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1 UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRÓNICA LABORATORIO DE CIRCUITOS II PRÁCTICA N 7 "TRANSFORMADORES Y CAMPO MAGNÉTICO" Grupo: Dia: Hora: Profesor: Nombres: OBJETIVOS - Aprender el funcionamiento de una maquina eléctrica elemental. - Comprobar la teoría de inducción electromagnética. - Conocer la primera etapa de la aplicación final del laboratorio. - Aprender a usar transformadores reductores comerciales que se conecten a la red de EPM, sea 110Vrms ó 220Vrms. TEORIA Los descubrimientos de Ampère y Faraday tuvieron inmediatas aplicaciones prácticas que cambiaron la faz de la civilización moderna. Usando el descubrimiento de Oersted, que demostró que una corriente eléctrica produce un campo magnético en el espacio alrededor del cable que la conduce, tanto Ampère como Arago lograron magnetizar agujas de hierro. Lo hicieron de la siguiente forma: enrollaron un cable alrededor de la aguja y luego conectaron los extremos de dicho cable a una batería. Al pasar la corriente por el cable crea un campo magnético en el espacio dentro de la bobina; este campo magnético a su vez magnetiza la aguja. de la misma forma que un imán permanente magnetiza una limadura de hierro. En 1825 el inglés William Sturgeon ( ) enrolló 18 espiras de alambre conductor alrededor de una barra de hierro dulce, que dobló para que tuviera la forma de una herradura Figura 1. Al conectar los extremos del cable a una batería el hierro se magnetizó y pudo levantar un peso que era 20 veces mayor que el propio. Este fue el primer electroimán, es decir, un imán accionado por electricidad.

2 Figura 1. Primer electroimán construido por Sturgeon en DEFINICIONES PARA EL DISEÑO DE ELECTROIMANES Figura 2. Circuito magnetico tipico, con nucleo de hierro y un entrehierro.

3 Fuerza Magnetomotriz En la figura 2, el flujo magnetico es creado por N espiras de alambre, por las que circula una corriente de I amperes, produciendo entonces una fuerza magnetomotriz dada por: F= (N * I) / 0.796, donde: F: fuerza magnetomotriz en ampere.espira N: numero de espiras I: corriente en amperes Fuerza Magnetizadora La fuerza magnetizadora se define como la fuerza magnetomotriz por unidad de longitud del camino. H=F/l, donde: H:fuerza magnetizadora en LENZ F:fuerza magnetomotriz en amper.espira l:longitud del camino cm. Permeabilidad La permeabilidad (Mu) esta definida por la relacion: Mu=B/H, donde: Mu: Permeabilidad B: Densidad de flujo, en GAUSS H: Fuerza magnetizadora en Lenz En el aire, H es numericamente igual a la densidad de flujo B. La permeabilidad es el equivalente de la conductividad en los circuitos electricos. La permeabilidad en el hierro no es constante, ya que varia con el flujo. La relacion entre B, H y Mu se muestra en las curvas de B-H del hierro, como puede verse en la figura 3. El valor de Mu a un determinado punto de la curva, es el valor de B dividido por el de H a ese punto. Generalmente los materiales de hierro tienen valores de Mu altos, esto implica que el hierro tiene elevada conductividad, o baja "resistencia" al flujo magnetico; el hierro es un "buen conductor magnetico". En el lado opuesto tenemos al aire, que tiene baja conductividad, y por lo tanto alta "resistencia"; el aire es un "mal conductor magnetico". Principios de Inducción Electromagnética. La electricidad es la responsable del magnetismo en un electroimán, que es distinto de un imán permanente, y dicho campo magnético se produce sólo cuando las espiras de alambre enrolladas alrededor del núcleo magnético transportan corriente eléctrica. Para determinar la polaridad de un electroimán se puede usar la llamada regla de la mano izquierda.

