Relação de transformação

Currículos: GCSE, Sek I/II

Abrir a versão completa ↗

Objetivo

Descobrir como a tensão no enrolamento secundário de um transformador depende do número de espiras dos enrolamentos.

A montagem

Uma fonte de tensão alternada de 6 V, 50 Hz (onda senoidal) está ligada ao enrolamento primário do transformador (500 espiras, par de bornes da esquerda). O enrolamento secundário (250 espiras, par da direita) não está ligado a nada. Acima do transformador há voltímetros no modo AC: o da esquerda no enrolamento primário, o da direita no secundário. O número de espiras está impresso nas bobinas; o borne superior de cada par é o início do enrolamento.

Procedimento

1. Anote as leituras dos dois voltímetros e o número de espiras das duas bobinas.
2. Calcule a razão entre as tensões \(U_2 / U_1\) e a relação de transformação \(N_2 / N_1\).
3. No cartão de parâmetros do transformador, ajuste Espiras do secundário para 1000. Anote as leituras e compare as razões de novo.
4. Ajuste Espiras do secundário para 500, depois Espiras do primário para 250 e depois para 1000. Como muda \(U_2\)?

Resultado esperado

Os voltímetros no modo AC mostram o valor eficaz: com uma amplitude de 6 V, no enrolamento primário a leitura é 4,24 V. Com 250 espiras no enrolamento secundário obtêm-se 2,08 V, com 1000 espiras cerca de 8,3 V: o transformador é abaixador ou elevador conforme a razão entre os números de espiras. Com 500 espiras no secundário e 250 no primário também se obtêm cerca de 8,3 V, com 1000 no primário cerca de 2,1 V: o que importa é a razão entre os números de espiras, não os números em si. A razão entre as tensões é aproximadamente igual à relação de transformação, \(U_2 / U_1 \approx N_2 / N_1\). Ela é 2% menor porque parte do fluxo magnético do enrolamento primário não passa pelo secundário.

Questões

1. Quantas espiras são necessárias no enrolamento secundário para obter 12 V a partir de 4,24 V?
2. Qual é a relação de transformação no passo 3? O transformador é elevador ou abaixador?
3. Por que o enrolamento secundário fornece tensão, embora não esteja ligado ao primário por nenhum fio?

Respostas

1. \(N_2 = N_1 \cdot U_2 / U_1\) = 500 · 12 / 4,24 ≈ 1415 espiras. O transformador da montagem fornece 2% menos do que a relação de transformação prevê, então na montagem são necessárias cerca de 1415 / 0,98 ≈ 1440 espiras.
2. \(N_2 / N_1\) = 1000 / 500 = 2. O enrolamento secundário tem mais espiras que o primário, então o transformador é elevador: a tensão sobe de 4,24 V para cerca de 8,3 V.
3. A corrente alternada no enrolamento primário cria um fluxo magnético alternado, e o núcleo de aço conduz esse fluxo através do enrolamento secundário. Um fluxo magnético variável induz uma tensão em cada espira do secundário (indução eletromagnética), então a energia passa pelo campo magnético sem nenhum contato elétrico.