Transformadores

Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador.

Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de secciones moderadas.

Constan esencialmente de un circuito magnético cerrado sobre el que se arrollan dos bobinados, de forma que ambos bobinados están atravesados por el mismo flujo magnético. El circuito magnético está constituido (para frecuencias industriales de 50 Hz) por chapas de acero de poco espesor apiladas, para evitar las corrientes parásitas .

El bobinado donde se conecta la corriente de entrada se denomina primario, y el bobinado donde se conecta la carga útil, se denomina secundario.

La corriente alterna que circula por el bobinado primario magnetiza el núcleo de forma alternativa. El bobinado secundario está así atravesado por un flujo magnético variable de forma aproximadamente senoidal y esta variación de flujo engendra por la Ley de Lenz, una tensión alterna en dicho bobinado.

Un transformador es esencialmente dos solenoides o inductancias sobre un mismo núcleo, por consiguiente existirá un desfase entre la tensión y la corriente que atraviesa ambos devanados.

Un transformador se proyecta para unas tensiones dadas de servicio en primario y secundario y una potencia máxima continua que puede obtenerse en su secundario. El incrementar la tensión en su primario, y por tanto la corriente en el mismo, lleva a la saturación del núcleo magnético, con lo que el mismo no es capaz de transferir más potencia al secundario y el exceso de potencia de entrada solo produce sobrecalentamientos del núcleo por corrientes parásitas, y del devanado primario, por efecto Joule, llevando a la rotura del devanado por fallo del aislante del mismo. Una espira en cortocircuito genera a su vez más calor y provoca el fallo total del devanado.

En un transformador es fundamental prever una correcta refrigeración del mismo, y a este fin, los de mayor tamaño ( a partir de algunos kilowatios), están bañados en aceite refrigerante que actúa también como dieléctrico.

Así pues, la tensión de entrada, la potencia máxima continua de salida, y la temperatura ambiente, son tres parámetros que no deben sobrepasarse de forma permanente.

El Generador y el Motor Eléctrico

Generador

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estator).

En el generador elemental existe una espiral de alambre que gira a través de un campo magnético, a la cual se le llama armadura, y se conecta a un circuito externo a través de anillos deslizantes.

Existen dos tipos de generadores: de corriente alterna (ca) y de corriente continua (ca).

Ene le generador de corriente alterna, los anillos colectores son cerrados o completos, y en el generador de corriente continua, los anillos colectores son abiertos.

Un generador de ca es muy semejante a uno de cd. De diferencian porque los anillos conductores son remplazados por conmutadores de anillo bipartido. La particularidad de del generador es que convierte la energía mecánica en energía eléctrica y su uso es muy generalizado.

La fórmula para determinar la fuerza electromotriz producida por un generador en un instante determinado es la siguiente:

 E_inst = NBAω sen θ

Donde:

E= fuerza electromotriz generada                                                                      N= numero de espiras de la bobina                                                                      B= densidad de flujo                                                                                                                        A= área de la espira                                                                                              ω= velocidad angular (rad/s)                                                                               θ= dirección de la velocidad v con respecto al campo B en cada instante

Motor

 Los motores eléctricos son máquinas eléctricas rotatorias. Transforman una energía eléctrica en energía mecánica. Su funcionamiento se basa en las fuerzas de atracción y repulsión establecidas entre un imán y un hilo (bobina) por donde hacemos circular una corriente eléctrica. Entonces solo sería necesario una bobina (espiras con un principio y un final) un imán y una pila (para hacer pasar la corriente eléctrica por las espiras) para construir un motor eléctrico.

Los motores eléctricos que se utilizan hoy en día tiene muchas espiras llamadas bobinado (de bobinas) en el rotor (parte giratoria) y un imán grande llamado estator colocado en la parte fija del motor alrededor del rotor. La mayor parte de los motores tienen varias bobinas, llamadas devanados, colocadas en diferentes lugares de la armadura. La clasificación de los moteros depende de cómo están conectadas las bobinas y la armadura:

*Devanado en serie (cuando la bobina y la armadura se conecta en serie)                                                                                                                                      *Devanado en paralelo o en derivación (si el devanado de la armadura y el del campo están conectados en paralelo)                                                                                                                                       * Motor compuesto (cuando hay una combinación en el devanado en serie y paralelo.)

Inducción Mutua y Autoinducción

La inducción mutua es el fenómeno por el cual una corriente variable en un circuito induce una fem en otro. La variación de la intensidad de corriente en una bobina da lugar a un campo magnético variable, el cual origina un flujo magnético también variable que atraviesa la otra bobina e induce en ella, de acuerdo con la ley de Faraday, una fem.

