Transfomador eléctrico

Un transformador  eléctrico es un dispositivo capaz de convertir una diferencia de potencial alterna en otra diferencia de potencial alterna de las mismas caracteristicas que la anterior pero de distinto voltaje o intensidad. Se utilizan para producir variaciones de tensión.

El tranformador está formado por:

– un núcleo, construido con finas láminas de acero dispuestas en forma de marco i pegadas entre si. Las láminas están aisladas entre ellas. El núcleo se utiliza para conducir el flujo magnético, ya que es un gran conductor magnético.

– Dos arrollamientos eléctricos, que son un hilo de cobre enrollado a través del núcleo en uno de sus extremos y recubierto por una capa aislante, que suele ser barniz. Está compuesto por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relación de vueltas del hilo de cobre entre el primario y el secundario nos indicará la relación de transformación. El nombre de primario y secundario es totalmente simbólico. Por definición allá donde apliquemos la tensión de entrada será el primario y donde obtengamos la tensión de salida será el secundario.

 

Funcionamiento.

Los transformadores se basan en la inducción electromagnética . Al aplicar una fuerza electromotriz en el arrollamiento primario, es decir una tensión o voltaje V1, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Al pasar la corriente por este primer arrollamiento, genera un campo magnético alrededor del núcleo de hierro. Dicho campo magnético es variable, pues ha sido creado por una corriente alterna, y dará lugar a la generación de una fuerza electromotriz , es decir tensión o voltaje V2 inducida en el segundo arrollamiento, llamado secundario.

Según la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna para que se produzca esta variación de flujo. En el caso de corriente continua el transformador no se puede utilizar.

Para calcular la relación de transformación (r), de acuerdo con la ley de Faraday-Henry, la fuerza electromotriz inducida en cada arrollamiento será:

V1 = – N1 ΔΦ/Δt

V2=  – N2 ΔΦ/Δt

Como la variación de flujo es la misma, al dividir las dos expresiones.

Tipos de transformadores

 – Los transformadores eléctricos elevadores tienen la capacidad de aumentar el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del arrollamiento secundario es mayor al del arrollamiento primario.

– Los transformadores eléctricos reductores tienen la capacidad de disminuir el voltaje de salida en relación al voltaje de entrada. En estos transformadores el número de espiras del arrollamiento primario es mayor al secundario.

Usos

Uno de los principales usos del transformador eléctrico es transformar la corriente alterna de entrada a nuestras viviendas de 220 v a corriente continua comprendida entre los 3 V y los 25 V, que es la que utilizan la mayoría de los circuitos electrónicos, de televisores, ordenadores, radios, cargadores…. Estos aparatos normalmente funcionan con pilas o baterías, pero cuando los conectamos a la red necesitamos transformadores.

En general, los transformadores que usamos en casa son reductores: el voltaje de salida es menor que el de entrada (220 V).

La corriente que sale del arrollamiento secundario es alterna. Para convertir la corriente alterna en continua necesitamoas cuatro diodos configurados para formar un circuito “rectificador de onda completa”.

El rectificador de onda completa, rectifica el semiciclo negativo de tensión y lo convierte en positivo, para conseguirlo uno de los métodos es utilizar un puente de diodos. La eficiencia de éste montaje es muy alta por lo que es muy utilizado.

Se trata de un montaje con cuatro diodos, en el semiciclo positivo los diodos D1 y D3 permiten el paso de la corriente hasta la carga, con la polaridad indicada. En el semiciclo negativo son D2 y D4 los que permiten el paso de la corriente y la entregan a la carga con la misma polaridad que en el caso anterior.

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Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan campos eléctricos. La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o tensión) en un conductor, de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente, se produce una corriente inducida. Este fenómeno fue descubierto por Michael Faraday en 1831, quien lo expresó indicando que la magnitud de la tensión inducida es proporcional a la variación del flujo magnético (Ley de Faraday).

Podemos observar que si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

Por otra parte,  Lenz comprobó que la corriente debida a la f.e.m. inducida se opone al cambio de flujo magnético, de forma tal que la corriente tiende a mantener el flujo. Esto es válido tanto para el caso en que la intensidad del flujo varíe, o que el cuerpo conductor se mueva respecto de él.

El signo menos de la ley de Faraday indica el sentido que va a llevar la corriente inducida y se conoce como Ley de Lenz: «El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que lo produce».

Aplicaciones de la inducción electromagnética

1.- Quizá una de las aplicaciones más inadvertidas sea la de control y vigilancia. 

– Las tarjetas de crédito (con banda magnética) nos permiten pagar en el supermercado, la autopista o la gasolina. La banda magnética que está compuesta por partículas ferromagnéticas incrustadas en una matriz de resina (generalmente epoxi) y que almacenan cierta cantidad de información mediante una codificación determinada que polariza dichas partículas. La banda magnética es grabada o leída mediante contacto físico pasándola a través de una cabeza lectora/escritora gracias al fenómeno de la inducción magnética.

–  En el autobús o el metro los billetes son “inteligentes” y saben cuanto tienen que cobrarnos y cuanto crédito nos queda para seguir viajando.

