Transformador

Um transformador são duas bobinas de fio sobre o mesmo núcleo de ferro: uma corrente alternada na primeira induz na segunda uma tensão mais alta ou mais baixa, conforme a razão entre os números de espiras. Permite enviar a eletricidade em alta tensão por linhas longas e entregá-la à tensão que os aparelhos usam, e é a principal razão por que a corrente alternada se impôs nas redes do mundo.

O que é

Um transformador de poste baixa a tensão da linha da rua até à que se usa em casa.

Um transformador muda a tensão de uma corrente alternada. Não tem peças móveis: duas bobinas de fio de cobre isolado, o primário e o secundário, enroladas num núcleo de ferro fechado. A energia entra por uma bobina e sai pela outra a uma tensão mais alta ou mais baixa, e a corrente varia no sentido inverso.

As centrais elevam a tensão para as grandes linhas. As subestações baixam-na por etapas, e um último transformador, num poste ou num pequeno posto, leva-a aos 230 ou 120 volts de uma tomada. Os carregadores e as campainhas têm transformadores pequenos.

Como funciona

A corrente do primário magnetiza o núcleo de ferro. Como a corrente é alternada, essa magnetização cresce, anula-se e inverte-se, ao ritmo de cinquenta ou sessenta ciclos completos por segundo. O fluxo variável atravessa o secundário e induz uma tensão em cada uma das suas espiras: é a indução descoberta por Faraday, que só atua enquanto o fluxo muda.

Cada espira das duas bobinas abraça o mesmo fluxo, por isso as tensões das bobinas estão na razão dos seus números de espiras. Com 1000 espiras no primário e 50 no secundário, 4600 volts à entrada dão 230 à saída. Num transformador ideal, sem perdas, o lado de baixa tensão leva uma corrente vinte vezes maior e por isso é enrolado com fio mais grosso.

Em corrente contínua nada disto funciona: um fluxo constante não induz nada, e o primário passa a ser um pedaço de fio ligado à fonte, que aquece. Os transformadores precisam de corrente alternada, e foi por isso que a alternada se tornou a regra das redes; as ligações atuais em corrente contínua de alta tensão convertem a alternada em contínua à partida e a contínua em alternada à chegada.

A alta tensão compensa porque o calor perdido num fio cresce com o quadrado da corrente. Enviemos 100 quilowatts por uma linha cujos fios somam 2 ohms. A 1000 volts a corrente é de 100 amperes e os fios dissipam 20 quilowatts, um quinto da potência. A 10 000 volts a corrente desce para 10 amperes e a perda para 200 watts, ou seja 0,2 %.

Um núcleo maciço aquece com as correntes que nele circulam; as chapas finas, isoladas entre si, reduzem-nas muito.

O fluxo também faz circular correntes em anel dentro do próprio ferro, as correntes de Foucault, e um núcleo maciço aqueceria como a placa de um fogão. Por isso o núcleo é uma pilha de chapas com poucas décimas de milímetro, isoladas umas das outras por verniz ou por uma camada de óxido. Estas perdas diminuem com o quadrado da espessura da chapa. Os primeiros construtores usavam pelo mesmo motivo feixes de fio de ferro; os núcleos modernos são de aço ao silício.

As redes usam corrente trifásica: três correntes alternadas desfasadas de um terço de ciclo, levadas por três fios e transformadas por três conjuntos de bobinas no mesmo núcleo.

Como construir

Uma demonstração de bancada a poucos volts, nunca um projeto ligado à rede. São precisos um parafuso de aço com uns 10 cm, um segundo parafuso nu e duas barras chatas de aço, 20 a 30 m de fio de cobre esmaltado de 0,3 a 0,5 mm, fita isoladora, lixa fina, um multímetro que meça tensão alternada e, para o último teste, um galvanómetro de zero central.

Enrolar as bobinas. Sobre uma camada de fita, enrolar no parafuso um primário de 100 espiras. Cobri-lo com fita, enrolar por cima um secundário de 100 espiras, voltar a pôr fita e acrescentar por cima outro de 50. Lixar o esmalte de cada ponta.

Escolher uma fonte segura. Usar um adaptador de tomada comprado cuja etiqueta indique saída alternada («AC output») de 12 volts no máximo, ou um gerador de funções que dê uma sinusoide de poucos volts a cerca de 1 kHz, sem componente contínua. A maior parte dos adaptadores dá corrente contínua e não serve. Uma lâmpada incandescente de automóvel de 12 volts e cerca de 5 watts em série com o primário limita a corrente.

