Aula 07 - Testes elétricos de Transformadores Monofásicos

Figura 01 - Transformador Mono

Os testes elétricos para determinar o estado dos enrolamentos de um transformador deve ser executados com Mili-ohmímetro e Megômetro. Os Testes elétricos a serem realizados são: resistência do isolamento; resistência ôhmica.

Caso os transformadores possuam sensores de temperatura devemos: Sensores: identificar o tipo do sensor, medir a temperatura de desligamento e efetuar testes para certificar-se do estado de sua integridade física e capacidade de funcionamento. Os resultados dos testes elétricos determinarão o estado dos enrolamentos das bobinas primárias e secundárias,  indicando se o mesmo está bom ou deve ser reenrolado.

A primeira tarefa para ser realizado no ensaio de transformadores é a identificação do primário e secundário do transformador. Isto é feito realizando a medida de resistência dos bobinados. As medidas de Resistência do Primário e Secundário são realizadas com a Ponte de Wheatstone.

1.1 - Medidas de Resistência do Primário e Secundário com Ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone é um método mais refinado de se determinar a resistência do primário e secundário do transformador.

Ela consiste na utilização de um galvanômetro, dois resistores de resistência conhecida (R1 e R2) e outro de resistência variável (RV), além de uma fonte de tensão. 

Quando os produtos cruzados dos resistores da ponte de Wheatstone forem iguais, o galvanômetro não indicará nenhuma corrente elétrica no ramo CD. Nesta situação, dizemos que a ponte está em equilíbrio. 

Figura 02 - Ponte de Wheatstone

Com isso é possível determinar a resistência desconhecida. Sendo o transformador do tipo abaixador a resistência do secundário é menor que a do primário, logo realizando as medidas de resistência no enrolamentos é possível determinar o primário e secundário do transformador.
Para calcular o comprimento do fio utilizado no transformador usamos a fórmula da resistência de um fio de cobre.
Para isso devemos medir com o micrômetro o diâmetro deste fio e determinar a seção transversal. Como exemplo temos o fio número 16 AWG (diâmetro 1,3mm) utilizamos a 2ª lei de Ohm, a resistência R de um fio metálico uniforme e isotrópico é dada em função de sua resistividade ρ, comprimento L e a área A da sua secção transversal, assim: R = ρ L/A
A resistividade do cobre à 20ºC é de: 0,0172 Ω.mm
Sendo o diâmetro de 1,3 mm, seu raio é de 0,65 mm e área é dada por:
A = πR²
A ≈ 3,14 . (0,65)²
A ≈ 1,33 mm²
Só falta agora saber a resistência do fio medida com a ponte de Wheatstone e aplicar na fórmula e você terá um valor bem aproximado do comprimento do fio. Com isso saberemos como o transformador foi construído.

1.2 - Medidas de Isolação do Transformador com Megômetro
Outro dos testes mais necessários antes de energizar qualquer motor elétrico trifásico é medir a resistência do isolamento. A resistência de isolamento de um motor ou gerador pode variar conforme seu tamanho ou pelas características de seu projeto. As medidas, ainda, podem ser afetadas pelas condições de umidade, temperatura ou pela magnitude do teste e sua duração Tem-se como padrão considerar que a resistência mínima de um isolamento nunca poderá estar abaixo do resultado da seguinte fórmula:
Rm = Tensão nominal em kV + 1, (em MΩ) a 40ºC

Se o equipamento estiver em outra temperatura, será necessário efetuar os cálculos para correção ao equivalente ao valor de 40ºC.
Passo 1: Conecte o terminal de saída cor preta do Megôhmetro no cabo 1 do transformador e o terminal de saída cor vermelha do Megôhmetro no no cabo 2 do transformador.
Observe que estamos passando o Megôhmetro na escala de 500V, mesmo para motores ligados internamente para menores tensões, podemos fazer a medição da resistência do isolamento usando Megôhmetro na escala  de 500V.

