Transformadores

Los fenómenos de la autoinducción y la inducción mutua constituyen el fundamento del transformador eléctrico, un dispositivo que sirve para aumentar o diminuir la tensión eléctrica. Un transformador consta, en esencia, de dos bobinas arrolladas a un mismo núcleo de hierro. La bobina o arrollamiento donde se aplica la fem recibe el nombre de primario y la bobina de donde aparece ya transformada se denomina secundario.


En los transformadores comerciales el rendimiento es muy elevado, lo que significa que se piede poca energía en el proceso de transformación. Esta propiedad de la transformación eléctrica explica el hecho de que la energía eléctrica se transporte en líneas de alta tensión. En las subestaciones eléctricas es posible convertirla en otra de menos tensión y mayor intensidad con poca perdida de potencia. El transporte de la electricidad 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.

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. Cualquiera de las bobinas puede ser el elemento inductor o el inducido.

Por otra parte, 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 circuitos de corriente alterna presentan el fenómeno de la autoinducción ya que soportan un flujo magnético variable.

El generador y motor eléctrico

El generador eléctrico es el dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica, mientras que el motor hace todo lo contrario: transforma la energía eléctrica en mecánica; ambos utilizan la interacción entre conductores en movimiento (bobina) y campos magnéticos.

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.
Los generadores de corriente directa se clasifican según el método de excitación empleado: los generadores de excitación separada usan una fuente externa de corriente para magnetizar los campos, los generadores autoexcitados utilizan la salida del mismo generador para excitar el campo.

Generador de una central hidráulica

Los principios de funcionamiento del motor de corriente directa son muy similares a las del generador. La corriente fluye por la bobina de la armadura para actuar como magneto. Los polos de la armadura son atraídos hacia los polos del campo, produciendo el giro de la armadura. Mediante un conmutador se invierte la corriente de la armadura en el momento en que sus polos y los del campo son diferentes y están frente uno del otro, entonces, los polos iguales de la armadura y el campo se repelen, produciendo la rotación de la armadura.


Los motores de corriente directa se clasifican en:

Ejemplo de el rotor y el estator

• De excitación independiente.
• De excitación en serie.
• De derivación.
• De excitación compuesta (compund)

Se conoce como motor asíncrono al de corriente alterna cuya parte móvil gira a una velocidad distinta a la de sincronismo. Lo motores de corriente alterna, tanto como manofásicos como trifásicos, son los de mayor aplicación gracias a su facilidad de uso, poco mantenimiento y bajo costo de fabricación, y se clasifican de la siguiente manera:

• Motores síncronos.
• Motores asíncronos.
      Monofásicos
          -De bobinado.
          -De espiral en cortocircuito.
          -Universal.
      Trifásicos
          -De rotor bobinado.
          -Jaula de ardilla.

Un motor de corriente alterna está constituido por un circuito magnético y dos eléctricos, uno colocada en la parte fija (estator) y otro en la parte móvil (rotor). El circuito magnético está formado por chapas apiladas en forma de cilindro en el rotor,y en forma de anillo en el estator. El cilindro  se introduce en el interior del anillo y, para que pueda girar libremente, hay que dotarlo de un entrehierro constante. El anillo se dota en ranuras en su parte interior para colocar el bobinado inductor y se envuelve exteriormente por una pieza metálica con soporte llamada carcasa.

Ley de Faraday

Tanto el científico inglés Michael Faraday (1791-1867) como el norteamericano Joseph Henry (1997-1878) comparten el mérito de haber descubierto la inducción electromagnética. A pesar de que Henry fue el primero en observarla, Faraday fue el primero en publicar sus hallazgos. Como menciona Hecht, Henry había efectuado un experimento muy similar al de Faraday un año antes; sin embargo, no lo publicó.

El flujo magnético pasa a través de una bobina que tiene N números de vueltas, por lo tanto, la fem inducida en dicha bobina durante el intervalo de tiempo es N veces el cambio de flujo a través de cada vuelta dividido entre ese tipo. Este fenómeno se describe mediante la Ley de Faraday de la inducción magnética y se determina con la siguiente fórmula:

= -N ΔΦ / Δt         Ecuación 7

1 Faraday = 96 485.3415 coulombs

Ley de Lenz

Como debiste haber observado, en la ecuación 7 existe un signo negativo, el cual relaciona la polaridad de la fem con el cambio de flujo. Esta polaridad indica la dirección en la que impulsa a la corriente en el circuito, por lo anterior, es necesario un método para determinar dicha polaridad, el cual se basa en el descubrimiento hecho por el físico ruso Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865), que expresa en la ley de Lenz: La dirección de la fem inducida y por consiguiente el flujo e corriente, es tal que el campo magnético formado se opone al movimiento que lo produce.

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

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

2.-Encontrar cuál 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 haia afuera de la terminal positiva.

Inducción electromagnética

Se conoce como inducción electromagnética al fenómeno de generar una fem (fuerza automotriz) inducida a partir de un campo magnético. Para ellos, debemos de 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.

Bobinas

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 del 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 se expresa en la siguiente formula:

= vBL          Ecuación 5

Cuando el campo magnético es constante, la fem inducida es proporcional a la rapidez del cambio de área perpendicular atravesada; por lo tanto, la cantidad de campo magnético que atraviesa perpendicularmente  un área se le conoce como flujo magnético, el cual tiene como unidad el weber (Wb), el cual quivale a un tesla por metro cuadrado.

Φ = BA cos θ          Ecuación 6

El solenoide

Un solenoide es un conjunto de espirales iguales (bobina), paralelas, de determinada longitud L y por las que se induce una corriente eléctrica. El espectro magnético del campo creado por un solenoide es parecido al de un imán recto. al igual que para la espiral de alambre, la Regla de la Mano Derecha No.2 indica el sentido de la corriente que circula a través de él.

La magnitud del campo magnético B es 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:

B= μ0 nI          Ecuación 4

En la ecuación anterior, n representa el número de vueltas N por unidad de longitud (N/L). El solenoide constituye  el fundamento del electroimán, donde una barra de hierro introducida en el hueco del solenoide aumenta la intensidad del campo magnético. Aplicaciones del solenoide se pueden encontrar en los timbres, teléfonos, dinamos y muchos otros dispositivos eléctricos y electromecánicos que utilizan electroimanes como componentes.

     Un ejemplo del Solenoide.

Campos magnéticos producidos por medio de una corriente eléctrica

Campo magnético producido en un conductor recto

Al inducir una corriente eléctrica a través de un conductor, las líneas de fuerza del campo magnético, resultante forman circunferencias concéntricas alrededor del mismo.

El sentido del vector de la intensidad de campo B se puede indicar colocando los dedos de la mano derecha en forma de semicírculo, apuntando con el dedo pulgar hacia el sentido de dicha corriente, ésta es, como lo menciona Cutnell, la Regla de la Mano Derecha No. 2:

Para un alambre recto largo, la magnitud del campo magnético B, en función de la corriente eléctrica I y de la distancia del alambre r, se calcula por medio de la siguiente ecuación:

B= μ0 I / 2πr          Ecuación 2

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 de 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 cara norte de una corriente circular, considerada como un imán, es aquélla de donde salen las líneas de fuerza; la cara sur, aquélla donde llegan dichas líneas.

La relación entre la polaridad magnética de una espiral y el sentido de la corriente que circula a través de ella la establece la Regla de la Mano Derecha No. 2, donde una cara es norte cuando un observador situado enfrente de ella ve circular la corriente  de derecha a izquierda, y es su en el caso contrario.

La intensidad de campo B en el interior de una 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 ecuación:

B= μ0 I / 2 R          Ecuación 3