4 Figura3. Curva BH caracteristica del hierro. EL TRANSFORMADOR La invención del transformador data del año de 1884, aplicado en los sistemas de transmisión que en esa época eran de corriente directa y presentaban limitaciones técnicas y económicas. El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaban transformadores, se puso en operación en los Estados Unidos de América. En el año de 1886 en Great Barington, Mass., en ese mismo año, al protección eléctrica se transmitió a 2000 volts en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeñas aplicaciones iniciales, la industria eléctrica en el mundo, ha crecido de tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador. El transformador, es un dispositivo que no tiene partes móviles, el cual transfiere la energía eléctrica de un circuito a otro, bajo el principio de inducción electromagnética. La transferencia de energía la hace por lo general con cambios en los valores de voltajes y corrientes. Un transformador elevador convierte la potencia eléctrica a un valor de voltaje dado hacia un valor más elevado, en tanto que un transformador reductor convierte la potencia a un valor alto de voltaje haicia un valor bajo. Fundamentalmente, un transformador es un conjunto de dos bobinas de alambre devanadas alrededor de un núcleo de hierro y acopladas magnéticamente. En la Figura 4 se esquematiza un transformador. La bobina conectada a la fuente de alimentación recibe el nombre de primario y tiene un número de vueltas igual a N1; la conectada a la carga tiene un número de vueltas igual a N2 y se denomina secundario. La función del núcleo de hierro

5 es aumentar el flujo magnético y proporcionar el medio por el cual la mayor cantidad de flujo que pasa por el primario lo haga a través del secundario. En los transformadores ideales la potencia que el primario recibe de un generador, es igual a la entregada por el secundario a la carga, esto supone un rendimiento del 100%. En la práctica no se consigue éste rendimiento, debido: a las pérdidas por dispersión de flujo, histéresis, saturación, corrientes de Foucault y calentamiento del alambre (cobre). Las pérdidas por corrientes parásitas se reducen empleando un núcleo de hierro laminado. El núcleo blando se utiliza como el material del núcleo, para reducir pérdidas por histéresis. Las pérdidas por calor de joule causadas por la resistencia de los alambres de la bobina suelen ser pequeñas. Los transformadores (reales) fabricados con cuidado para reducir al mínimo las diferentes pérdidas, suelen tener alrededor de un 98% de rendimiento. Teoría del Funcionamiento Un transformador, como se menciono anteriormente no es más que dos solenoides o bobinas enrolladas alrededor de un núcleo común ferromagnético, el cual mantiene las líneas de campo magnético en su interior. Los solenoides tendrán áreas transversales iguales (A), pero poseen diferentes números de vueltas (N1) y (N2). En la primera bobina se tiene una fuerza electromotriz de CA (por estar conectada a la fuente de corriente alterna) ε1, con una amplitud v1, cuya relación viene dada por: ε1 = v1senωt Debido a que ε1 depende del tiempo, la corriente que circula por la primera bobina (primario) cambia, produciéndose una variación del flujo magnético ( θb) a través de ella. Según la ley de Faraday, la ε1 en el primario viene dada por la relación: di1 ε = L dt Siendo L la autoinductancia del solenoide 1. Al mismo tiempo, se induce una fuerza electromotriz ε2 a través de la bobina 2 (secundario). Esta ε2 se induce debido a que la

6 corriente variable en el primario produce un flujo magnético variable a través del secundario. Por definición, ε2 depende de M (inductancia mutua). Es posible plantear que, di ε 2 = M 1 dt ε 2 ε1 M = L En donde, M/ L es constante, por lo que ε2 tiene la misma dependencia armónica respecto al tiempo que ε1. Si la frecuencia angular de la corriente en el primario es ω, también lo será en la corriente inducida en el secundario. Del estudio de las leyes que rigen el comportamiento del campo magnético en solenoides, y haciendo N1 el número de vueltas en el primario y N2 el número de vueltas en el secundario, se puede plantear que: que sería equivalente a, ε 2 = ε1 v 2 = v1 N 2 N1 N 2 N1 si N2/N1=a, entonces, para a > 1 se tiene un transformador de subida o elevador, porque v2 > v2, mientras que para a < 1 se tiene un transformador de bajada o reductor, ya que v1 < v2. El valor de a se denomina razón de transformación. Cuando la potencia en el primario (Pp) es igual a la del secundario (Ps), Pp = Ps, se tiene un rendimiento del 100% y el transformador es ideal. Pero, si éstos son diseñados y construidos cuidadosamente (eficiente), las pérdidas por calentamiento por efecto Joule se reducen al mínimo. Como P = ε. I, se tiene entonces con esta condición que ε1 I1 = ε2 I2, y se tendría que, I1 = I 2 N 2 N1 Esto indica que las corrientes del primario y secundario están en razón inversa de los respectivos números de espiras. Lo cual expresa, también, que si a > 1 la corriente en el secundario disminuye y si a < 1 aumenta. Es importante reconocer que una corriente continua o directa (CC o CD) no afecta a un transformador, es decir, el transformador no transfiere energía cuando al primario se conecta a una corriente continua. Esto, debido a que la CC no varía con el tiempo (no tiene