El fenómeno de la autoinducción 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 fem autoinducida.

Todas las bobinas en circuito de corriente alterna presentan el fenómeno de la autoinducción ya que soportan un flujo magnético variable.

Ley de Lenz

Heinrich Friedrich Emil Lenz(Dorpat, 1804 - Roma, 1865) Físico ruso. Enunció una ley que permite conocer la dirección y el sentido de la corriente inducida en un circuito electrico. Lenz estudió la conductividad eléctrica y descubrió el efecto conocido como efecto Joule con independencia de las experiencias y conclusiones a que a este respecto llegó el científico que le dio nombre. La ley de Lenz, enunciada en 1833, fue la gran aportación de Heinrich Lenz a los estudios electromagnéticos; esta ley permite determinar el sentido de la corriente inducida por una variación del flujo abarcado por un circuito.

 La ley de Lenz propuesta en 1834 por Heinrich Friedrich Lenz (1804-1865) La polaridad de la fem inducida es tal que está tiende a producir una corriente que crea un flujo magnético que se opone al cambio en el flujo magnético a través del circuito”.

Es decir, la corriente inducida tiende a mantener el flujo original a través del circuito. La interpretación de este enunciado depende de las circunstancias.

Como se verá, esta ley es una consecuencia de la ley de conservación de la energía.

El signo menos en la ley de Faraday indica esta oposición. La ley de Lenz se refiere de acuerdo al enunciado a corrientes inducidas, lo cual significa que solo se aplica a circuitos conductores cerrados.

La ley de Lenz dice que la corriente inducida debe ser en la dirección tal que el flujo que produzca se oponga al cambio en el flujo magnético externo.

Cutnell propone un procedimiento para simplificar la compresión de esta ley:

1.    Determinar si el flujo magnético que penetra una bobina aumenta o disminuye

2.    Encontrar cual debe ser la dirección del campo inducido de manera que se oponga al cambio de flujo.

3.    Una vez encontrada la dirección del campo inducido se aplica la Regla de la Mano Derecha para determinar la dirección de la corriente inducida, y con ello asignar la polaridad de la fem inducida ya que la corriente se dirige hacia afuera de la terminal positiva.

Ejemplo                                                                                                               Aplicación de la ley de Lenz.

Una bobina de alambre se coloca cerca de un electroimán como se muestra en la siguiente figura (a)

Encuéntrese la dirección de corriente inducida en la bobina:                                a) en el instante que el interruptor se cierra,                                                         b) varios segundos después de que el interruptor ha sido cerrado y                   c) cuando el interruptor se abre.

Solución

a). Cuando el interruptor se cierra, la situación cambia desde una condición en la cual no pasan líneas de flujo a través de la bobina, a una en la cual las líneas de flujo pasan a través de  ella en la dirección que se ve en la figura (b).

Para contrarrestar este cambio en el número de líneas, la bobina debe generar un campo de izquierda a derecha como en la figura. Esto requiere que la corriente esté dirigida como se muestran en la figura (b).

b). Después de varios segundos de haber cerrado el interruptor, no existe cambio en el número de líneas a través de la espira; por lo tanto la corriente inducida es cero.

C). Abrir el interruptor causa que el campo magnético cambie de una condición en la cual las líneas de flujo mantenidas a través de la espira de derecha a izquierda hasta una condición de cero flujo. La corriente inducida debe entonces ser como se muestra en la figura (c), para que genere un campo de derecha a izquierda que mantenga el flujo.  

Este video explica mejor lo anterior dicho

Ley de Faraday

 Michel Faraday y Joseph Henry, (Newington, Gran Bretaña, 1791-Londres, 1867) Científico británico.

Los experimentos de Faraday mostraron que una corriente eléctrica podría inducirse en un circuito mediante un campo magnético variable. Los resultados de estos experimentos llevaron a la ley conocida como Ley de Inducción de Faraday. Esta ley señala que la magnitud de la fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito es igual a la razón de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito.

En una demostración clave de la inducción electromagnética se conecta un galvanómetro con una espira y se hace mover un imán de un lado a otro por el eje de la espira. Mientras el imán se mantiene fijo nada sucede, pero cuando está en movimiento, la aguja del galvanómetro se desvía de un lugar a otro, indicando la existencia de corriente eléctrica y por ende de una fuerza electromotriz en el circuito espira-galvanómetro. Si el imán se mantiene estacionario y la espira se mueve ya sea hacia o alejándose del imán, la aguja también se desviara. A partir de estas observaciones, puede concluirse que se establece una corriente en un circuito siempre que haya un movimiento relativo entre el imán y la espira.

