Roteiro: O transformador Física – Unifra – Santa Maria Equipe de

Roteiro: O transformador
Física – Unifra – Santa Maria
Equipe de Design Pedagógico:
Luís Fernando Gastaldo–
Equipe de Design Gráfico
Equipe Tecnológica
Título da animação:
Transformador
Autor: Luís F. Gastaldo
Tela#1
Texto:
TRANSFORMADOR
Animação: Junto ao texto deverá aparecer um player de vídeo que
quando o botão play for clicado deverá ser exibido um vídeo com
um laptop queimando por ter sido ligado na tensão errada.
Você sabe o que acontece se você ligar
um equipamento na voltagem errada?
No canto superior direito um botão para fechar a janela e no inferior
direito uma seta para o aluno avançar para a próxima página.
Título da
animação:
110Vou 220V no
hotel
Transformador
Autor: Luís F.
Gastaldo
Tela#2
Página 1
Muitas pessoas,
mesmo não
conhecendo o conceito
de tensão (voltagem),
sabem que no Brasil,
utilizamos tensões de
110V e 220V, e que
um equipamento
ligado em tensão
errada, pode sofrer
danos
irreparáveis.Alguns
hotéis disponibilizam
para seus hóspedes, no
mesmo local, tomadas
elétricas com a tensão
de 110V e 220V. Veja
o que acontece quando
optamos pela tensão
errada e compare com
a situação com a
tensão correta
O personagem no banheiro de um hotel, observa um recado junto a uma tomada
que a tensão é 220V e em outra que a tensão é 110V. Depois a cena deve
evidenciar que o secador é bivolt. Verá então aparecer quatro opções,(1aparelho 110V em tensão 220V; 2- Aparelho em 220V em tensão 110V; 3Aparelho em 110V em tensão 110V; 4- Aparelho em 220V em tensão 220V).
Se o aluno selecionar a opção 1, o personagem deve ligar o secador de cabelo,
provocando a queima do aparelho, evidenciada pela fumaça.
No final da cena deverá aparecer o seguinte texto: “Se você ligar um aparelho
feito para funcionar na tensão de 110V em uma rede elétrica de 220V ele poderá
queimar rapidamente.”
Se o aluno selecionar a opção 2 o personagem deve ligar o secador de cabelo, e
perceber que o secador não funciona de maneira adequada, tem pouca potência e
com isto não seca seu cabelo. A irritação do personagem deve ficar evidente.
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No final da cena deverá aparecer o seguinte texto: “Se você ligar um aparelho
feito para funcionar na tensão de 220V em uma rede elétrica de 110V
provavelmente ele não queimará, mas não funcionará adequadamente.”
Se o aluno selecionar as opções 3 ou 4 , o personagem deve primeiramente trocar
a voltagem no secador de cabelo e só depois ligar o secador de cabelo. Por ser
correta, esta situação deve evidenciar a satisfação do personagem por conseguir
secar seu cabelo adequadamente.
No final da cena deverá aparecer o seguinte texto: “Esta é a atitude correta:
sempre verifique se a tensão de funcionamento do aparelho é coerente com a
tensão fornecida pela rede (tomada)”.
No canto superior direito um botão para fechar a janela e no inferior direito uma
seta para o aluno retornar ou avançar para a próxima página.
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Título da animação:
Transformador
Autor: Luís F. Gastaldo
Texto:
Para alterar a tensão que será
utilizada pelo equipamento,
fazemos uso de
transformadores. Os
transformadores são muito
freqüentes no nosso
cotidiano. Aparecem em
nossa casa, os
eletrodomésticos, como os
secadores bivolt, TVs,
rádios, geladeiras, etc, de
forma aparente ou não.
Também aparecem nas ruas,
nos postes de distribuição da
rede elétrica e nas indústrias.
Mas porque mudamos as
tensões? Que equipamento
faz isto? Como ele
funciona?
Tela#3
Links:
Os links disponíveis na tela principal deverão proporcionar a abertura de
outra tela, em uma janela diferente, para possibilitar ao aluno (se ele
desejar) a leitura de informações extras.
Link 1: O primeiro link será um quadro composto por um desenho com o
personagem,mostrando uma expressão de dúvida, e o texto “Mas porque
mudamos as tensões?”. Este link 1 deverá enviar o aluno para a tela 4.
Link 2: O segundo link será um quadro composto por um desenho com o
personagem entre alguns equipamentos elétricos mostrando-se em dúvida
sobre qual deles deveria utilizar, e o texto “Que equipamento faz isto?”. Este
link 2 deverá enviar o aluno para a tela 5.
Link 3: O terceiro link será um quadro composto por um desenho com o
personagem analisando detalhadamente um equipamento e o texto: “Como
ele funciona?”. Este link 3 deverá enviar o aluno para a tela 6.