Figura 05 - Megômetro

Lembre-se que você está trabalhando com tensões de 500V a 5000V e, portanto, deve tomar todos os cuidados necessários para proteger sua integridade física e a integridade dos demais.
Antes de ligar o Megôhmetro, certifique-se se todas as medidas de segurança estão sendo obedecidas e se você está usando os EPI´s apropriados para essa operação. Se necessário, isole a área onde você estará realizando o teste.
Passo 2: Ligue o Megôhmetro, aperte a tecla de medida e observe o valor medido. Estabilizado o valor, dispare o cronômetro e espere 60 segundos, com esse tempo podemos verificar índice de polarização e absorção. Anote em uma ficha o valor obtido, considerando a escala que você utilizou.
Conecte o terminal vermelho do Megôhmetro ao cabo 2 e repita as operações dos passos e anote os resultados. Conecte o terminal preto do Megôhmetro ao cabo 3 do transformador, repita as operações e anote os resultados. Como se trata de um transformador de 8 pontas, repita as mesmas operações para os cabos 4, 5, 6, 7 e 8 e terá concluída a medição de resistência entre bobinas do transformador.
Para medir a resistência do isolamento contra massa, você deve proceder da mesma forma que foi mostrado anteriormente. A diferença, agora, é que você vai medir a resistência do isolamento contra massa e não mais contra as fases do transformador. Observe que o cabo preto do Megôhmetro deverá ficar firmemente fixado à carcaça do transformador.

Figura 06 - Uso de Megômetro

Da mesma forma que fizemos anteriormente, devemos registrar num formulário os valores obtidos na medição da resistência do isolamento do transformador contra massa. Terminado o processo de medição da resistência do isolamento tanto entre fases do motor quanto contra massa, podemos considerar o transformador apto a entrar em operação se os valores obtidos atenderem ao mínimo estabelecido pela fórmula vista no início deste trabalho.

1.3 - Identificação de início e fim de bobina em transformadores
Trata-se da aplicação de tensão nos enrolamentos do transformador para obtenção do sentido de enrolamento do mesmo.

O  método que pode ser utilizado para identificação de inicio e fim de bobina é do golpe indutivo com corrente contínua.

Figura 07 - Golpe Indutivo

Liga-se os terminais de tensão superior H1 e H2 a uma fonte de corrente contínua e instala-se um voltímetro entre esses terminais de modo a obter uma deflexão positiva ao se ligar a fonte CC. Em seguida, transfere-se o voltímetro para os terminais de baixa tensão, desliga-se a tensão de alimentação e observa-se o sentido de deflexão do voltímetro; quando as duas deflexões são em sentidos IGUAIS a polaridade é ADITIVA.

O arquivo para análise de isolação de máquinas elétricas com Megômetro digital elaborado por Sinésio Gomes pode ser baixado em: 23_08_03 Manutenção - Análise de isolação e continuidade de máquinas elétricas – Máquina desligada.

Manual do Megohmetro: Instrutherm MI 390.

Manual do Medidor LCR Meter:  LCR Meter CHY 41R.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 17/02/2017

Aula 06 - Projeto de Pequenos Transformadores Monofásicos

Figura 01 - Transformador Monofásico

Transformador Monofásico é um equipamento elétrico usado em transformar correntes, impedâncias e tensões. Transforma o valor da tensão, por exemplo, de 110 Volt para 24 Volt, ou vice-versa. 

Esta capacidade do transformador permitiu a  grande expansão no transporte, distribuição e utilização da energia  elétrica e, juntamente com o motor de corrente alternada, mostrou o grande interesse da utilização da corrente alternada, numa época em que se confrontavam idéias sobre a melhor maneira de usar a energia elétrica, se sob a forma de corrente contínua ou sob a forma de corrente alternada.

No transformador  monofásico existe um núcleo de ferro em torno do qual estão montadas duas bobinas, uma para receber a tensão (o primário) e outra para fornecer a tensão (o secundário).

Para projetarmos um transformador, é necessário primeiro definir o tipo e a finalidade do mesmo, se é para uso como estabilizador, isolador de corrente ou simplesmente como transformador de voltagem.

