Aula 05 - Experimentos com Kit Bender

Figura 01 - Transformador Desmontável Bender

Normalmente a energia elétrica não é gerada sob a forma e parâmetros apropriados a uma determinada utilização e, assim sendo, o problema de alterações nos valores de tensões e correntes apareceu logo nas primeiras aplicações industriais. 
Os aparelhos imaginados para resolver tais problemas são de concepções que datam de mais de um século.

Figura 02 - Fotos do Transformador desmontável Bender

Tais aparelhos recebem a denominação genérica  de transformadores e são melhores conhecidos sob adjetivos que especificam mais acuradamente suas funções particulares, tais como: elevadores de tensão, abaixadores de tensão, de isolamento, casadores de impedância, de modulação, de acoplamento, de pulso, de saída, etc.
Vamos nos restringir ao uso de um transformador desmontável para fins didáticos. 
A figura 01 ilustra as partes que constituem esse 'kit Bender', que provavelmente já existente em muitas escolas e faculdades.
A figura 02 temos parte das peças que constituem o kit Bender sobre a bancada.

Experimentos com o 'kit Bender'

O 'transformador utilizado no kit possui um núcleo desmontável com área de 40 x 40 mm, o qual define a potência máxima deste transformador, veja figura 03. 

Figura 03 - Dimensões do núcleo 

Como primário usamos a bobina de 250 espiras (ou a de 300 espiras) e como secundário a bobina de tubo de cobre com 5 ou 6 espiras, veja figura 04.
Se a tensão aplicada é de U_p = 120 VAC, a corrente no primário ficará ao redor dos 5 A (I_p = 5 A); se usarmos a bobina de 300 espiras no primário e a de 5 espiras no secundário teremos a seguinte corrente:

Ip/Is = Ns/Np ;
Is = Ip.Np/Ns ;
Is = 5.300/5 ;
Is = 300 A .

Experimento 1 - Modo para se obter altas intensidades de correntes. Aplicação: Solda elétrica.

Figura 04 - Aplicação de transformador - Solda Elétrica 

O transformador ilustrado na figura 04 é utilizado para demonstrar o funcionamento de uma solda elétrica.

O secundário é uma bobina de 5 espiras feitas com um tubo de cobre de parede espessa e cerca de 1 cm de diâmetro. Quando o secundário é posto em curto circuito a corrente assume valores de centenas de ampères.
Dois pregos (ou pedaços de arame) são colocados na parte de soldagem e, quando entram em contato, esquentam até o rubro e, eventualmente, se fundem.

Figura 05 - Fotos do experimento (A) - Solda Elétrica

Várias tiras pequenas de metal podem ser colocadas entre os pontos de solda; quando estes são apertados contra elas, soldam-se, veja figura 05.
uma às outras. Há um tubo isolante (fibra) separando o núcleo de ferro das espiras do secundário.
Veja o vídeo do experimento no link: Solda Elétrica com Kit Bender .

Experimento 2 - Modo para levitar objetos. Aplicação: Anel de Thompson.

Figura 06 - Foto do experimento (B) - Anel de Thompson

O anel de Thompson ou vulgarmente anel saltitante, é essencialmente um transformador de núcleo aberto no qual a bobina secundária se reduz a uma única espira de fio grosso. Na prática, o secundário  é um anel metálico, normalmente de alumínio, de paredes grossas, veja  figura 06.

Quando a bobina primária (250 ou 300 espiras de fio de cobre esmaltado para corrente de 5 a 10 A) está conectada à rede elétrica (117 VAC), a corrente induzida na bobina secundária (anel metálico de parede grossa) é muito intensa (faça os cálculos!) e gera um forte campo magnético em seu interior.
A lei de Lenz aplicada ao sentido dessa corrente justifica a concordância das polaridades desses dois campos (o indutor e o induzido) e a conseqüente força de repulsão que surge no anel, fazendo-o saltar. Obviamente no sistema indutor (núcleo e bobina primária) aparece a reação dessa força de repulsão, comprimindo o sistema contra a mesa (ou sobre o prato de uma balança de molas, se o intuito do experimento é constatar o valor médio da intensidade dessa força, ou a validade da terceira lei de Newton).
É muito interessante observar o que ocorrerá quando o anel de alumínio (material mais utilizado) é resfriado em nitrogênio líquido. Tal resfriamento aumenta substancialmente a condutividade do material do anel, a corrente induzida adquire valores especialmente notáveis e o anel congelado saltará muito mais alto.

