Conceitos de Eletromagnetismo :
Os princípios básicos que regem o funcionamento das máquinas assíncronas, baseiam-se nos fundamentos e nas leis do elétromagnetismo. Um deles é a indutância, que pode ser dividida em auto-indução e indutância mútua. Outro conceito é a “Lei De Lenz”, também conhecida como lei da atração e repulsão.
Esta lei diz o seguinte: “o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que lhe deu origem. Havendo diminuição do fluxo magnético, a corrente criada gerará um campo magnético de mesmo sentido do fluxo magnético da fonte. Havendo aumento, a corrente criada gerará um campo magnético oposto ao sentido do fluxo magnético da fonte.”
Um indutor ou solenóide, basicamente é formado por várias espiras de fio, geralmente cobre esmaltado, como na imagem acima, tendo em seu interior e ao seu redor um núcleo, que no caso da imagem acima é o ar, representado por alguns átomos. Tanto numa bobina alimentada por corrente contínua, como sendo alimentada por corrente alternada, ocorre o fenômeno da auto indução e da reatância indutiva de Faraday, a diferença é que numa bobina alimentada por corrente contínua, no momento em que é aplicada tensão sobre a mesma, a corrente demora um pouco para atingir seu valor máximo devido a impedância gerada no momento em que o circuito é ligado, mas depois de um certo tempo, a corrente atinge seu valor máximo e se estabiliza, operando o circuito a partir de então, de forma linear, ocorrendo novamente o fenômeno da reatância, apenas quando o circuito é desligado.
Já em corrente alternada, como a mesma muda de polaridade 60 vezes por segundo, ocorre algo análogo à um circuito de corrente contínua, sendo ligado e desligado a todo momento, com isto a corrente de magnetização do núcleo, a qual provoca a impedância na bobina varia de sentido a todo momento, a rede externa ou fonte de corrente alternada enxerga na bobina apenas seu momento de impedância média, enxergando muito pouco o momento em que o núcleo satura, e se tem apenas a resistência ôhmica do fio. Por isso para uma mesma bobina, disposta a duas tensões de mesmo valor, mas uma contínua, e outra alternada, diz-se que na alternada a corrente será menor, por conta da sua impedância.
Quando a chave é fechada, começa circular uma corrente pela bobina, no sentido real, do polo negativo para o o positivo, fazendo surgir na mesma um campo magnético, tendo o polo norte localizado onde à mesma esta ligada ao polo negativo da fonte, e o polo sul, na regiaão mais próxima do polo positivo.
Quando isto ocorre, os elétrons do núcleo tendem a deixar seus respectivos átomos, formando uma espécie de “buracos” virtuais” nos mesmos, e vão para uma região localizada nas proximidades da bobina, pois são atraídos pelo campo magnético da mesma.
Este movimento ou fluxo de elétrons em direção aos arredores da bobina, recebe o nome de corrente de magnetização ou “Correntes de Focault”. Existem duas situações para estas correntes. A primeira delas, é quando o circuito é ligado, e os elétrons do núcleo vão em direção a bobina. Esses elétrons estão em sentido contrário aos da fonte que circulam pela bobina, gerando uma força de repulsão entre eles, algo análogo “a dois veículos trafegando em uma estrada na contramão prestes a bater de frente”.
Por conta disso, surge uma resistência adicional sobre a bobina. Além da resistência ôhmica do fio proóprimente dita. Esta resistência adicional, recebe o nome de impedância.
Mas há um momento em que todos os elétrons do núcleo, ou pelo menos um grande número deles chegam às proximidades da bobina. De modo que não é possível que mais elétrons se aproximem da bobina, mesmo aumentando a tensão sobre a mesma, situação em que se diz que ocorreu a saturação do núcleo. Mesmo que se aumente a tensão na bobina, nenhum outro elétron do núcleo chega para perto da mesma.
Devido à isto, como não há mais elétrons do núcleo se aproximando na direção da bobina, e em sentido contrario à corrente que circula pela mesma, a sua impedância cai, valendo apenas a resistênicia ôhmica do fio.
Num segundo momento em que a chave é aberta, desaparece a tensão da fonte que estava sendo aplicada na bobina, e poduzindo o campo magnético na mesma. Neste momento os elétrons do núcleo, que haviam sido atraídos por este campo magnético, e se aproximado da bobina, começam a voltar para seus respectivos átomos, devido aos “buracos positivos” desses átomos, que na verdade são íons positivos e exercem força de atração sobre estes elétrons. Mas esta força de atração, atinge também os elétrons da bobina, produzindo uma força elétromotriz induzida sobre ela, num valor de tensão centena de vezes maior o da da fonte que estava sendo aplicada sobre ela anteriormente. Por consequência, surge uma corrente elevada na mesma, fazendo saltar na chave aberta, uma faísca ou arco elétrico.
Esta corrente que surge, multiplicada por esta tensão induzida, recebe o nome de potência reativa. Esta potência reativa é considerada como uma potência desperdiçada, pois ela não esta realizando trabalho nenhum, visto que, teóricamente o circuito já foi desligado, mas a corrente continua a circular por ele por inércia.
Esta inércia elétrica, em virtude da corrente de magnetização do núcleo, recebe o nome de histerése magnética. A histerése magnética é responsável tanto pela impedância na bobina, pelos elétrons do núcleo que se aproximam da mesma, gerando uma força de repulsão, como também pela potência reativa, que ocorre quando a tensão da fonte na bobina começa a diminuir, e os íons positivos do núcleo, atraem devolta seus respectivos elétrons, provocando também uma força de atração sobre os elétrons do fio da bobina.