Figura 02 - Núcleo de Transformador

Definindo o seu uso, vamos definir as voltagens dos enrolamentos, se os mesmos serão de uso contínuo ou intermitente e qual a potencia que necessitamos. 
Vamos fazer nosso projeto calculando a bitola do  fio, numero de espiras de cada bobina, sessão em mm² do ferro silício etc.

Neste material concentraremos o procedimento de cálculo de um transformador abaixador com tensão de entrada de 220V, tensão de saída 24V e corrente de saída 4A e freqüência de operação 60 hz. .

Devemos calcular a ferragem de chapas de ferro silício para transformador  do tipo encouraçado definindo as medidas da perna central (Seção Bruta = 2a x b) que é a área do núcleo, e o numero de chapas, geralmente é 0,3556 mm. Continuamos o cálculo passo a passo.

Figura 03 - Carretel em bobinadeira manual

Na figura 02 são determinadas as medidas proporcionais do ferro silício, no transformador. Tanto as parte laterais quanto as superiores e inferiores (a) devem ter as mesmas medidas, a parte central deve ter o dobro da medida (2a).
Calculamos também as espiras do enrolamentos primários sendo de fio esmaltado derivado em duas seções (110 + 110). As espiras do enrolamentos secundário são de fio esmaltado derivado em duas seções (12 + 12). 
Os carretéis comerciais (Tabela 01) utilizados na montagem de transformadores têm dimensões padronizadas.

A densidade de corrente que iremos trabalhar é de 4A/mm2. 

Para melhorar a qualidade deste transformador, daremos uma demão de esmalte isolante em todas as chapas de ferro silício e isolaremos cada camada dos enrolamentos com um papel isolante de 0,1mm sendo que entre o primário e o secundário uma camada isolante de 0,2mm.

Figura 04 - Isolação entre Bobinas

No acabamento final de todos os enrolamentos, para proteger as pontas dos mesmos que ficarão externas, passaremos uma fita auto-adesiva de papel isolante de 0,4mm. Podemos dar um banho de esmalte isolante no transformador depois de pronto.
Para enrolarmos transformadores, devemos separar tiras de papel isolante, cola branca, cadarço, carretel e chapas de aço silício.
Devemos enrolar uma espira do lado da outra, bem organizada, esta organização é extremamente importante para caber as laminas no carretel após tudo feito. 

Para iniciar o enrolamento de um transformador , o carretel deve ter um orifício na aba lateral, rente ao fundo do carretel, verificando o lado que permanece fora do núcleo; as espiras devem ficar unidas, tanto quanto possível, uma das outras para otimizar do espaço existente; o isolamento entre camadas é feito com uma fibra de papel impermeável de baixa espessura. 
A inserção de uma fibra isolante entre o final do enrolamento primário e o início do enrolamento secundário é fundamental devido a maior diferença de potencial existente. Use uma tensão mecânica adequada nos condutores, durante a colocação dos enrolamentos. Esforços maiores poderão romper o fio, ou em caso contrário, as espiras ficarão frouxas dificultando a sua acomodação.

Tabela 01 - Roteiro de Cálculo.

A saída do terminal do enrolamento deve ser feita ao lado da extremidade onde ocorreu a entrada do enrolamento. Coloque um espaguete fino para isolar o condutor da camada inferior. O restante da última camada, quando não tiver o total das espiras, poderá ser preenchida por uma fibra isolante cuja espessura deverá ser a mais próxima possível do diâmetro do fio. Desta forma a camada ficará bem nivelada, permitindo um melhor acabamento. 
O enrolamento secundário deverá ter seus terminais, no lado oposto ao do enrolamento primário. Use uma fibra isolante final para o encerramento dos enrolamentos e proteção do conjunto. Efetue a secagem em estufa com temperatura controlada para retirar a umidade e providencie a impregnação com verniz apropriado a fim de aumentar o poder de isolação, evitando a penetração de umidade e reduzindo os efeitos da vibração entre espiras e das chapas do núcleo. Faça uma avaliação da performace do transformador construído efetuando os testes de resistência do isolamento, continuidade dos circuitos, corrente a vazio, perdas no cobre e no ferro.