Medir. Ler a tensão alternada aos terminais do primário e de cada secundário, e depois desligar: o parafuso maciço aquece. Com o adaptador leem-se poucas décimas de volt, porque a maior parte da tensão cai na lâmpada. A bobina de 50 espiras dá cerca de metade da tensão da de 100, e as duas ficam abaixo da tensão do primário, porque o fluxo de um parafuso sozinho se fecha pelo ar. Pousar o parafuso nu ao lado do enrolado e unir as cabeças e as pontas com as barras de aço, para que o ferro forme um quadro fechado à volta das bobinas: as leituras sobem.

Experimentar com uma pilha. Com uma pilha de 4,5 volts em vez do adaptador, e a lâmpada ainda em série, ligar ao secundário um galvanómetro de zero central na escala menos sensível ou através de uma resistência de alguns quilo-ohms. O ponteiro salta para um lado ao fechar o circuito, para o outro ao abri-lo, e fica em zero entretanto.

Ler uma chapa de características. Num transformador de campainha, procurar as tensões de entrada e de saída, por exemplo 230 V / 12 V, e a potência em voltampères (VA). Os aparelhos grandes acrescentam frequência, arrefecimento e impedância; essas chapas leem-se do lado de fora da vedação.

Segurança. Nunca dar a um secundário mais espiras do que ao primário, e lembrar que um adaptador em vazio pode dar um quinto acima do que indica a etiqueta. Abrir um circuito que passa por uma bobina produz um breve pico de tensão: cortar com um interruptor ou com um fio segurado pelo isolamento, nunca com os dedos nas pontas descarnadas. Nunca enrolar bobinas para a rede, nem abrir, modificar ou refazer a cablagem de aparelhos que funcionem com a rede, mesmo desligados da tomada: os transformadores de micro-ondas e de reclamos néon fornecem correntes mortais. Um transformador abaixador alimentado ao contrário eleva a tensão, e os condensadores de um aparelho podem continuar carregados depois de desligado. As bobinas ficam quentes depois do uso. Nunca subir a postes, entrar em subestações ou tocar em linhas caídas. As instalações ligadas à rede são trabalho para um eletricista credenciado.

História e evolução

Michael Faraday mostrou a indução em agosto de 1831 com o seu anel de ferro de duas bobinas, Joseph Henry descobriu-a por conta própria na América, e por volta de 1850 Heinrich Ruhmkorff, em Paris, fez da bobina de indução um instrumento corrente nos laboratórios.

Em 1884, Lucien Gaulard e John Dixon Gibbs acenderam lâmpadas ao longo de uma linha de 40 km entre Turim e Lanzo com os seus «geradores secundários», ligados em série e com núcleos de ferro abertos: acender uma lâmpada perturbava as outras.

Um dos primeiros transformadores de Budapeste: o fio de ferro envolve o anel de cobre e fecha o circuito magnético.

Nas oficinas Ganz de Budapeste, Károly Zipernowsky, Miksa Déri e Ottó Bláthy perceberam que um núcleo de ferro fechado e transformadores ligados em paralelo manteriam a tensão estável. Pediram patentes entre janeiro e março de 1885, chamaram ao aparelho «transformador» e, em maio, iluminaram com o seu sistema a Exposição Nacional de Budapeste.

George Westinghouse comprou os direitos de Gaulard e Gibbs, e o seu engenheiro William Stanley construiu transformadores de núcleo fechado que iluminaram a rua principal de Great Barrington, no Massachusetts, em março de 1886. A corrente contínua de Edison, a cerca de 110 volts, só chegava a algumas ruas à volta de cada central, e as suas empresas fizeram campanha sobre os perigos da alternada. Westinghouse iluminou em alternada a Exposição de Chicago de 1893, e em 1896 a energia das cataratas do Niágara chegou a Buffalo.

Por volta de 1888, Galileo Ferraris e Nikola Tesla tinham obtido com correntes desfasadas um campo girante para motores; em 1891, uma linha trifásica levou 300 cavalos por 175 km, de Lauffen a Frankfurt. As grandes linhas atuais trabalham a centenas de milhares de volts.