Qual é o objetivo de um transformador?

A maioria das pessoas provavelmente já ouviu falar de transformadores e está ciente de que eles são parte do sempre evidente, mas ainda assim misteriosa rede de energia que fornece eletricidade para casas, empresas e todos os outros lugares onde "suco" é necessário. Mas a pessoa típica hesita em aprender os pontos mais delicados do fornecimento de energia elétrica, talvez porque todo o processo pareça estar envolto em perigo. As crianças aprendem desde tenra idade que a eletricidade pode ser muito perigosa, e todos percebem que qualquer os fios da companhia de energia são mantidos longe do alcance (ou às vezes enterrados no solo) por um bom motivo.

Mas a rede elétrica é na verdade um triunfo da engenharia humana, sem a qual a civilização seria irreconhecível daquela em que você habita hoje. O transformador é um elemento-chave no controle e entrega de eletricidade a partir do ponto em que é produzido em usinas de energia até um pouco antes de entrar em uma casa, prédio de escritórios ou outra extremidade destino.

Pense em uma represa contendo milhões de litros de água para formar um lago artificial. Porque o rio que alimenta este lago nem sempre carrega a mesma quantidade de água para a região, sendo que suas águas tendem a subir na região. primavera após a neve derreter em muitas áreas e vazar no verão durante os períodos mais secos, qualquer barragem eficaz e segura deve ser equipada com dispositivos que permitem um controle mais preciso da água do que simplesmente impedi-la de fluir até que o nível suba tanto que a água simplesmente derrame acima dele. As barragens, portanto, incluem todos os tipos de comportas e outros mecanismos que determinam a quantidade de água passar para o lado a jusante da barragem, independente da quantidade de pressão da água a montante lado.

É mais ou menos assim que um transformador funciona, exceto que o material que flui não é água, mas corrente elétrica. Os transformadores servem para manipular o nível de tensão que flui através de qualquer ponto em uma rede elétrica (descrito em detalhes abaixo) de uma forma que equilibra a eficiência da transmissão com a segurança básica. Claramente, é financeiramente e praticamente vantajoso tanto para os consumidores quanto para os proprietários da usina e rede para evitar perdas de energia entre a eletricidade que sai da usina e chega às residências ou outros destinos. Por outro lado, se a quantidade de tensão que passa por um cabo de alimentação de alta tensão típico não diminuísse antes de entrar em sua casa, o resultado seria o caos e o desastre.

A tensão é uma medida da diferença de potencial elétrico. A nomenclatura pode ser confusa porque muitos alunos já ouviram o termo "energia potencial", tornando mais fácil confundir voltagem com energia. Na verdade, a tensão é a energia potencial elétrica por unidade de carga, ou joules por coulomb (J / C). O coulomb é a unidade padrão de carga elétrica em física. Um único elétron é atribuído a -1,609 × 10^-19 coulombs, enquanto um próton carrega uma carga igual em magnitude, mas na direção oposta (ou seja, uma carga positiva).

A palavra-chave aqui, realmente, é "diferença". A razão pela qual os elétrons fluem de um lugar para outro é a diferença de voltagem entre os dois pontos de referência. A tensão representa a quantidade de trabalho que seria necessária por unidade de carga para mover a carga contra um campo elétrico do primeiro ponto para o segundo. Para ter uma noção da escala, saiba que os fios de transmissão de longa distância normalmente carregam de 155.000 a 765.000 volts, enquanto a voltagem que entra em uma casa é normalmente de 240 volts.

Na década de 1880, os fornecedores de serviços elétricos faziam uso de corrente contínua (DC). Isso era repleto de responsabilidades, incluindo o fato de que a corrente contínua não podia ser usada para iluminação e era muito perigosa, exigindo espessas camadas de isolamento. Durante esse tempo, um inventor chamado William Stanley produziu a bobina de indução, um dispositivo capaz de criar corrente alternada (CA). Na época em que Stanley surgiu com esta invenção, os físicos conheciam o fenômeno da CA e as vantagens teria em termos de fonte de alimentação, mas ninguém foi capaz de descobrir um meio de fornecer CA em um grande escala. A bobina de indução de Stanley serviria de modelo para todas as variações futuras do dispositivo.

Stanley quase se tornou advogado antes de decidir trabalhar como eletricista. Ele começou na cidade de Nova York antes de se mudar para Pittsburgh, onde começou a trabalhar em seu transformador. Ele construiu o primeiro sistema de energia CA municipal em 1886 na cidade de Great Barrington, Massachusetts. Após a virada do século, sua empresa de energia foi comprada pela General Electric.

Um transformador pode aumentar (intensificar) ou diminuir (reduzir) a tensão que passa pelos fios de alimentação. Isso é vagamente análogo à maneira pela qual o sistema circulatório pode aumentar ou diminuir o suprimento de sangue para certas partes do corpo, dependendo da demanda. Depois que o sangue ("poder") deixa o coração (a "usina"), para chegar a uma série de pontos de ramificação, pode acabar viajando para o parte inferior do corpo em vez da parte superior do corpo e, em seguida, para a perna direita em vez da esquerda e, em seguida, para a panturrilha em vez da coxa, etc. Isso é governado pela dilatação ou constrição dos vasos sanguíneos nos órgãos e tecidos-alvo. Quando a eletricidade é gerada em uma usina de energia, os transformadores aumentam a tensão de alguns milhares para centenas de milhares para propósitos de transmissão de longa distância. À medida que esses fios atingem pontos chamados subestações de energia, os transformadores reduzem a tensão para menos de 10.000 volts. Você provavelmente já viu essas subestações e seus transformadores de nível intermediário em suas viagens; os transformadores geralmente são alojados em caixas e se parecem um pouco com geladeiras plantadas na beira de uma estrada.