O roteiro para cálculo de transformadores pode ser baixado em: Aula 01 - Projeto de pequenos Transformadores  Monofásicos.

Aplicativo para cálculo de transformadores pode ser acessado em: Aplicativo - Cálculo de transformador.

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

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

Aula 05 - Fundamentos de Eletroquímica

 Eletroquímica é um ramo da Química em que se correlaciona o envolvimento de reações químicas com corrente elétrica e potencial elétrico. Algumas reações podem gerar corrente elétrica espontaneamente, enquanto outras podem necessitar de corrente elétrica para acontecer. Assim sendo, a eletroquímica estuda como mudanças químicas e elétricas ocorrem no sistema de acordo com a passagem de uma corrente elétrica.
A eletroquímica é um importante campo, pois ajuda a desenvolver tecnologias e materiais que atendem ao mundo moderno. Graças a ela, temos o desenvolvimento de baterias (como as de íon lítio), células solares, técnicas de produção de diversas substâncias químicas e metais pela eletrólise, além de técnicas de contenção da corrosão, um grande problema estrutural. As reações que ocorrem em processos eletroquímicos são chamadas de reações de oxirredução.
As reações de oxirredução (ou reações redox) são assim chamadas porque englobam duas semirreações importantes, que ocorrem de forma concomitante: a de oxidação e a de redução.

Fig.1 - Oxiredução: Zn e Cu

Durante uma reação de oxirredução ocorre a transferência de um ou mais elétrons de uma espécie oxidada (a qual perde elétrons) para uma espécie reduzida (a qual ganha elétrons).
Por exemplo, vê-se a reação de oxirredução a seguir:
Zn (s) + Cu2+ (aq) → Zn2+ (aq) + Cu (s)
Perceba que o zinco perdeu, durante a oxidação, dois elétrons da sua estrutura e teve seu número de oxidação aumentado durante o processo (passou de 0 para +2), já o cobre, ao contrário, sofre uma redução.

Pilha de Volta

Fig.2 - Pilha de Volta

A primeira contribuição da eletroquímica foi a pilha desenvolvida pelo cientista italiano Alessandro Volta. Ela possuía esse nome por se tratar de discos dos metais zinco e prata empilhados de formas alternadas, os quais eram separados por folhas de papel embebidas com solução de cloreto de sódio. Foi o primeiro dispositivo de armazenamento de eletricidade.

Pilha de Daniell

Fig.3 - Pilha de Daniell

Foi desenvolvida pelo cientista inglês John Frederic Daniell, no ano de 1836, servindo de modelo para as pilhas posteriores. A célula galvânica desenvolvida por Daniell utiliza uma reação espontânea de oxidação de zinco e redução de cobre para a geração de cerca de 1,1 V de potencial elétrico.
Nesta, os metais (ou condutores metálicos) são chamados de eletrodos: o zinco, que é o eletrodo em que ocorre a oxidação, é chamado de ânodo (ou anodo); enquanto o cobre, que é o eletrodo em que ocorre a redução, é chamado de cátodo (ou catodo). Assim sendo, os elétrons migram do eletrodo de zinco em direção ao eletrodo de cobre, dando origem a uma corrente elétrica capaz de realizar trabalho elétrico.
Tais eletrodos estão ligados por um fio conector, porém imersos, cada um, em uma respectiva solução chamada de solução eletrolítica (um meio condutor iônico): o zinco metálico em uma solução de sulfato de zinco (rica em íons Zn2+) e o cobre metálico em uma solução de sulfato de cobre (rica em íons Cu2+).
Em uma solução eletrolítica, a corrente elétrica é carregada pela movimentação dos íons. Assim sendo, as soluções de sulfato de zinco e cobre estão conectadas para fechar o circuito, seja por uma parede membranosa, seja por uma ponte salina, que também possuem a função de manter a eletroneutralidade do sistema.

