Lei dos transformadores e seu princípio de funcionamento Os transformadores operam segundo a lei de Faraday ou primeira lei do eletromagnetismo. Primeira lei do eletromagnetismo Uma corrente elétrica é induzida em um circuito se este estiver sob a ação de um campo magnético variável. Um campo magnético é uma região do espaço induzida por qualquer carga em movimento, como a corrente elétrica (i) que corresponde a elétrons em movimento, ou por algum material com propriedades específicas, como o ímã. Como visto anteriormente, cada carga elétrica cria em torno de si um campo elétrico com linhas de campo elétrico entrando (carga negativa) ou saindo (carga positiva). De modo análogo o imã e uma carga em movimento criam um campo magnético (B), porém sempre suas linhas de campo saem de um polo norte (positivo) e chegam em um polo sul (negativo), mostrando assim dois polos simultaneamente, como mostrado na Figura 1. Linhas de campo magnético i A) Ímã B) Fio enrolado passando corrente elétrica (i) Corrente elétrica (i) = Carga em movimento Fio enrolado = Conjunto de espiras Figura 1 Campo magnético gerado pelo ímã (A) e por carga em movimento (B).
A terra também gera um campo magnético devido a seu núcleo formado por ferro e níquel, possuindo assim polos norte e sul. E este é o princípio de funcionamento da bússola, instrumento de localização, que nada mais é que um ímã com seu norte apontando sempre para norte geográfico da terra (ou sul magnético), como observado na Figura 2. Achar os pólos norte e sul e a direção do campo magnético Ímã (B!!!! Espir Colocar sobre limalha de ferro e observar as linhas de campo magnético formadas Regra da mão direita i B!! Bússola = ímã em forma de agulha que gira sobre um referencial de posicionamento (norte, sul, leste, oeste) Polegar = no sentido da corrente elétrica (i) Fechamento mão = sentido campo magnético (B!!!! ) Pólo norte geográfico Pólo sul magnético Pólo norte geográfico Pólo sul magnético Bússol O L Pólo sul geográfico Pólo norte magnético Globo Terrest Pólo sul geográfico Pólo norte magnético i B!! eu norte aponta para o polo sul magnético da terra (chamado polo norte geográfico para facilitar a orientação pela bússola, norte da bússola indicando norte geográfico da terra da terra) linhas de campo saem de um pólo norte () e chegam a um pólo sul () O norte da bússola aponta para o sul magnético da e atraem i e repelem Figura 2 Descobrindo as linhas de campo magnético e sua direção.
Uma carga em movimento está sempre associada a um campo magnético ao seu redor e essa carga pode sofrer a influência de um campo magnético associado à outra carga também em movimento ou algum ímã. Por exemplo, uma espira passando corrente elétrica gera campo magnético e se inserida perto de um ímã que também tem seu próprio campo magnético, eles sofrerão uma interação denominada força magnética (F), que gira esta espira. Esta força é vetorial, ou seja, é caracterizada por uma direção e sentido. e a corrente elétrica que passa pelos fios variar (corrente alternada) produzirá um campo magnético variável, de acordo com a primeira lei do eletromagnetismo. Por isso, os transformadores são alimentados com correntes (i) alternadas senoidais de frequência (f) de 60 Hz, que é o tipo de corrente fornecida pelas redes elétricas de um hospital ou clínica, como observado nas Figuras 3 e 4. Corrente alternada (onda senoidal) Corrente contínua (reta) Corrente alterna seu valor em positivo e negativo ao longo do tempo Corrente mantém mesmo valor positivo ao longo do tempo Figura 3 Diferenças entre corrente contínua e alternada.
f = úmero de ciclos em um intervalo de tempo específico e for ciclos por segundo (s), a unidade utilizada é a Hertz (Hz) Figura 4 Frequência de uma corrente alternada. Um transformador são fios enrolados em torno de cada lado de um núcleo de ferro, formando de um lado uma bobina primária e do outro uma secundária. Este núcleo é curvado para que não tenha saída de linhas de 1 campo magnético devido às bordas e este campo se mantenha no centro do núcleo, como mostrado na Figura 5. Assim, uma corrente alternada na bobina primária produz um campo magnético que passará através do centro da bobina secundária e induzirá uma corrente alternada nesta. Os valores produzidos de corrente e tensão pelo transformador seguem a lei dos transformadores, demonstrando que a razão das tensões é proporcional à razão entre o número de voltas das espiras, e inversamente proporcional à razão de correntes, como pode ser observado na Figura 5.