7 dependencia temporal ni armónica), por lo que no puede producir cambios en el flujo magnético (θ B) y, por ende, no genera fuerza electromotriz inducida. Tipos de Transformadores En el mercado electrónico se encuentra una serie de transformadores, los cuales son fabricados para atender las diferentes necesidades. Algunos de éstos son: Transformador de alimentación. Es un transformador de dimensiones pequeñas cuya función es transferir con buen rendimiento la potencia de la red, cambiando los niveles de la tensión y de la corriente para adaptarlos a los requerimientos de los circuitos que conforman el equipo o aparato electrónico. Autotransformador. Es un transformador de potencia que permite adaptar las tensiones a cargas (resistencia conectada a los terminales del secundario) de distintos valores. El transformador llamado balastro, el cual utilizan las lámparas de neón (usadas en oficinas, casas y laboratorios), es un autotransformador. Transformador de audiofrecuencia. Se emplea con tensiones y frecuencias comprendidas entre 20 y hz, las cuales se consideran como audibles. Sirve para transferir potencia y para adaptar impedancias. Este tipo de transformador se utiliza generalmente en los transmisores y receptores a la salida de los micrófonos y entrada de altavoces. Transformador de radiofrecuencia. Es utilizado con tensiones cuya frecuencia es superior a los hz. Funciona como dispositivo de enlace entre dos circuitos y no como transformador del nivel de tensión y corrientes. Transformador de frecuencia intermedia. Es un transformador de radiofrecuencia que trabaja a una frecuencia fija. Transformador de adaptación de impedancias. Permite adaptar las impedancias de un generador y su carga correspondiente, esto con el fin de conseguir la máxima transferencia de energía.

8 PRÁCTICA COMPONENTES 2 metros de alambre esmaltado o con recubrimiento calibre 16 ó clavos de hierro de 3 ó 4 pulgadas (0.5cm de espesor) 2 clavos de acero de 3 ó 4 pulgadas (0.5cm de espesor) clips metálicos Pila de 9V Caimanes 1 Transformador con cables de más de un metro (con enchufe) para conectar a la línea de energía eléctrica. Opcional: Limadura de hierro. PARTE A ELECTROIMAN 1. Construya el electroiman como indican las siguientes figuras, empleando el clavo de hierro. (Hacer el mayor número de vueltas posible)

9 2. Alimente el electroiman con un voltaje de 6 Vdc, compruebe el funcionamiento como iman acercándole un clip o un objeto metálico. 3. Mida la corriente que pasa por el electroiman I = 4. Determine la distancia mínima en que debe ser colocado el objeto metálico para ser atraído. D = 5. Cambie el voltaje y mire el comportamiento del dispositivo. 6. Cambie el clavo de hierro por el clavo de acero, y mida nuevamente la corriente que pasa por el electroiman I = 7. Determine la distancia mínima en que debe ser colocado el objeto metálico para ser atraído. D = 8. Cambie el voltaje y mire el comportamiento del dispositivo.

10 9. Conclusiones. PARTE B TRANSFORMADOR 1. Cómo se pueden distinguir el primario del secundario en un transformador? 2. Copie las características del transformador conseguido. Potencia: Corriente máxima en el secundario: Voltajes de entrada: Voltajes de salida: 3. Mida las impedancias de entrada y salida del transformador. Zi = Zo = 4. Medir el voltaje de la línea de EPM, (hacerlo con el multímetro). Vepm =

11 ATENCION: Asegurese de que las conexiones de alta tensión sean seguras, es decir, evite cualquier riesgo de contaco entre los terminales de 110 V. 5. Conecte el primario del transformador conseguido a la línea, teniendo en cuenta que soporte 110Vrms en el primario. Mida con el multímetro los voltajes entregados en el secundario y estime la relación de espiras. Voltaje medido Voltaje medido Voltaje medido Relación Relación Relación 6. Decir 3 aplicaciones en las cuales se use el transformador: 7. Conclusiones.