Eletrólises
São reações redox não espontâneas, sendo necessária a utilização da corrente elétrica para direcioná-las no sentido direto da formação dos produtos desejados. A eletrólise pode ocorrer na presença de água ou não (ígnea).

Fig.4 - Eletrólise

A eletrólise é muito utilizada na indústria, pois por meio dela é possível isolar algumas substâncias fundamentais para muitos processos de produção, como o alumínio, o cloro, o hidróxido de sódio, etc. Além disso, também é um processo que purifica e protege (revestimento) vários metais.
Esse tipo de reação é muito utilizado na indústria, principalmente para a produção de metais. Veja o exemplo de eletrólise do NaCl (cloreto de sódio – sal de cozinha), com produção do sódio metálico e do gás cloro: 2 Na+ + 2 Cl- → 2 Na + Cl2

Como a eletrólise ocorre em meio aquoso, a água fornece o cátion hidrônio (H+) e o ânion hidróxido (OH-). O outro cátion e o outro ânion pertencem geralmente a um sal inorgânico que foi dissolvido na água, o que favorece a dissociação ou liberação de íons por parte do sal.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017

Aula 04 - Fundamentos de eletromagnetismo

A descoberta do Magnetismo remonta a 3000 a.C., quando na Ásia Menor um pastor observou que a ponta metálica do seu cajado era muitos vezes atraída pelo solo. Após algumas observações, o pastor concluiu que essa atração era exercida por uma espécie de rocha a que se deu o nome de Magnetite.
Também na Grécia Antiga, um filósofo de nome Tales observou que pequenos objetos eram atraídos pelo âmbar, depois de friccionado. Como não havia explicação para este fenômeno, atribuía-se a esta resina fóssil um poder mágico. Muitos séculos mais tarde, descobriu-se que outros materiais, depois de friccionados, também atraíam outros corpos. Esta propriedade passou a chamar-se eletricidade, que deriva do grego Elektron, que significa âmbar.
Em 1800 Alessandro Volta fez uma interessante descoberta que permitiu uma melhor compreensão dos fenômenos elétricos. Alessandro Volta consegue finalmente construir uma pilha, a pilha de Volta, o que permitiu inúmeras pesquisas no que diz respeito aos fenômenos elétricos.
Vinte anos mais tarde, em 1820, um cientista de nome Oersted descobre, por acaso, que um fio quando percorrido por corrente eléctrica exerce um efeito, semelhante ao de um ímã, sobre uma agulha magnética.
Estabelece-se assim a ligação entre Eletricidade e Magnetismo.
Em 1820, Hans Christian Oersted (1777-1851) mostrou que uma bússola sofria deflexão quando era colocada perto de um fio percorrido por uma corrente. Por outro lado era conhecido que campos magnéticos produzem deflexão em bússola, o que levou Oersted a concluir que correntes elétricas induzem campos magnéticos. Com isto ele havia encontrado, então, uma conexão entre eletricidade e o magnetismo. Ele observou também, que os campos magnéticos produzidos por correntes elétricas, em um fio retilíneo, tinham a forma de círculos concêntricos como mostra a figura (a). O sentido destas linhas é indicado pelo norte da bússola. Uma outra forma de se determinar o sentido das linhas de B é usar a regra da mão direita, a qual é mostrada esquematicamente figura (b).

Há muito tempo se observou que certos corpos tem a propriedade de atrair o ferro. Esses corpos foram chamados ímãs. Essa propriedade dos ímãs foi observada pela primeira vez com o tetróxido de triferro, numa região da Ásia, chamada Magnésia. Por causa desse fato esse minério de ferro é chamado magnetita, e os ímãs também são chamados magnetos.

