eficaz 8,5 V), 50 Hz, está ligada através de um amperímetro ao enrolamento primário do transformador (500 espiras). O circuito secundário (250 espiras) contém um amperímetro e uma lâmpada de 3,5 V / 1 W. Os voltímetros acima do transformador mostram a tensão no enrolamento primário e no secundário; todos estão no modo AC. O wattímetro acima do amperímetro do circuito primário mostra a potência consumida pelo enrolamento primário.

Procedimento

1. Anote as leituras dos quatro instrumentos: \(U_1\), \(I_1\), \(U_2\), \(I_2\).
2. Calcule as razões \(U_2 / U_1\) e \(I_1 / I_2\) e compare-as com a relação de transformação \(N_2 / N_1\).
3. Anote a potência do circuito primário \(P_1\) no wattímetro e calcule a potência no circuito secundário \(P_2 = U_2 \cdot I_2\) (a lâmpada é uma carga resistiva). Determine o rendimento \(\eta = P_2 / P_1\). Compare \(P_1\) com o produto \(U_1 \cdot I_1\).
4. Ajuste Espiras do secundário para 150. Como mudaram o brilho da lâmpada e a corrente \(I_1\)?

Resultado esperado

As leituras são aproximadamente \(U_1\) = 8,38 V, \(I_1\) = 146 mA, \(U_2\) = 3,55 V, \(I_2\) = 286 mA, \(P_1\) = 1,12 W. A corrente no circuito primário é menor que a corrente no secundário aproximadamente pelo mesmo fator pelo qual a tensão no enrolamento primário é maior: \(I_1 / I_2\) ≈ 0,51 ≈ \(N_2 / N_1\). A potência no circuito secundário é de cerca de 1,01 W e o rendimento de cerca de 90%; as perdas são o aquecimento dos enrolamentos. O produto \(U_1 \cdot I_1\) ≈ 1,23 V·A é maior que \(P_1\): esta é a potência aparente, e parte da corrente do primário é a corrente de magnetização, que não consome energia, apenas a bombeia de um lado para o outro. Com carga, \(U_2 / U_1\) = 0,42, bem menos que sem carga: parte da tensão se perde na resistência dos enrolamentos e por causa da dispersão do fluxo magnético. Com menos espiras no enrolamento secundário a lâmpada brilha menos, e a corrente do circuito primário também diminui.

Questões

1. Por que a corrente do enrolamento primário é menor se o transformador é abaixador?
2. De onde vem a potência consumida pela lâmpada?
3. Por que o rendimento de um transformador é menor que 100%?

Respostas

1. O transformador transfere a energia do circuito primário para o secundário com pequenas perdas, então a potência nos dois circuitos é aproximadamente a mesma. Com a mesma potência, o lado de tensão mais alta conduz a corrente menor: 146 mA no primário contra 286 mA no secundário, uma razão de cerca de 0,51, próxima de \(N_2 / N_1\) = 0,5.
2. Da fonte de tensão alternada. A corrente do primário cria um fluxo magnético alternado no núcleo, e esse fluxo induz a tensão que faz a corrente passar pela lâmpada, então a energia passa ao secundário através do campo magnético. Dos 1,12 W que o enrolamento primário retira da fonte, a lâmpada recebe cerca de 1,01 W.
3. Parte da energia aquece os enrolamentos. O simulador atribui a eles uma resistência de 2,5 Ω (500 espiras) e 0,625 Ω (250 espiras); \(I^2 \cdot R\) dá cerca de 0,05 W em cada um, o que explica a diferença de 0,11 W entre \(P_1\) e \(P_2\). Um transformador real também perde energia no núcleo de aço por correntes de Foucault e por histerese; o núcleo do simulador não tem essas perdas.