Quando a eletricidade sai dessas estações, o que geralmente pode acontecer em várias direções diferentes, encontra outros transformadores mais próximos de seu ponto final em subdivisões, bairros e casas. Esses transformadores reduzem a tensão de menos de 10.000 volts para cerca de 240 - mais de 1.000 vezes menos do que os níveis máximos típicos vistos em fios de alta tensão de longa distância.

Os transformadores são, obviamente, apenas um componente da chamada rede elétrica, o nome do sistema de fios, interruptores e outros dispositivos que produzem, enviam e controlam eletricidade de onde ela é gerada para onde está em última análise, usado.

O primeiro passo para criar energia elétrica é fazer o eixo de um gerador girar. A partir de 2018, na maioria das vezes, isso é feito usando o vapor liberado na combustão de um combustível fóssil, como carvão, óleo ou gás natural. As usinas nucleares e outros geradores de energia "limpa", como usinas hidrelétricas e parques eólicos, também podem aproveitar ou produzir a energia necessária para acionar o gerador. Seja qual for o caso, a eletricidade gerada nessas usinas é chamada de potência trifásica. Isso ocorre porque esses geradores AC criam eletricidade que oscila entre um conjunto mínimo e máximo nível de tensão, e cada uma das três fases é compensada em 120 graus das anteriores e posteriores em Tempo. (Imagine andar para frente e para trás em uma rua de 12 metros enquanto duas outras pessoas fazem o mesmo, chegando a uma rua de 24 metros ida e volta, exceto que uma das outras duas pessoas está sempre 8 metros à sua frente e a outra 8 metros atrás vocês. Em alguns momentos, dois de vocês estarão caminhando em uma direção, enquanto em outras ocasiões, dois de vocês estarão caminhando na outra direção, variando a soma de seus movimentos, mas de forma previsível. É assim que funciona a energia CA trifásica.)

Antes que a eletricidade deixe a usina, ela encontra um transformador pela primeira vez. Este é o único ponto em que os transformadores em uma rede elétrica aumentam significativamente a tensão em vez de reduzi-la. Essa etapa é necessária porque a eletricidade entra em grandes linhas de transmissão em conjuntos de três, uma para cada fase de energia, e parte dela pode ter que viajar até 300 milhas ou mais.

Em algum ponto, a eletricidade encontra uma subestação de energia, onde os transformadores reduzem a tensão para um nível adequado para as linhas de energia mais discretas que você vê nos bairros ou correndo ao longo da zona rural rodovias. É aqui que ocorre a fase de distribuição (em oposição à transmissão) da entrega de eletricidade, já que as linhas geralmente deixam a energia subestações em várias direções, assim como várias artérias ramificando-se de um grande vaso sanguíneo em mais ou menos o mesmo junção.

Da subestação de energia, a eletricidade passa para os bairros e sai das linhas de força locais (que geralmente estão em "postes de telefone") para entrar nas residências individuais. Transformadores menores (muitos dos quais parecem pequenas latas de lixo de metal) reduzem a voltagem para cerca de 240 volts para que possa entrar nas casas sem um grande risco de causar um incêndio ou algum outro acidente sério.

Os transformadores não só precisam fazer o trabalho de manipular a voltagem, mas também devem ser resistentes a danos, seja por atos da natureza, como tempestades de vento ou ataques propositais de engenharia humana. Não é possível manter a rede elétrica fora do alcance dos elementos ou dos vilões humanos, mas mesmo assim, a rede elétrica é absolutamente vital para a vida moderna. Essa combinação de vulnerabilidade e necessidade levou o Departamento de Segurança Interna dos Estados Unidos a tomar um interesse nos maiores transformadores da rede elétrica americana, chamados grandes transformadores de energia, ou LPT. A função desses enormes transformadores, que ficam dentro das usinas, podem pesar de 100 a 400 toneladas e custar milhões de dólares, é imprescindível para a manutenção do dia a dia, uma vez que a falha de um único pode levar à falta de energia ao longo de uma ampla área. Esses são os transformadores que aumentam a tensão drasticamente antes que a eletricidade entre nos fios de alta tensão de longa distância.

Em 2012, a idade média de um LPT nos EUA era de cerca de 40 anos. Alguns dos transformadores de extra-alta tensão (EHV) de ponta de hoje são classificados em 345.000 volts, e a demanda por transformadores está aumentando tanto no EUA e globalmente, obrigando o governo dos EUA a buscar maneiras de substituir os LPTs existentes conforme necessário e desenvolver novos a um preço comparativamente baixo custo.

Um transformador é basicamente um grande ímã quadrado com um orifício no meio. A eletricidade entra por um lado por meio de fios enrolados várias vezes ao redor do transformador e sai do lado oposto por meio de fios enrolados um número diferente de vezes ao redor do transformador. A entrada da eletricidade induz um campo magnético no transformador, que por sua vez induz um campo elétrico nos outros fios, que então carregam a energia para longe do transformador.

No plano da física, um transformador funciona aproveitando-se da lei de Faraday, que afirma que a relação de tensão de duas bobinas é igual à relação do número de voltas nas respectivas bobinas. Assim, se a tensão reduzida for necessária em um transformador, a segunda bobina (de saída) contém menos espiras do que a bobina primária (de entrada).