A magnetita é o ímã que se encontra na natureza: é o ímã natural. Mas, podemos fazer com que os corpos que normalmente não são ímãs se tornem ímãs. Os ímãs obtidos desse modo são chamados ímãs artificiais. Chamamos corpo neutro àquele que não tem propriedade magnética; corpo imantado àquele que se tornou ímã. Chamamos imantação ao processo pelo qual um corpo neutro se torna imantado. Teoricamente, qualquer corpo pode se tornar um ímã. Mas a maioria dos corpos oferece uma resistência muito grande à imantação. Os corpos que se imantam com grande facilidade são o ferro e certas ligas de ferro usadas na fabricação de ímãs permanentes. Uma dessa ligas é o ALNICO, composta de ferro, alumínio, níquel, cobre e cobalto.

Os principais processos de imantação são: Por indução magnética que é o fenômeno pelo qual uma barra de ferro se imanta quando fica próxima de um ímã. Por "aproximação" no qual uma barra de ferro neutra é colocada próxima de um ímã, ela se imanta. Por corrente elétrica onde temos um condutor enrolado em uma barra de ferro e percorrido por uma corrente elétrica; a barra de ferro se torna um ímã. Como a imantação foi obtida por meio de uma corrente elétrica, esse ímã é chamado eletroímã. 

Há bastante aplicações para os eletroímãs pois conseguimos obter eletroímãs muito mais possantes do que os ímãs naturais e ter o controle do eletroímã, controlando a corrente que passa pelo condutor; assim, aumentando a intensidade da corrente, o eletroímã se torna mais possante; suprimindo-se a corrente, ele deixa de funcionar.

Indução eletromagnética

Vários cientistas colaboram com trabalhos na área de magnetismo e eletromagnetismo. Em 1820 o físico dinamarquês Hans Oersted (1777-1851) descobriu que a agulha magnética de uma bússola era defletida quando colocada próxima de um condutor percorrido por uma corrente elétrica.

Até esta época a maneira conhecida de gerar corrente elétrica era através das pilhas voltaicas. A idéia de gerar energia elétrica através do magnetismo levou vários físicos a estudarem a possibilidade de inverter os efeitos obtidos nas experiências de Oersted.

Michael Faraday (1791 – 1867) acreditava que a eletricidade, o magnetismo e a gravidade poderiam ser fenômenos descritos em uma única teoria. Após vários estudos, em 1831, Faraday provou que a eletricidade e o magnetismo estavam ligados.

Enrolando dois fios em lados opostos de um anel metálico, com um dos fios ligado a uma bateria e outro a um medidor de corrente, Faraday demonstrou que a variação de um campo magnético gera corrente elétrica. O desenho abaixo mostra o esquema da experiência de Faraday.

O fenômeno observado nesta experiência é chamado de indução eletromagnética e serviu como base para a teoria eletromagnética que foi desenvolvida posteriormente. Esta descoberta revolucionou a indústria e mudou o mundo. Até hoje utilizamos este conhecimento para gerar energia elétrica em usinas hidroelétricas e em vários aparelhos que contém um dínamo.

O dínamo é constituído por um imã fixo em um eixo móvel, ao redor deste eixo existe uma bobina (fio condutor enrolado, constituindo um conjunto de espiras). Não existe contato físico entre o imã e a bobina. O imã gira com a bobina ao seu redor. Este movimento gera a variação do campo magnético do imã, surgindo então, uma corrente elétrica no conjunto de espiras da bobina.

Permeabilidade magnética
A propriedade de um material pela qual ele muda a indução de um campo magnético, em relação ao seu valor no ar, é chamada permeabilidade (m). A permeabilidade do ar é a de valor unitário, mar = 1.

As permeabilidades das substâncias ditas diamagnéticas são ligeiramente inferiores a uma unidade, ao passo que as permeabilidades de substâncias paramagnéticas são ligeiramente maiores do que a unidade. A permeabilidade é uma razão de densidades de fluxo e, por conseguinte, não tem dimensão.
Se uma folha de ferro cobre um ímã, não existe campo magnético acima da folha, porque o fluxo entra no ferro e segue um trajeto inteiramente dentro do próprio ferro. A indução magnética no ferro é maior do que no ar; por conseguinte, diz-se que o ferro tem elevada permeabilidade. As permeabilidades de outras substâncias ferromagnéticas também são muito altas.
À esquerda, as linhas de fluxo que cruzam o entreferro de um ímã. À direita, as linhas de fluxo magnético acompanham o anel de ferro doce, que é mais permeável do que o ar.

