APLICACIÓN DE LA LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY: EL TRANSFORMADOR TAREA DE PREPARACIÓN

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1 Andrés González 393 APLICACIÓN DE LA LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY: EL TRANSFORMADOR TAREA DE PREPARACIÓN 1. Por qué el núcleo del transformador es de hierro o acero? Podría ser de otro material? El núcleo del transformador tiene el propósito de aumentar el flujo magnético y proporcionar un medio en el cual casi todo el flujo que pase a través de una bobina lo haga a través de la otra. Para este propósito se utilizan materiales como el hierro y el acero que son buenos para este propósito. Estos materiales presentan una propiedad llamada ferromagnetismo, la cual consiste en un incremento del flujo de campo magnético en la trayectoria que estos materiales siguen. El propósito del núcleo de hierro o acero en un transformador es direccional el flujo que pase a través de la bobina lo haga en la otra. Se podrían utilizar otros materiales pero quizá no serían tan efectivos como los mencionados anteriormente.. Cuáles son las fuentes de pérdida de potencia en los transformadores? Una de las principales causas de pérdida de potencia en los transformadores son las pérdidas por calor joule causadas por la resistencia finita de los alambres de la bobina suele ser bastante pequeña. Además, las fuentes de perdida también pueden ser: Calentamiento de núcleo: debido a que el embobinado del núcleo esta hecho de alambre, este consume potencia a causa de la resistencia que posee, manifestándose el efecto joule. Histéresis: Cuando el material presenta un campo magnético definido, y se opte por un cambio en dicho campo se consume energía en ese cambio. Debido a esto, los materiales escogidos para un transformador deben tener una muy baja histéresis. 3. Un solenoide de cm de longitud tiene vueltas, el radio de una de las vueltas es de 5 cm y su resistencia es de 4 ohm. En su interior hay un solenoide de igual longitud y de 4 vueltas cada una de cm de radio. Si se conecta el solenoide interior a una fuente de corriente senoidal iio Sen wt, cuya frecuencia

2 es de 6 ciclos/seg y su amplitud de.5 A, determine la máxima corriente que circula por el solenoide exterior. Ayuda: Recuerde que el campo Bs producido por un solenoide por el que circula la corriente I está dado por Bs µo NI/L (siendo N el número de vueltas y L la longitud). ε N1 Φ Φ B A Φ Φ i I 1 i sen(377t)[a] di 188.5cos(377t) ΦB 4 7 πµ ε N [V] I B B max B µ IN L µ Nπr L sen(wt) ε R B πr.1v 4Ω i 4 5 3mA πµ 4. Qué papel desempeña R en el circuito de la fig. 3.b? i R influye en el valor de la corriente que fluye a través del circuito que se alimenta por la fem inducida. Es decir la corriente del secundario. A partir de la convención de la guía se tiene que dicha corriente corresponde a: I V R

3 Andrés González 393 PREINFORME El montaje para esta práctica de laboratorio se compone de una bobina conectada a un interruptor y a una batería. Esta bobina es llamada bobina primaria y al circuito correspondiente como el circuito primario. La bobina se enrolla alrededor de un anillo de hierro para intensificar el campo magnético producido por la corriente a través de ella. Una segunda bobina, a la derecha, también se enrolla alrededor del anillo de hierro y se conecta a un galvanómetro. A esta la definimos como la bobina secundaria y al circuito correspondiente como el circuito secundario. A partir de la variación del campo eléctrico se produce una corriente eléctrica inducida. Una corriente no puede producirse mediante un campo magnético estable. La corriente que se produce en el circuito secundario ocurre sólo durante un instante mientras el campo magnético a través de la bobina secundaria está cambiando. En efecto, el circuito secundario se comporta como si hubiera una fuente de fem conectada a él durante un breve instante. La ley de inducción de Faraday dice que: La fem inducida en un circuito es directamente proporcional a la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito. Los Transformadores Los Transformadores son dispositivos diseñados para transferir energía eléctrica de un circuito a otro. Logran esta transferencia usando un campo magnético que intersecta ambos circuitos. Además de llevar a cabo transferencias de energía, los transformadores también son capaces de entregar un distinto valor de corriente o de voltaje alterno en sus terminales de salida con respecto a los valores aplicados a sus terminales de entrada. El transformador funciona empleando el fenómeno eléctrico de la inductancia mutua. Esta inductancia mutua es el efecto que se presenta cuando el campo magnético de un elemento también influye en otros elementos cercanos. El resultado de este acoplamiento magnético es que se inducen corrientes y voltajes en los elementos cercanos. Aunque la inductancia mutua puede ser efecto indeseable en algunos casos. El transformador consiste de dos bobinas (llamadas primario y secundario) enrolladas alrededor de un núcleo común de material magnético Si pasa una corriente en el devanado primario, origina un campo magnético que está restringido principalmente al núcleo magnético alrededor del cual está el devanado primario. Si en el mismo núcleo está también enrollada otra bobina

4 (secundario), el campo magnético también llegará a la bobina secundaria. Si la corriente en el primario es continua (corriente directa), no afectará a la bobina secundaria porque el campo magnético también será constante. En particular, no pasará corriente en la bobina secundaria. Si la corriente en el primario es variable (ca) en lugar de ser fija, el campo magnético en el núcleo también cambiará. Como un campo magnético cambiante es visto por un conductor como un campo magnético en movimiento, las cargas libres en el conductor de la bobina secundaria experimentan una fuerza. Como se pueden mover, estas cargas libres se trasladan bajo influencia de la fuerza y se producirá una corriente. De este modo, una corriente cambiante en el primario, originará un flujo de corriente en el secundario de un transformador. El núcleo de hierro cumple la función de concentrar las líneas de campo magnético, es decir, aumentar la permitividad magnética del medio. La ley de Faraday establece que la magnitud del voltaje inducido por la variación de un flujo magnético en una bobina de N vueltas está dada por dφ dφ VS - NS VP - NP Donde: V : Es la fem inducida dφ : es la razón de cambio del flujo magnético respecto al tiempo. N : número de espiras de la bobina Asumiendo que la variación del flujo es la misma en ambas bobinas y dividiendo una ecuación entre la otra tenemos: V S / V P N S / N P La eficiencia de un transformador se define como la razón entre la salida y la entrada de potencia (P VI) Salida de potencia Eff s Entrada de potencia ISV I V P S P Donde I P e I S son respectivamente las corrientes en las bobinas primaria y secundaria. Permeabilidad magnética Con la aplicación de un voltaje sinusoidal el campo magnético correspondiente al núcleo del transformador es: B B cos wt, y el flujo magnético φ BA.

5 Se puede obtener que: V B 1πN Y de aquí µ N I B LP Donde P,P S,RMS A µ: Permeabilidad magnética del núcleo del transformador. I P : Corriente primario del embobinado primario. L P : Longitud de la bobina primario. N P : Número de vueltas de la bobina primario.