La corriente que aparece en este experimento se llama corriente inducida, la cual se produce mediante una fem inducida.

 

En otro experimento. Las espiras se colocan una cerca de la otra pero en reposo la una con respecto de la otra. Cuando se cierra el interruptor S, creando así una corriente estacionaria en la bobina de la derecha, el galvanómetro marca momentáneamente; cuando se abre el interruptor, interrumpiendo de este modo la corriente, el galvanómetro marca nuevamente, pero en dirección contraria.

El experimento muestra que existe una fem inducida en la espira izquierda siempre que la corriente de la derecha este cambiando. Lo que es significativo aquí es la velocidad a la que cambia la corriente y no a la intensidad de la corriente.

Estos fenómenos se describen mediante la Ley de Faraday de la inducción magnética y se determina con la siguiente fórmula:

 ¿Sabías Que…?

La ley de Faraday  establece que una fem es generada si al flujo cambia por alguna razón…

La ecuación a la que se le denomina como Ley de inducción de Faraday, nunca fue escrita por el…??

 Aqui un video de esta ley:

Inducción electromagnética

Se le denomina inducción electromagnética al fenómeno de generar una fem (fuerza electromotriz) inducida a partir de un campo magnético. Para ello, debemos tener en cuenta lo siguiente: Entre más rápido cruce el conductor a través del campo, más vueltas existan en la bobina y más intenso sea el campo magnético, mayor será la fem inducida y el flujo de la corriente.

A partir del movimiento de la carga eléctrica a través del campo magnético se genera una fem, y para determinar su magnitud se debe considerar la intensidad de campo magnético B, la longitud L de la barra y la velocidad v con la que se mueve dicha barra respecto al campo magnético, como la ecuación siguiente:

El Solenoide

Un solenoide se define como una bobina de alambra, normalmente con la forma de un cilindro largo, que al transportar una corriente se asemeja a un imán de modo que un núcleo móvil es atraído a la bobina cuando fluye una corriente. Un solenoide es una bobina y un núcleo de hierro móvil usados para convertir energía eléctrica en energía mecánica.

La magnitud del campo magnético B en un punto cualquiera del interior de un solenoide depende del número de espirales que lo forman. A mayor número de las mismas se produce un campo magnético más intenso, el cual se calcula por medio de la ecuación:

Hay dos leyes básicas que gobiernan los solenoides:

*Ley de Faraday

*Ley de Ampere

Ley de Faraday

La tensión inducida en una bobina es proporcional al número de vueltas y a la tasa de cambio del flujo. La corriente inducida fluye en la dirección opuesta al cambio de flujo. El flujo no se acumula, en pocas palabras lo que entra es lo que sale.

Ley de Ampere

La fuerza magnetomotriz (fmm) alrededor de un bucle cerrado es igual a la corriente neta encerrada por el bucle. El objetivo del diseño de solenoides es transferir la máxima cantidad de NI (energía) desde la bobina al entrehierro de trabajo.

Tipos de solenoides

Hay dos categorías principales de solenoides:

 

Solenoides giratorios

Proporcionan una carrera rotacional que se mide en grados. Algunos son unidireccionales y otros son bidireccionales. Los solenoides giratorios con frecuencia se usan cuando el tamaño paquete es de la mayor importancia y el trabajo que desempeñan se distribuye de manera más eficaz en toda su carrera. Los solenoides giratorios tienen un fuerza/par de arranque mayor que la de los solenoides lineales. Son más resistentes al impacto. Los solenoides giratorios también ofrecen vida útil más larga. Una de las aplicaciones más comunes que ayuda a ilustrar la función de un solenoide giratorio es abrir y cerrar un obturador láser.Los solenoides giratorios tienen aplicaciones en máquinas herramientas, rayos láser, procesamiento fotográfico, almacenamiento de medios, aparatos médicos, clasificadores, cierres de puertas contra incendios, y máquinas postales

Solenoides lineales

Proporcionan una carrera lineal normalmente menor de una pulgada en cualquier dirección, algunos solenoides lineales son unidireccionales y algunos son bidireccionales. Los solenoides lineales normalmente se clasifican en como de tirar o de tipo de empujar en el cual el émbolo / eje se empuja hacia afuera de la caja. Los solenoides lineales son dispositivos menos complejos y son significativamente menos costosos que los productos giratorios. También ofrecen menos ciclos de vida útil y a veces tienden a ser más grandes.