Quando colocamos uma barra de ferro doce num campo magnético, devido à sua permeabilidade, o campo é distorcido e o fluxo magnético passa pelo ferro, em vez de pelo ar. A barra de ferro doce se transforma num ímã, nessas circunstâncias, com a extremidade A como pólo S e com a B como pólo N. Diz-se que essa barra está imantada por indução. O magnetismo produzido numa substância ferromagnética, pela influência de um campo magnético, é chamado magnetismo induzido.
Se o campo magnético for retirado, removendo-se os dois ímãs de barra (ou o ímã em forma de U), a maior parte do magnetismo induzido se perde; os ímãs produzidos por indução são conhecidos como ímãs temporários. Um pedaço de aço temperado não é tão fortemente magnetizado por indução, mas conserva maior magnetismo residual, quando retirado do campo indutor.
O processo de imantação é um pouco mais eficiente, devido à redução da lacuna de ar; a isso, às vezes, se dá o nome de imantação por contato. O prego se transforma num ímã, por indução.

Histerese Magnética
A intensidade do campo magnético, H, atua sobre o material como força imantadora, na indução magnética.

À medida que um material ferromagnético é sujeito a uma força imantadora cada vez maior, a densidade do fluxo, B, aumenta até que o material fica saturado. Se a força imantadora for então reduzida a zero, a imantação não retorna ao zero, mas fica atrasada em relação à força imantadora. O retardamento da imantação atrás da força imantadora é conhecido como histerese. Quanto maior o retardamento, maior o magnetismo residual conservado pelo material.
A densidade do fluxo, e portanto a imantação, só pode ser reduzida a zero invertendo-se o campo magnético e aumentando a força imantadora no sentido oposto. A força imantadora inversa, se suficientemente aumentada, faz com que o material torne a atingir a saturação, mas com os seus pólos invertidos. Reduzindo a força imantadora a zero e então elevando-a no sentido original. Este processo pode ser repetido e a imantação do material acompanha uma curva chamada curva de histerese.
O aço temperado tem característica de histerese de 'arco denso', porquanto o magnetismo residual é elevado; o ferro doce tem característica de 'arco fino'. A área dentro de uma curva de histerese dá uma indicação da quantidade de energia dissipada, ao se levar uma substância ferromagnética através de um ciclo completo de imantação. No funcionamento de muitos dispositivos elétricos, essa energia é desperdiçada, e aparece como calor: a característica de histerese de um material ferromagnético é, portanto, importante consideração a ser levada em conta no projeto desses dispositivos elétricos.

Campo magnético ao redor de um condutor.

Fig. 9 - Campo magnético
em torno de um condutor.

Um condutor transportando uma corrente elétrica produzirá uma corrente magnética campo ao redor do condutor como mostrado na figura 9. Este campo tem um forma circular e existe ao longo de todo o comprimento do condutor. Devido à sua forma circular, o campo magnético não não tem polos norte ou sul específicos, mas é considerado fluir em um loop circular contínuo em direção a um polo norte indefinido.

Regra de preensão com a mão direita.

Fig. 10 - Regra de preensão
com a mão direita.

A direção de um campo magnético em torno de um condutor pode ser lembrado usando a regra de preensão com a mão direita mostrada na figura 10.  Imagine segurar um condutor com a mão direita, como mostrado, com o polegar indicando a direção do fluxo de corrente convencional de positivo para negativo. Os dedos da mão direita, enrolados ao redor do condutor indicam a direção do fluxo de magnético fluxo.

Campos magnéticos em torno de condutores paralelos.

Fig. 11 - Campo magnético em
torno de condutores paralelos

Se dois condutores paralelos conduzem a mesma corrente, o sentido da os campos magnéticos ao redor de cada condutor se interligarão e opor-se entre os condutores, conforme mostrado na figura 11 formando uma área de fluxo magnético zero (sem fluxo) entre o condutores, isso acontece entre condutores adjacentes ao redor do eixo de uma bobina.

