Roteiro: O transformador Física Unifra Santa Maria. Equipe de Design Pedagógico: Luís Fernando Gastaldo. Equipe de Design Gráfico. Equipe Tecnológica

Transcrição

1 Roteiro: O transformador Física Unifra Santa Maria Equipe de Design Pedagógico: Luís Fernando Gastaldo Equipe de Design Gráfico Equipe Tecnológica Título da animação: Transformador Tela#1 Texto: TRANSFORMADOR Você sabe o que acontece se você ligar um equipamento na voltagem errada? 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. 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

2 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,(1- aparelho 110V em tensão 220V; 2- Aparelho em 220V em tensão 110V; 3- Aparelho 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. Página 2

3 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. Página 3

4 Título da animação: Transformador Tela#3 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? 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 Página 4

5 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 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. Na primeira os elétrons livres tornam-se portadores de uma grande quantidade de energia. Isto é feito estabelecendo-se uma grande tensão elétrica, o que possibilita que uma corrente elétrica (movimento ordenado de elétrons) não muito elevada seja suficiente para suprir a demanda de energia da cidade. Na segunda forma, com uma tensão menor, os elétrons são portadores de uma quantidade menor de energia. Para suprir a mesma demanda, será necessário um número maior de elétrons, isto é, uma corrente elétrica maior. E este é o problema: quanto maior a corrente elétrica nos fios condutores, maior a energia dissipada na forma de calor (E = R.i 2.t). Para diminuir a perda de energia, a tensão é elevada nas transmissões a longas distâncias. Em geral as usinas geram energia elétrica com uma tensão de V a V. Ainda junto à usina o transformador de uma subestação eleva a tensão para valores algumas vezes superiores a volts. 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 chegar até outra subestação rebaixadora de tensão, passando para as linhas de distribuição (com postes pela cidade). Dos postes a linha sai para um transformador de uma indústria, e de outro poste (com um transformador) para uma casa. A mudança de voltagem pode ser representada através de um brilho, que intermitentemente percorre o fio, aparecendo nos fios da usina, aumentando de intensidade na subestação elevadora de tensão, diminuindo na estação rebaixadora, diminuindo mais ainda nos transformadores antes da indústria e antes da casa. Abaixo da figura o texto ao lado. 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. Na entrada da cidade, outro transformador de subestação, rebaixa a tensão para valores próximos a volts. Já dentro da cidade, a tensão é novamente rebaixada por transformadores ficando em Página 5

6 220 volts ou 110 volts para finalmente chegar em nossas casas. Título da animação: Que equipamento faz isto? Tela#5 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. 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. Título da animação: Como funciona? Tela#6 Página 6

7 Texto: O princípio básico que explica o funcionamento do transformador é a indução eletromagnética. Quando a bobina do primário é ligada, passa a ser percorrida por uma corrente elétrica. Como antes de ligar não havia corrente elétrica, o seu valor cresce até se tornar constante. Durante essa variação, o campo 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 Deverá ser representado um núcleo de um transformador com seus enrolamentos primário e secundário. Um indicativo de corrente elétrica (brilho movendo-se pelo fio por exemplo). Um indicativo do campo magnético no núcleo e outro de corrente elétrica no enrolamento secundário. 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. Página 7

8 Título da animação: O Transformador Tela#7 Texto: (para o botão INSTRUÇÕES) 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 será fornecida ao transformador. Preencha o quadro N de espiras no primário através do teclado, ou deslize o cursor na caixa Espiras no primário Aplicativo principal: O aplicativo principal deverá aparecer de maneira destacada na tela principal, dividido em três quadros: 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 Página 8

9 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. 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. 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 Página 9

10 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 N = 1 onde U N 2 2 U 1= Tensão no primário U 2 = Tensão no secundário N 1 = número de espiras no primário N 2 = número de espiras no secundário As relações entre as grandezas envolvidas no primeiro quadro são: U 1 i = 2 U i 2 1 Onde U 1= Tensão no primário U 2 = Tensão no secundário i 1 = corrente no primário i 2 = corrente no secundário Obs. O valor da corrente só será fornecido se ele completar também os valores para o primeiro quadro. Para potência: P 1 = P 2 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. Página 10

11 Página 11