Física · 9.ª–12.ª classe

O que é um transformador?

  • 8 min de leitura
  • 4 exemplos resolvidos
  • 5 exercícios com solução
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Resposta curta

Um transformador é um aparelho elétrico que aumenta ou diminui uma tensão alternada sem mudar a sua frequência. É formado por duas bobinas (primário e secundário) enroladas num núcleo de ferro e funciona por indução eletromagnética. Só funciona com corrente alternada, não com corrente contínua.

O que é e de que é feito

Um transformador permite "adaptar" a tensão da rede à tensão de que cada aparelho precisa. Em Angola a rede doméstica fornece 220 V, mas um carregador de telemóvel precisa apenas de alguns volts: é um transformador (ou um circuito que o contém) que faz essa redução.

As partes principais são:

  • Primário: a bobina ligada à fonte de tensão alternada. Tem Np espiras.
  • Secundário: a bobina onde se obtém a tensão pretendida e que alimenta o aparelho. Tem Ns espiras.
  • Núcleo: peça de ferro macio, geralmente feita de lâminas finas isoladas entre si, que conduz o fluxo magnético de uma bobina para a outra.

As duas bobinas não estão ligadas eletricamente: a energia passa de uma para a outra através do campo magnético.

Como funciona

  1. A tensão alternada no primário faz passar nele uma corrente que varia no tempo.
  2. Essa corrente cria um campo magnético que também varia, e o núcleo de ferro guia-o até ao secundário.
  3. Pela lei de Faraday, um fluxo magnético que varia induz uma força eletromotriz no secundário.
  4. A tensão induzida é proporcional ao número de espiras do secundário.

Daqui resulta a relação fundamental do transformador ideal:

Relação de transformação (transformador ideal)

Vs / Vp = Ns / Np Pp = Ps → Vp · Ip = Vs · Is

Num transformador ideal não há perdas: a potência que entra é igual à que sai. Por isso, se a tensão sobe, a corrente desce na mesma proporção, e vice-versa.

Tipos de transformador

TipoRelação de espirasEfeito na tensão
ElevadorNs maior que NpVs maior que Vp
RedutorNs menor que NpVs menor que Vp

Definição formal e explicação simples

  • Formal: máquina elétrica estática que, por indução eletromagnética, transforma um sistema de tensão e corrente alternadas noutro, com a mesma frequência e valores diferentes de tensão e de corrente.
  • Simples: é uma "caixa" que troca volts por amperes (ou o contrário), mantendo a potência quase igual.

Exemplos resolvidos

Exemplo 1 — O carregador de telemóvel

Enunciado: O carregador de um telemóvel recebe 220 V e fornece 5 V. Qual é a razão entre as espiras do primário e do secundário, num modelo ideal? É elevador ou redutor?

Resolução:

  1. Vs / Vp = Ns / Np, logo Np / Ns = Vp / Vs.
  2. Np / Ns = 220 / 5 = 44.

Resposta: o primário tem 44 vezes mais espiras do que o secundário; é um transformador redutor. Verificação: 220 ÷ 44 = 5 V.

Exemplo 2 — Transformador elevador

Enunciado: Um transformador tem Np = 100 e Ns = 1 000 espiras. Ligado a 12 V alternados, que tensão dá no secundário?

Resolução:

  1. Vs = Vp × Ns / Np.
  2. Vs = 12 × 1 000 / 100 = 12 × 10 = 120.

Resposta: Vs = 120 V (elevador). Verificação: 120 ÷ 12 = 10, igual a 1 000 ÷ 100.

Exemplo 3 — Porque se transporta a energia em alta tensão

Enunciado: Uma central envia 5 000 000 W (5 MW) para uma linha. Compare a corrente na linha se a tensão for 10 000 V ou 100 000 V.

Resolução:

  1. Potência P = V × I, logo I = P / V.
  2. A 10 000 V: I = 5 000 000 / 10 000 = 500 A.
  3. A 100 000 V: I = 5 000 000 / 100 000 = 50 A.
  4. A perda por efeito de Joule na linha é R × I2. Com 10 vezes menos corrente, as perdas ficam 102 = 100 vezes menores.

Resposta: a corrente passa de 500 A para 50 A e as perdas na linha ficam 100 vezes menores. Por isso se usam transformadores elevadores à saída da central. Verificação: 100 000 V × 50 A = 5 000 000 W.

Exemplo 4 — Porque não funciona com pilhas

Enunciado: Ligam-se os terminais de uma bateria de 12 V (corrente contínua) ao primário de um transformador. Que tensão se mede no secundário em regime estacionário?