 

Campos magnéticos em torno de bobinas.

Fig. 12 - Campo magnético em
torno de condutores em loop.

Entretanto, quando o condutor é dobrado em um laço ou bobina, o a direção dos campos magnéticos dentro da bobina coincide, concentrando o fluxo magnético dentro da bobina, como mostrado na figura 12.

 

O Solenoide.

Fig. 13 - Campo magnético em torno
de um solenoide e uma barra magnética.

Quando as bobinas de fio são formadas em uma série de loops contínuos chamados de solenóide, o efeitos descritos acima produzem um padrão de campo magnético semelhante ao em torno de uma barra magnética, como mostrado na figura 5. Aumentando ou diminuindo a corrente através do indutor aumenta ou diminui a força do campo magnético, dando o efeito de uma barra magnética, mas com um intensidade de campo variável.

Este campo magnético variável pode ter vários efeitos. Pode ser usado para produzir movimento, por exemplo em motores elétricos, ou pode ser usado para produzir efeitos elétricos em outros condutores afetados pelo campo.

Como este módulo lida com sinais CA em componentes estáticos, como indutores e transformadores, (em vez de máquinas móveis, como motores ou geradores), os efeitos descritos relacionam mudanças na os campos magnéticos em torno dos indutores estáticos, às mudanças na corrente através desses indutores.

Aplicação de eletromagnetismo em Eletroímãs
Os eletroímãs, através do campo magnético que produzem, aplicam uma força magnética em peças adequadas, as quais, por sua vez, podem ser utilizadas para elevar uma carga, acionar um relé, afrouxar um freio sob pressão por molas, sustentar um peça de trabalho etc. Para tanto, os eletroímãs apresentam diferentes formas construtivas.
Em (a) temos o eletroímã de núcleo, utilizado para afrouxar freios, para vibradores, contactores etc.; em (b) aquele de alavanca móvel, utilizado em contactores e relés; em (c) aquele de armadura tipo pistão, utilizado em freios, acionamento de engrenagens etc.; em (d) o tipo com núcleo em E e, em (e) o tipo de bobina anular usados nas embreagens.
A parte móvel de um eletroímã se chama armadura. A atração que o núcleo do eletroímã aplica sobre a armadura é tanto mais intensa quanto mais intenso for o fluxo magnético. Assim, para um dado eletroímã a intensidade da força atrativa (chamada força portante) sobre a armadura será tanto maior quanto mais intensa seja a corrente elétrica e quanto menor for a distância que separa a armadura do núcleo. Essa distância entre a armadura e o núcleo é o 'entreferro'. Na maioria dos modelos de eletroímãs a força portanto cresce ao diminuir o entreferro.

Termos usados em eletromagnetismo.

Fluxo Magnético é o nome dado ao equivalente magnético da corrente elétrica. É o fluxo de magnetismo do polo norte para o polo sul de um ímã. Fluxos de fluxo magnético ao longo das linhas de força magnética que constituem um campo magnético.

Assim como a corrente elétrica, é mais fácil para o fluxo magnético fluir através de alguns materiais do que outros, o ferro macio, por exemplo, tem uma permeabilidade muito elevada. Isso significa que é muito fácil para o fluxo magnético fluir através dele. A alta permeabilidade também pode ser descrita como relutância muito baixa ao fluxo do fluxo magnético (o equivalente magnético da resistência).

O ar tem mais relutância e, portanto, é menos permeável que o ferro. É portanto mais fácil para um fluxo fluir através do ferro do que através do ar, e muitos dispositivos eletromagnéticos usam materiais como o ferro para concentrar o fluxo magnético em uma pequena área e assim aumentar a eficácia de dispositivos como transformadores, motores e eletroímãs.

Este arquivo pode ser baixado em: Aula 03 - Fundamentos de Eletromagnetismo.

© Direitos de autor. 2017: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 15/01/2017