Devido a impedância na bobina, a corrente elétrica encontra-se atrasada em relação à tensão. Pois quando ocorre o acúmulo de elétrons do núcleo nas proximidades da bobina, e a força de repulsão é gerada, inicialmente existe uma tensão da fonte aplicada sobre a bobina, mas a corrente não surge imediatamente, e sim vai subindo aos poucos, até o acúmulo de elétrons no núcleo cessar, diminuindo a força de repulsão e a impedância, e a corrente então podendo circular livremente.
Este ângulo de defasagem ɸ, está intrínsicamente relacionado a permeabilidade magnética do núcleo, pois quanto maior ela for, mais ions positivos serão formados no núcleo pela corrente de magnetização, e mais potência reativa é gerada na bobina, sendo um fator determinante, chamado de fator de potência.
Isso significa que a bobina está sujeita a uma outra lei da física, a lei da “Ação e Reação”, pois a corrente de magnetização que se acumula no núcleo próximo a bobina, retornará aos íons positivos gerando potência reativa. Por isto, um indutor também é chamado de reator, bastante utilizado em lâmpadas fluorescentes e de vapor metálico, para elevar a tensão a um valor adequado para acender a lâmpada, e por meio da impedância, fazer a corrente se estabilizar, impedindo que ela aumente muito ao ponto de queimar a lâmpada e fazer ela estourar.
OBS . É bom para o estudante de Física ou Eletrônica , desmontar uma lâmpada fluorescente e observar todo o seu funcionamento , eu mesmo já fiz isso , logo quando comecei a estudar Física no segundo grau colegial . Uma outra coisa muito importante para o Técnico em Eletrônica fazer ( para conserto de equipamentos eletrônicos ) é à Lâmpada em Série . Ajuda muito no conserto de equipamentos.
Um ensaio utilizado para determinar o fator de potência de uma bobina, é com a utilização de um osciloscópio, que tenha no mínimo dois canais, e um varivolt. Ligando-se uma ponteira em paralelo com a bobina para se medir a tensão, e a outra ponteira em série com a bobina para medir a corrente, poderá ser visualizado na tela do osciloscópio, o ângulo de defasagem entre a tensão e a corrente.
Transformador
Transformador é uma máquina elétrica utilizado para elevar ou abaixar uma tensão, ou ainda cumprir a função de isolação.
É composto de duas ou mais bobinas, sendo uma primária e outra secundária, e um núclelo. No exemplo anterior, foi tomado como núcleo, o próprio ar, mas como o mesmo possui uma baixa permeabilidade magnética, normalmente num transformador é utilizado as ligas de ferro-silício, que proporcionam uma densidade magnética melhor.
O funcionamento do transformador é da seguinte forma: quando pelo enrolamento primário circula uma corrente alternada, no semiciclo positivo da mesma, os elétrons do núcleo se deslocam para próximo desta bobina, formando íons positivos na outra extremidade, onde encontra-se o enrolamento secundário. Estes íons positivos do núcleo, por sua vez atraem os elétrons do enrolamento secundário, induzindo uma corrente elétrica nele.
Quando o sentido da corrente alternada, muda para o semiciclo negativo no enrolamento primário, os elétrons do núcleo acumulados próximo a ele, são repelidos em direção ao secundário, os quais repelem os elétrons atarídos no enrolamento secundário, induzindo uma corrente no outro sentido no mesmo.
A corrente de magnetização no núcleo (Corrente de Focault), pode representar perdas para o transformador, pois ela induz uma força contra-elétromotriz no primário e no secundário aumentando a impedância nos mesmos, e reduzindo seus rendimentos. Outro problema é que esta corrente no núcleo pode chegar a valores elevados, provocando também o aquecimento do transformador. Para evitar que isto ocorra, o núcleo é construído por meio de lâminas, ao invés de ser construído de forma maciça. Esta corrente deve ser controlada, mas nunca extinta, pois se ela também deixar de existir, a permeabilidade magnética do núcleo será muito pequena, e por consequência quase que nenhuma tensão e corrente surgirá no secundário.
As perdas que ocorrem num transformador real são:
-Perdas no primário, pela resitência ôhmica do fio da bobina, e também da sua impedância, devido a força contra elétromotriz induzida sobre ele mesmo por meio do núcleo.
-Perdas no ferro ou núcleo, pois o enrolamento primário não consegue produzir toda a corrente de magnetização no núcleo, que deveria, para induzir corrente no secundário, devido a sua resistência ôhmica, os artifícios utilizados para reduzir as Corrente de Focault, também contibuem com isto. Além desta resistência, exite ainda a impedância que tanto o primário como o secundário induzem no núclelo.
-E as perdas no secundário, que ocorrem da mesma forma, como no enrolamento primário.
De modo geral, todo transformador passa por uma bateria de testes, para fazer o levantamento de alguns parâmetros.
-Para se determinar o fator de potência, utiliza-se um osciloscópio em um varivolt, conforme mencionado anteriormente, tanto na bobina primária, como secundária.
- Testa-se com ôhmimetro a continuidade das bobinas, e com um megôhmetro, se não existe nennhum curto circuito entre elas, ou entre elas e o núcleo ou entre a carcaça do transformador.
O ensaio a vazio, é feito com a bobina secundária aberta, e ligando-se na bobina primária, um voltimetro, um amperímetro e um waltímetro, alimentando com um varivolt, para determinar as perdas no ferro ou núcleo. Para a construção do modelo esquemático do transformador real, e também a relação de transformação.
Para isto, alimenta-se o primário com uma fonte varivolt, e observa-se os valores das grandezas elétricas indicadas pelos instrumentos, e compara-se estes valores com a tensão que é induzida no secundário.
O ensaio em curto circuito, serve para se verificcar as perdas tanto pela resistência ôhmica no fio fio de cobre, como também a impedância induzida pela outra bobina sobre esta em questão. Este teste é feito tanto no enrolamento primário, como no secundário .
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