Bobina primária úcleo de ferro Bobina secundária 110 V = =? = 0,5 A = 4 =? = 8 V p = Tensão bobina primária I p = Corrente bobina primária p = úmero de voltas bobina primária V = Tensão bobina secundária I = Corrente bobina secundária = úmero de voltas bobina secundária Figura 5 Exemplificação de um transformador e seu funcionamento de acordo com a lei dos transformadores. De acordo com a Figura 5 podemos concluir que, se o número de espiras da bobina secundária for maior do que o da bobina primária, teremos valores maiores para a tensão e menores de corrente da bobina secundária em relação à primária, caracterizando assim um transformador elevador de tensão. Já, se o número de espiras da bobina secundária, for menor do que o da primária, teremos valores menores de tensão e maiores de corrente da bobina secundária em relação à primária, caracterizando assim um transformador abaixador de tensão. Autotransformadores O autotransformador é um tipo de transformador e funciona com o mesmo princípio do transformador apresentado na Figura 5, a única diferença é que consiste de apenas um fio enrolado em um núcleo de ferro sem curvatura,
com conexões de entrada e saída que são as suas bobinas primária e secundária, como demonstrado na Figura 6. V p = 110 V (tensão bobina primária) p = 25 (número de voltas bobina primária) s = 9 (número de voltas bobina secundária) Aplicar a lei dos V s =? transformadores (tensão bobina secundária) Figura 6 Autotransformador e seu princípio de funcionamento. Um autotransformador é um tipo de transformador utilizado para pequenas alterações de tensão e corrente 1. Deste modo, a corrente e tensão fornecida pela rede elétrica é aplicada ao autotransformador que fará uma primeira alteração nesta tensão que será aplicada a outro transformador, com capacidade de elevação da tensão para a ordem dos kilovolts, e a corrente gerada será fornecida a um transformador abaixador de tensão. Assim, os valores de tensão e corrente se elevam, de acordo com a lei dos transformadores, e alcançam os valores selecionados no painel de controle do equipamento de raios X. O tubo de raios X consiste de uma cápsula a vácuo, que pode ser de vidro ou metal e que possui duas partes, chamadas de catodo (fonte de elétrons) e anodo (alvo dos elétrons), como mostrado na Figura 7. Entre estas partes é aplicada uma tensão (V A ) pelo transformador elevador de tensão do gerador com o objetivo de acelerar os elétrons, produzidos no catodo, em direção ao anodo, e os retificadores são dispositivos que garantem esta única direção sempre. Para a produção dos elétrons no catodo é aplicada uma tensão (V B ) pelo transformador abaixador de tensão em um filamento localizado nesta região.
(tensão de aceleração dos elétrons do catodo para o anodo) V A Anodo Catodo Filamento Raios X Figura 7 Tubo de Raios X e seu funcionamento simplificado Os transformadores de elevação e redução da tensão constituem um gerador de alta tensão juntamente com os retificadores. Os retificadores são compostos por diodos que são dispositivos que garantem o sentido único da direção da corrente no tubo de raios X e podem ser representados como demonstrado na Figura 8 2. Figura 8 Representação do diodo e sentido da corrente e elétrons no tubo de raios X.
Dependendo da quantidade e arranjo destes diodos, a retificação pode ser de meia onda ou onda completa. Este nome se refere ao formato de onda produzido pela corrente alternada fornecida pela rede elétrica, uma onda senoidal com parte positiva e negativa, pois a direção de corrente é variada, como já demonstrado na Figura 3. Referências: 1 BUHOG,. C., Ciência Radiológica para tecnólogos Física, Biologia e Proteção, tradução 9 a ed, Rio de Janeiro, Mosby Elsevier, 2010 2 BUHBERG, J. T. et al. The essencial physics of medical imaging. 2. ed. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, 2002