No canto superior direito um botão para fechar a janela e no inferior direito
uma seta para o aluno retornar ou avançar para a próxima página.
Se você é uma dessas
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pessoas que tem curiosidade
científica, vamos lá, explorar
e descobrir como funciona
um transformador.
Explicação sobre a ação: Nesta tela,
Título da animação: a Tensão
Autor: Luís F. Gastaldo
Tela#4
Texto:
POR QUE MUDAMOS A TENSÃO?
A energia que é gerada na usina é levada até a
cidade, através dos elétrons livres que se movimentam
nos fios condutores. Isto pode ocorrer de duas formas.
A tela deverá mostrar o caminho que a energia elétrica
percorre desde a usina até a residência. Primeiramente
deverá aparecer uma usina (de preferência
hidroelétrica),ligadas por fios até uma subestação
elevadora de tensão. Os fios devem ligar a primeira
subestação até as torres de transmissão. Da torre deve
Na primeira os elétrons livres tornam-se portadores de chegar até outra subestação rebaixadora de tensão,
uma grande quantidade de energia. Isto é feito
passando para as linhas de distribuição (com postes pela
estabelecendo-se uma grande tensão elétrica, o que
cidade). Dos postes a linha sai para um transformador de
possibilita que uma corrente elétrica (movimento
ordenado de elétrons) não muito elevada seja suficiente uma indústria, e de outro poste (com um transformador)
para uma casa. A mudança de voltagem pode ser
para suprir a demanda de energia da cidade.
representada através de um brilho, que
Na segunda forma, com uma tensão menor, os elétrons intermitentemente percorre o fio, aparecendo nos fios da
usina, aumentando de intensidade na subestação
são portadores de uma quantidade menor de energia.
elevadora de tensão, diminuindo na estação rebaixadora,
Para suprir a mesma demanda, será necessário um
número maior de elétrons, isto é, uma corrente elétrica diminuindo mais ainda nos transformadores antes da
maior. E este é o problema: quanto maior a corrente
indústria e antes da casa.
elétrica nos fios condutores, maior a energia dissipada Abaixo da figura o texto ao lado.
na forma de calor (E = R.i2.t).
No canto superior direito um botão para fechar a janela e
Para diminuir a perda de energia, a tensão é elevada
no inferior direito uma seta para o aluno retornar ou
nas transmissões a longas distâncias. Em geral as
avançar para a próxima página.
usinas geram energia elétrica com uma tensão de
10.000V a 20.000V. Ainda junto à usina o
transformador de uma subestação eleva a tensão para
valores algumas vezes superiores a 500.000 volts.
Na entrada da cidade, outro transformador de
subestação, rebaixa a tensão para valores próximos a
60.000 volts. Já dentro da cidade, a tensão é
novamente rebaixada por transformadores ficando em
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220 volts ou 110 volts para finalmente chegar em
nossas casas.
Título da animação:
Que equipamento faz isto?
Autor: Luís F. Gastaldo
Texto:
Texto:
Basicamente o transformador é
constituído de um núcleo de ferro e
dois enrolamentos independentes: o
enrolamento primário e o enrolamento
secundário. Os enrolamentos podem
estar um sobre o outro, no mesmo
núcleo de ferro (porém isolados
eletricamente), ou então,podem estar
enrolados em partes diferentes do
mesmo núcleo, ou seja, o primário de
um lado do núcleo e o secundário do
outro lado (como a figura). O núcleo
deve ser feito com um material
ferromagnético de maneira a acoplar e
confinar o campo magnético entre as
duas bobinas. Para diminuir as perdas
por aquecimento (devido as correntes
de Foucalt) o núcleo não é construído
com blocos maciços, mas é composto
de um feixe de lâminas superpostas e
isoladas entre si.
Título da animação: Como
funciona?
Autor: Luís F. Gastaldo
Tela#5
Deverá aparecer um transformador com seu núcleo e seus
enrolamentos. Se possível de uma forma que ele possa girar
como uma foto de 360°.
No canto superior direito um botão para fechar a janela e no
inferior direito uma seta para o aluno retornar ou avançar para
a próxima página.
Tela#6
Página 6
Texto:
Deverá ser representado um núcleo de um transformador com
O princípio básico que explica o seus enrolamentos primário e secundário. Um indicativo de
funcionamento do transformador é a
corrente elétrica (brilho movendo-se pelo fio por exemplo). Um
indução eletromagnética.
indicativo do campo magnético no núcleo e outro de corrente
Quando a bobina do primário é
ligada, passa a ser percorrida por uma elétrica no enrolamento secundário.
corrente elétrica. Como antes de ligar
não havia corrente elétrica, o seu
No canto superior direito um botão para fechar a janela e no
valor cresce até se tornar constante.
inferior direito uma seta para o aluno retornar ou avançar para
Durante essa variação, o campo a próxima página.
magnético gerada no primário
também cresce proporcionalmente a
esta corrente e ao número de espiras
deste enrolamento (número de voltas
do fio em torno do braço metálico) ,
aumentando por conseqüência o
números de linhas de campo no
núcleo e que atravessam a bobina
secundária.