Los solenoides lineales tienen aplicaciones en electrodomésticos, máquinas vendedoras, seguros de puerta, cambiadores de monedas, disyuntores de circuito, bombas, aparatos médicos, transmisiones automotrices y máquinas postales, por nombrar sólo unas cuantas.

Electromagnetismo

La naturaleza de las ondas electromagnéticas consiste en la propiedad que tiene el campo eléctrico y magnético de generarse mutuamente cuando cambian en el tiempo.

Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la velocidad de la luz y transportan energía a través del espacio. La cantidad de energía transportada por una onda electromagnética depende de su frecuencia (o longitud de onda): entre mayor su frecuencia mayor es la energía:

W = h f, donde W es la energía, h es una constante (la constante de Plank) y f es la frecuencia.

El electromagnetismo, estudia los fenómenos eléctricos y magnéticos que se unen en una sola teoría aportada por Faraday, que se resumen en cuatro ecuaciones vectoriales que relacionan campos eléctricos y magnéticos conocidas como las ecuaciones de Maxwell . Gracias a la invención de la pila de limón, se pudieron efectuar los estudios de los efectos magnéticos que se originan por el paso de corriente eléctrica a través de un conducto. .

El Electromagnetismo, de esta manera es la parte de la Física que estudia los campos electromagnéticos y los campos eléctricos , sus interacciones con la materia y, en general, la electricidad y el magnetismo y las partículas subatómicas que generan flujo de carga eléctrica.

El electromagnetismo, por ende se comprende que estudia conjuntamente los fenómenos físicos en los cuales intervienen cargas eléctricas en reposo y en movimiento, así como los relativos a los campos magnéticos y a sus efectos sobre diversas sustancias sólidas, líquidas y gaseosas.

Históricamente, el magnetismo y la electricidad habían sido tratados como fenómenos distintos y eran estudiados por ciencias diferentes.

Sin embargo, los descubrimientos de Oersted y luego de Ampere, al observar que la aguja de una brújula tomaba una posición perpendicular al pasar corriente a través de un conductor próximo a ella. Así mismo los estudios de Faraday en el mismo campo, sugerían que la electricidad y el magnetismo eran manifestaciones de un mismo fenómeno.

La idea anterior fue propuesta y materializada por el físico escocés James Clerk Maxwell ( 1831 - 1879 ), quien luego de estudiar los fenómenos eléctricos y magnéticos concluyó que son producto de una misma interacción, denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular, alrededor del año 1850 , las ecuaciones antes citadas, que llevan su nombre, en las que se describe el comportamiento del campo electromagnético. Estas ecuaciones dicen esencialmente que:

• Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parten desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas.

• No existen portadores de carga magnética; por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.

• Un imán en movimiento, o, dicho de otra forma, un campo magnético variable, genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida.

• Cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.

·        Campos magnéticos producidos por medio de una corriente eléctrica:

Campo magnético producido en un conductor recto

Al inducir una corriente eléctrica Atraves de un conductor, las líneas de fuerza de campo magnético resultante forman circunferencias concéntricas alrededor del mismo. El sentido del vector de la intensidad del campo. Cutnell llama a lo mencionado “La Regla de Mano Derecha N° 2”, la cual permite relacionar el sentido de una corriente eléctrica rectilínea con el sentido de las líneas de fuerza del campo magnético generado por la misma.

La intensidad de  campo b depende de las características del medio que rodea a la corriente, siendo mayor cuando mayor es la intensidad de corriente I y cuanto  menor es la distancia del conductor. Para un alambre recto la magnitud de campo se calcula por medio de la siguiente ecuación:

Donde µ es una constante que recibe el nombre de permeabilidad del espacio libre o magnético, cuyo valor es:

Campo magnético producido en una espiral:

Al observar el espectro magnético que se forma en una espiral debido a una corriente, se aprecia que las líneas de fuerza del campo se cierran en torno a cada porción de la espiral, de manera similar como ocurre en un imán recto con polos norte y sur.

La intensidad de campo B en el interior de un espiral depende de las propiedades del medio que rodea la espiral, de la intensidad de corriente I y del valor del radio R de la misma y se calcula  con la siguiente ecuación:

En este video sobre electromagnetismo podrán encontrar sobre su historia y funcionamiento.