Transformadores: elevadores y reductores de tensión

Inducción mutua y autoinducción

En sus primeras experiencias sobre el fenómeno de la inducción electromagnética Faraday no empleó imanes, sino dos bobinas arrolladas una sobre la otra y aisladas eléctricamente. Cuando variaba la intensidad de corriente que circulaba por una de ellas, se generaba una corriente inducida en la otra. Este es, en esencia, el fenómeno de la inducción mutua, en el cual el campo magnético es producido no por un imán, sino por una corriente eléctrica. La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable. Este campo magnético origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella, de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, una fuerza electromotriz. Cualquiera de las bobinas del par puede ser el elemento inductor y cualquiera el elemento inducido, de ahí el calificativo de mutua que recibe este fenómeno de inducción.

induccion_mutuaEl fenómeno de la autoinducción, como su nombre indica, consiste en una inducción de la propia corriente sobre sí misma. Una bobina aislada por la que circula una corriente variable puede considerarse atravesada por un flujo también variable debido a su propio campo magnético, lo que dará lugar a una fuerza electromotriz auto inducida. En tal caso a la corriente inicial se le añadirá un término adicional correspondiente a la inducción magnética de la bobina sobre sí misma.

Todas las bobinas en circuitos de corriente alterna presentan el fenómeno de la autoinducción, ya que soportan un flujo magnético variable; pero dicho fenómeno, aunque de forma transitoria, está presente también en los circuitos de corriente continua. En los instantes en los que se cierra o se abre el interruptor, la intensidad de corriente varía desde cero hasta un valor constante o viceversa. Esta variación de intensidad da lugar a un fenómeno de autoinducción de duración breve, que es responsable de la chispa que se observa en el interruptor al abrir el circuito; dicha chispa es la manifestación de esa corriente adicional auto inducida.

Transformadores: elevadores y reductores de tensión
Los fenómenos de la autoinducción y de la inducción mutua constituyen el fundamento del transformador eléctrico, un aparato que permite elevar o reducir tensiones alternas. Un transformador consta, en esencia, de dos bobinas arrolladas a un mismo núcleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la f.e.m. alterna exterior recibe el nombre de primario y la bobina en donde aquélla aparece ya transformada se denomina secundario.

Cuando al primario se le aplica una fuerza electromotriz alterna, el flujo magnético variable que produce atraviesa tanto al primario como al secundario. Si N1 es el número de espiras del primario y N2 el del secundario, de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, resultará para el primario la fuerza electromotriz auto inducida: ε 1 = – N1.ΔΦ/Δt y para el secundario la fuerza electromotriz inducida por el primario: ε 2 = – N2.ΔΦ/Δt
La presencia del núcleo de hierro evita la dispersión del flujo magnético, por lo que puede aceptarse que es igual en ambos casos. Combinando las anteriores ecuaciones resulta:

ε 1/N1 = ε 2/N2
Esta expresión puede escribirse para un transformador ideal en la forma: V1/N1 = V2/N2
o también: V1/V2 = N1/N2(12.4)

En la práctica, como consecuencia de las resistencias de los circuitos correspondientes, la tensión V1 aplicada al primario es algo mayor que la f.e.m. inducida ε 1 y la tensión V2 que resulta en el secundario es algo menor que la f.e.m. ε 2 inducida en él. La expresión (12.4) indica que estando el circuito secundario abierto la relación entre la tensión aplicada en el primario y la tensión transformada disponible en los bornes del secundario, coincide con el cociente de sus respectivos números de espiras. Este cociente N1/N2 recibe el nombre de relación de transformación. Según sea la transformación deseada, así habrá de ser la relación entre el número de espiras de los dos arrollamientos. En los elevadores (V1 < V2) el número de espiras del primario ha de ser menor que el del secundario y la relación de transformación resulta, por tanto, menor que la unidad. En los reductores (V1 > V2) sucede lo contrario.

elevadores_reductores_de_tensionEn los transformadores comerciales el rendimiento es muy elevado, lo que significa que se pierde poca energía en el proceso de transformación. En tal supuesto la potencia eléctrica en el primario puede considerarse aproximadamente igual que en el secundario, es decir: V1/I1 = V2/I2.
Esta propiedad de la transformación eléctrica explica el hecho de que la energía eléctrica se transporte en líneas de alta tensión y baja intensidad de corriente. En las estaciones transformadoras situadas cerca de los núcleos de consumo, es posible convertirla, de acuerdo con la anterior expresión, en otra de menor tensión y mayor intensidad con poca pérdida de potencia. El transporte a baja intensidad reduce considerablemente las pérdidas en forma de calor (efecto Joule) a lo largo del trayecto que separa las centrales eléctricas de las ciudades.

La fabricación de un transformador se consigue situando en el núcleo de hierro dos bobinas, el primario y el secundario, tales que efectúen la elevación o la reducción de tensión deseada. Se dispone de una bobina de 2,200 vueltas y se desea construir en ella un reductor que permita conectar a la red de 220 V un motor que funcione con 125 V. Determinar el número de espiras que ha de tener el secundario para que efectúe la transformación deseada. Si la intensidad que circula por el primario una vez conectado es de 2 A, ¿cuál será la intensidad de la corriente inducida en el secundario?
En todo transformador las tensiones V1 y V2en los bornes del primario y del secundario respectivamente, son proporcionales a su número de espiras, es decir:

V1/V2 = N1/N2 ⇒220/125 = 2200/N2 ⇒N2 = 2200.125/220 ⇒ N2 =1250 vueltas 

Cuando se desprecia la dispersión del flujo magnético entre el primario y el secundario, la potencia eléctrica en una y otra bobina es la misma, por tanto, V1/I1 = V2/I2 ⇒ 220.2 = 125.I2 ⇒ I1 = 220.2/125 ⇒ I1 =3,5 A

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