Resolução:

  1. Em corrente contínua constante, o campo magnético no núcleo não varia.
  2. Sem variação de fluxo não há indução (lei de Faraday).

Resposta: a tensão no secundário é 0 V (só aparece um breve impulso quando se liga ou desliga). Verificação: a relação Vs / Vp = Ns / Np só vale para tensões que variam no tempo.

Erros frequentes

  • Pensar que o transformador "cria" energia. Num transformador ideal Pp = Ps; num real, Ps é um pouco menor por causa das perdas.
  • Aplicar a corrente contínua ao primário. Sem variação do fluxo não há tensão induzida e o enrolamento pode aquecer perigosamente, porque só a resistência do fio limita a corrente.
  • Trocar elevador por redutor. O que decide é a comparação Ns com Np, não o valor absoluto das tensões.
  • Achar que as bobinas estão ligadas por fios. Estão isoladas; a ligação é magnética, através do núcleo.
  • Esquecer que a corrente varia ao contrário da tensão. Se Vs é 10 vezes maior, Is é 10 vezes menor (caso ideal).

Exercícios propostos

Tente resolver primeiro no caderno; depois confira.

1Exercício 1

Um transformador tem Np = 500 e Ns = 50 espiras e é ligado a 220 V. Calcule Vs e diga se é elevador ou redutor.

Ver solução

Vs = 220 × 50 / 500 = 220 × 0,1 = 22 V. Como Ns é menor que Np, é redutor.

2Exercício 2

Pretende-se obter 11 V a partir de 220 V. O primário tem 2 000 espiras. Quantas espiras deve ter o secundário?

Ver dica

Calcule primeiro a razão Vs / Vp.

Ver solução

Vs / Vp = 11 / 220 = 1 / 20. Logo Ns = 2 000 / 20 = 100 espiras.

3Exercício 3

Um transformador ideal tem no primário 220 V e 0,5 A. A tensão no secundário é 11 V. Calcule a corrente no secundário.

Ver solução

Pp = 220 × 0,5 = 110 W. Como Ps = Pp, Is = 110 / 11 = 10 A.

4Exercício 4

Um transformador tem Np = 200 e Ns = 800. Ligado a 50 V alternados, qual é a tensão no secundário? Que acontece à corrente?

Ver solução

Vs = 50 × 800 / 200 = 200 V (elevador). A tensão é multiplicada por 4, por isso a corrente no secundário é 4 vezes menor do que no primário (caso ideal).

5Exercício 5

Um transformador recebe 100 W no primário e entrega 90 W ao aparelho. Calcule o rendimento e a potência perdida. Explique para onde vai essa energia.

Ver solução

Rendimento = Ps / Pp = 90 / 100 = 0,90, ou 90 %. Potência perdida = 100 − 90 = 10 W. Essa energia transforma-se em calor, no aquecimento dos fios (efeito de Joule) e do núcleo.

Perguntas frequentes

Qual é a diferença entre transformador e conceitos parecidos?

O transformador altera a tensão alternada através de duas bobinas acopladas. Um retificador converte corrente alternada em contínua, e um gerador transforma energia mecânica em elétrica. Um carregador de telemóvel usa um transformador e também um retificador.

Onde se aplica o transformador na prática?

Nas centrais e subestações, para elevar e baixar a tensão da rede; nos postes de distribuição, para chegar aos 220 V das casas; e dentro de carregadores, rádios e outros aparelhos.

O transformador também funciona com corrente contínua?

Não. O fluxo magnético tem de variar para induzir tensão no secundário. Com corrente contínua constante não há variação e a tensão no secundário é nula.

Que erros os estudantes cometem sobre o transformador?

Os mais comuns são pensar que aumenta a potência, ligar corrente contínua e confundir elevador com redutor. Veja a secção «Erros frequentes».

Resumo

  • O transformador altera a tensão alternada usando duas bobinas (primário e secundário) e um núcleo de ferro.
  • Funciona por indução eletromagnética: só com fluxo variável, logo só em corrente alternada.
  • Relação ideal: Vs / Vp = Ns / Np e Vp · Ip = Vs · Is.
  • Elevador: Ns maior que Np. Redutor: Ns menor que Np.
  • A frequência não muda; num transformador real há pequenas perdas em forma de calor.

Onde aprofundar

  • O manual de Física da sua classe e o programa oficial (INIDE / Ministério da Educação de Angola) — confirme a edição em vigor.
  • O manual aberto OpenStax University Physics, volume 2 (em inglês), no capítulo sobre indução eletromagnética e circuitos de corrente alternada.
  • O Sistema Internacional de Unidades, descrito pelo Bureau Internacional de Pesos e Medidas (BIPM).

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