Através do metal, o fluxo
magnético quase não encontra
resistência e, assim, concentra-se no
núcleo, em grande parte, e chega ao
enrolamento secundário com um
mínimo de perdas. O aumento deste
fluxo magnético, induz no secundário
uma força eletromotriz e uma corrente
elétrica. Se a fonte em que ligamos a
bobina primária for alternada, um
processo semelhante passa a ocorrer.
A cada oscilação da corrente
elétrica (no Brasil a freqüência é de
60Hz) ocorrerá uma variação no
campo magnético no núcleo do
transformador, e a variação de fluxo
na bobina secundária, induz uma
força eletromotriz e uma corrente
elétrica variável no secundário.
A relação entre as voltagens
no primário e no secundário, bem
como entre as correntes nesses
enrolamentos, pode ser facilmente
obtida: se o primário tem Np espiras e
o secundário Ns, a voltagem no
primário (Vp) está relacionada à
voltagem no secundário (Vs) por
Vp/Vs = Np/Ns, e as correntes por
Ip/Is = Ns/Np.
Desse modo um transformador
ideal (que não dissipa energia), com
1000 espiras no primário e 2000 no
secundário, percorrido por uma
corrente de 2 ampère, sob 110 volts,
fornece no secundário, uma corrente
de 1 ampères sob 220 volts
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Título da animação: O
Transformador
Autor: Luís F. Gastaldo
Tela#7
Texto: (para o botão INSTRUÇÕES) Aplicativo principal:
O aplicativo principal deverá aparecer de maneira destacada na tela
COMO USAR ESTE MÓDULO
principal, dividido em três quadros:
Este applet mostra a relação entre a
tensão ( de entrada e saída) e o
número de espiras (no primário e
secundário).
Instruções:
• Preencha o quadro “Tensão de
entrada” através do teclado com o
valor da tensão que será fornecida
ao transformador.
• Preencha o quadro “N° de espiras
no primário” através do teclado,
ou deslize o cursor na caixa
“Espiras no primário”
• O primeiro quadro
Deverá conter a figura de um transformador de baixa tensão, formado
por um núcleo central de ferro, laminado, na forma similar a
representada no esboço acima. Cada eixo lateral do transformador terá
espiras enroladas e estas espiras serão ligadas a terminais: o terminal
primário (de entrada) um cabo com uma flecha e o terminal secundário
(de saída) um cabo com uma tomada. O número de espiras em cada
eixo (primário e secundário) será variável, de acordo com os dados
fornecidos pelo aluno.
Junto ao transformador, quatro pequenas caixas onde o aluno poderá
digitar valores.
A primeira caixa, próxima à flecha, deverá ter o texto “tensão de
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selecionando o número de voltas
(espiras) que o fio condutor deve
dar em torno do eixo do núcleo
primário.
• Preencha o quadro “N° de espiras
no secundário” através do teclado,
ou deslize o cursor na caixa
“Espiras no secundário”
selecionando o número de voltas
(espiras) que o fio condutor deve
dar em torno do eixo do núcleo
secundário.
• Observe a tensão de saída obtida,
na caixa “Tensão de saída”.
• Se desejar zerar todos os valores,
clique no botão “Zerar tudo”.
entrada” e internamente a unidade “V”.
A segunda caixa, próximo ao enrolamento primário deverá ter o texto
“N° de espiras no primário”.
A terceira caixa, próxima ao secundário deverá ter o texto “N° de
espiras no secundário”.
A quarta caixa, próximo a tomada, deverá ter o texto “ tensão de
saída” e internamente a unidade “V”.
• O segundo quadro
Um pouco mais abaixo, separados pelo menos por uma linha divisória,
dois comandos interativos para deslizar. O primeiro deve ter o texto
“N° de espiras no primário”, alterando o número de espiras no primário
do transformador e o número colocado na segunda caixa. O segundo
deve ter o texto “N° de espiras no secundário”, alterando o número de
espiras no secundário do transformador e o número colocado na
terceira caixa. Ainda deverá aparecer um botão que permita ao aluno
zerar todos os valores anteriormente definidos.