Figura 07 - Aplicação de transformador - Anel de Thompson 

Se a bobina primária é 'energizada' e então abandonarmos o anel no centro do núcleo de ferro, ele irá levitar. Se tentarmos arrastá-lo para baixo, até o topo da bobina primária, iremos sentir uma força repulsiva muito intensa; talvez até consigamos levá-lo até lá --- mas, prepare-se para soltá-lo rapidamente pois o aquecimento que se manifestará será um bocado intenso.
Não nos esqueçamos da lei de Joule! A energia desenvolvida sob a forma de calor é proporcional à resistência elétrica do anel, ao quadrado da intensidade de corrente nele induzida e do intervalo de tempo que dura a indução.
Para uma explicação rápida do fenômeno basta informar que a bobina primária e o anel secundário comportam-se como duas barras magnéticas cujos pólos de mesmo polaridade se defrontam.
Para que o anel salte, o campo magnético gerado pela bobina não pode estar confinado ao núcleo (o que acontece quando o núcleo está fechado, como na foto ao lado). Ele deve se 'espalhar', de modo que B (vetor indução magnética) admita um componente vertical (que é responsável pelo estrangulamento do anel) e um componente horizontal/radial (que é responsável pela repulsão do anel para cima).

Figura 08 -  Transformador com núcleo fechado.

Se substituirmos o anel rígido por uma espiral toroidal fechada de fio de cobre, pode-se verificar o estrangulamento do anel toroidal.
Quando o fluxo está crescendo, o sentido da força de Lorentz sobre o anel é o de repulsão e, quando está decrescendo, é o de atração.
Este fato e a inércia do anel deveria impedir qualquer movimento, todavia, o desequilíbrio ocorre por conta da pequena indutância do anel, que atrasa um pouco a corrente e faz com que, numa pequena fração do ciclo, ocorra a concordância entre o sentido da corrente e o do campo, necessário para ocorrer a repulsão, conforme ilustração da figura 07.
Obviamente nenhuma das explicações dadas para o anel saltador aqui apresentadas no texto acima é completa; o aluno do ensino médio ainda não tem os recursos necessários para o entendimento da não uniformidade de campo magnético que se origina no núcleo e seus efeitos sobre o anel. Se fecharmos o núcleo (como na ilustração acima) o anel não mais apresentará qualquer tendência de 'saltar'; o que justifica esse meu parágrafo sobre a 'não uniformidade do campo'.
Com o núcleo fechado (conforme ilustração da figura 08) não ocorre considerável espalhamento do campo para fora do núcleo, o que é indispensável para o pulo do anel.

Veja o vídeo do experimento no link: Anel de Thompson com Kit Bender .

Experimento 3 - Modo para se obter altíssima intensidade de correntes. Aplicação: Forno de Indução.

Figura 09 - Aplicação de transformador - Forno Magnético

Para esta experimentação usamos da "calha". Esta consiste de um aro metálico (cobre ou latão), que comporta uma canaleta (um rebaixo) no círculo médio, fixado a um punho de madeira. No fundo é uma chapa circular com um sulco na região central capaz de reter uma pequena quantidade de água. Montando o sistema como se ilustra e ligando-se a corrente primária esta água ferve em segundos (2 ou 3 segundos!). Em 5 s toda a água já terá se vaporizado. Colocando-se a cabeça de um palito de fósforo nesta calha (em substituição à água), o fósforo arderá em segundos. A calha passa a ser uma espira única e de resistência desprezível; a corrente induzida alcança a casa dos mil ampères facilmente.
Veja o vídeo do experimento no link: Solda de Indução com Kit Bender .

Experimento 4 - Modo para se obter alta tensão - Aplicação: Chifre elétrico.

Figura 10 - Aplicação de transformador - Chifre Elétrico

O transformador elevador de tensão apresenta como primário uma bobina de 150 ou 300 espiras e como secundário uma bobina de 12 000 ou 24 000 espiras. A razão de transformação é a mesma nos dois casos:

Figura 11 - Foto de Aplicação de transformador - Chifre Elétrico

                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 150/12000 ==> Us = 8 800 V~
                          Up/Us = Np/Ns  , então,  110V~/Us = 300/24000 ==> Us = 8 800 V~

Nos terminais da bobina secundário, onde teremos disponível a alta tensão alternada, ligam-se duas varetas metálicas, dispostas na vertical, em forma de V, lembrando um par de chifres. Eis as ilustrações da fira 10 e 11.
Os detalhes do funcionamento e as causas da subida da faísca nos chifres podem ser vistos, em detalhes, no trabalho que trata especificamente do "chifre elétrico".
Veja o vídeo do experimento no link: Arco Elétrico com Kit Bender .

Experimento 5 -  A corrente no primário depende da carga no secundário.

Uma lâmpada de 117V/40W colocada em série com o primário (250 ou 300 espiras) acende com fraco brilho quando o secundário (que contém uma lâmpada de automóvel de 12V/70W) está aberto.

Figura 12 - Foto de Aplicação de transformador
Correntes primário e secundário

Ao se fechar o circuito secundário, a lâmpada de 12V brilha e a lâmpada da 110V/40W brilha mais intensamente, acusando um aumento da intensidade de corrente no primário.

Referências: Figuras e Texto retirado do site Feira de Ciências.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 21/01/2017