Applet secundário:
Para observar outras variações de
valores de grandezas físicas
envolvidas com o funcionamento de
um transformador utilize o applet
secundário da seguinte maneira:
• Deslize o cursor ou preencha a
caixa “Freqüência de entrada” e
observe através dos gráficos as
variações de freqüência das
correntes elétricas que percorrem
as bobinas primária e secundária.
Para observar o que acontece
quando ligamos o primário do
transformador a uma fonte de
corrente contínua, coloque o valor
zero para a freqüência do
primário.
• Defina a corrente elétrica
fornecida ao primário e obtenha o
valor da corrente induzida no
secundário, ou vice-versa.
Defina a potência elétrica fornecida
ao primário e obtenha o valor da
potência elétrica no secundário, ou
vice-versa.
• O terceiro quadro
Será dividido em três partes.
- Na primeira parte um comando interativo para deslizar, que altera o
valor da freqüência da corrente elétrica. De acordo com esta freqüência
estabelecida pelo aluno, duas representações gráficas da intensidade da
corrente elétrica em relação ao tempo, devem aparecer em
deslocamento. Uma para a corrente no primário e outra para a corrente
induzida no secundário. A freqüência inicial deverá ser sempre 60 hz,
que é a freqüência utilizada no Brasil. Ao lado de cada uma das
representação gráfica, uma caixa onde o aluno pode digitar o valor da
freqüência escolhida. Quando o aluno optar por zerar a freqüência no
primário, deverá aparecer, no lugar do gráfico do secundário, um texto
dizendo “ Quando a corrente no primário não varia (é constante), não
há indução de corrente no secundário.”
- Na segunda parte do terceiro quadro, deverão existir duas caixas
interativas, onde o aluno indica o valor da corrente no primário (para a
primeira caixa) e obterá o valor da corrente no secundário (na segunda
caixa), podendo o aluno optar por indicar o valor da corrente elétrica no
secundário e obter o valor do primário.
- Na terceira parte do terceiro quadro, deverão existir duas caixas
interativas, onde o aluno indica o valor da potência elétrica no primário
(para a primeira caixa) e obterá o valor da potência elétrica no
secundário (na segunda caixa), podendo o aluno optar por indicar o
valor da potência elétrica no secundário e obter o valor do primário.
LINK: Instruções
Deverá aparecer uma caixa de texto com barra de rolagem com o
seguinte texto:
COMO USAR ESTE MÓDULO
Este applet mostra a relação entre a tensão ( de entrada e saída) e o número de espiras (no
primário e secundário).
Instruções:
• Preencha o quadro “Tensão de entrada” através do teclado com o valor da tensão que
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será fornecida ao transformador.
• Preencha o quadro “N° de espiras no primário” através do teclado, ou deslize o cursor
na caixa “Espiras no primário” selecionando o número de voltas (espiras) que o fio
condutor deve dar em torno do eixo do núcleo primário.
• Preencha o quadro “N° de espiras no secundário” através do teclado, ou deslize o
cursor na caixa “Espiras no secundário” selecionando o número de voltas (espiras) que
o fio condutor deve dar em torno do eixo do núcleo secundário.
• Observe a tensão de saída obtida, na caixa “Tensão de saída”.
• Se desejar zerar todos os valores, clique no botão “Zerar tudo”.
Applet secundário:
Para observar outras variações de valores de grandezas físicas envolvidas com o
funcionamento de um transformador utilize o applet secundário da seguinte maneira:
• Deslize o cursor ou preencha a caixa “Freqüência de entrada” e observe através dos
gráficos as variações de freqüência das correntes elétricas que percorrem as bobinas
primária e secundária. Para observar o que acontece quando ligamos o primário do
transformador a uma fonte de corrente contínua, coloque o valor zero para a freqüência
do primário.
• Defina a corrente elétrica fornecida ao primário e obtenha o valor da corrente induzida
no secundário, ou vice-versa.
Defina a potência elétrica fornecida ao primário e obtenha o valor da potência elétrica no
secundário, ou vice-versa.
No canto inferior deverão aparecer dois botões. Um para avançar a
próxima página outro para voltar a página inicial.
As relações entre as grandezas envolvidas no primeiro quadro são:
U 1 N1
=
onde
U2 N2
U1= Tensão no primário
U2 = Tensão no secundário
N1= número de espiras no primário
N2= número de espiras no secundário
As relações entre as grandezas envolvidas no primeiro quadro são:
U 1 i2
=
U 2 i1
Onde
U1= Tensão no primário
U2 = Tensão no secundário
i1= corrente no primário
i2= corrente no secundário
Obs. O valor da corrente só será fornecido se ele completar também os
valores para o primeiro quadro.
Para potência: P1= P2
Ou seja a potência no primário é igual a do secundário.
E por fim: f1 = f2
Ou seja a freqüência no primário é igual a do secundário.
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