– Una “llave“ magnética permite abrir la puerta de la habitación del hotel, aparcar en zonas reservadas o entrar en nuestro garaje de casa, subir al telesilla en la estación de eskí, etc…

– Las de vigilancia son las de las etiquetas antihurto en los grandes almacenes, en las bibliotecas, tiendas de discos, etc… Se trata de etiquetas magnetoacústicas que se basan en excitar magnéticamente una vibración elástica resonante en un material magnetostrictivo que se estira y se encoge cuado está inmerso en un campo magnético alterno. Este sistema es particularmente fiable y sensible y permite cumplir la labor de vigilancia al dar la alarma en caso  de hurto.

Las tiras de estas etiquetas están cortadas con un largo y un ancho calculados para que, de la misma forma que una cuerda de guitarra, vibren a una frecuencia exacta, por un fenomeno de resonancia. Por tanto, si aplicamos un campo magnético de 58kHz a una etiqueta, este campo magnético induce un movimiento en las placas resonadoras. Si la placa polarizadora está imantada, es decir está activada, se produce resonancia y vibran a esta frecuencia de 58kHz, escuchándose un eco tras apagar el campo magnético.

Al pasar por caja, una antena integrada en los lectores de códigos de barras emite un breve pulso magnético de 58kHz y escucha. Si oye un eco magnético tras el pulso significa que hay una etiqueta próxima. En cuanto lee el código de barras comienza el proceso de desactivado. Si la targeta está desimantada no hay eco.

A la salida de la tienda hay una antena transmisora y otra receptora. La antena transmisora está continuamente emitiendo pulsos magnéticos de 58kHz a razón de 100 pulsos por segundo. Mientras que la antena receptora está escuchando esos pulsos.

Cuando una etiqueta que ha pasado por caja, desactivada, se coloca entre las dos antenas no ocurre nada. Porque al estar el polarizador desimantado no hay resonancia, el campo no le afecta.

Si pasamos con una etiqueta sin desactivar, esta absorbe energía del campo magnético, resuena en 58kHz y emitirá un eco magnético tras cada pulso. Este eco lo captará la antena receptora que inmediatamente hará sonar la alarma.

2.- Una del las principales aplicaciones es la de gererar energia eléctrica.

-La dinamo es un generador eléctrico que transforma la energía mecánica en energía eléctrica, debido a la rotación de cuerpos conductores en un campo magnético. El término «dinamo» es usado especialmente para referirse a generadores de los que se obtiene corriente continua.

Una espira de hilo de cobre se hace girar, entre los polos de un imán permanente. El giro es producido por una fuente externa. La espira va sujeta al armazón y conectada a unos colectores que se comporta como un conmutador. Los colectores estan cortados y tocan las escobillas fijas, al girar  hacen que la corriente tenga una única dirección, generando de esta manera corriente continua. Un de sus primeros usos fue la instalación en bicicletas para generar energía y poder alumbrar.

-El alternador. Si hacemos girar una espira de  cobre, situada entre los dos polos de un imán, inducimos una corriente eléctrica. Al girar la espira varia el flujo magnético que la atraviesa. Cuando la espira pasa junto al polo norte del imán, corta las líneas magnéticas que éste genera, induciéndose una corriente en las espiras. Si sigue girando cuando la espira pasa frente a la zona neutra, la corriente desaparece hasta que la espira se aproxima al polo sur, donde se vuelve a inducir una corriente de sentido contrario. En un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es de sentido contrario.

La corriente recogida, de esta forma, está cambiando constantemente de dirección: cada vez que el rotor gira media vuelta, el alambre positivo se convierte en negativo y viceversa, por este motivo esta corriente recibe el nombre de corriente alterna.

Como vemos se genera una onda de corriente alterna, cambia el sentido de la corriente y además la intensidad es variable (no siempre es la misma). Si somos capaces de unir los extremos de la espira a un receptor tendremos un generador de corriente eléctrica, en este caso de corriente alterna (alternador). En España los alternadores de las centrales eléctricas giran 50 veces por segundo, es decir la frecuencia de la corriente eléctrica es de 50 Hz (hertzios). Se repite la misma onda 50 veces cada segundo.

3.- Las Placas de inducción

Las placas de inducción funcionan y, efectivamente, calientan la comida manteniendo fría la superficie, de manera más eficiente, más controlable y más segura que las vitrocerámicas o las cocinas de gas.

Su funcionamiento se basa en obtener calor a partir de un campo magnético variable en un material conductor.

Una diferencia de potencial de corriente alterna es aplicada a las terminales de un solenoide, la corriente alterna fluye a través de las bobina o solenoide creando un campo magnético variable. Si un cuerpo conductor es insertado cerca de la bobina, la variación en el flujo magnético que pasa a través del cuerpo y, de acuerdo con la ley de Lenz, induce una fuerza electromotriz (fem), que actua sobre las cargas creando corrientes inducidas, que son convertidas en calor debido al efecto Joule y calentado el cuerpo.

La tecnología de inducción funciona cuando el recipiente con el contenido de hierro adecuado se coloca sobre la superficie de cocción. Y solo entonces: si no hay cazuela la placa no funciona. Por eso es una tecnología tan segura. El único calor de la superficie de cristal es el que se transfiere de la cazuela. Nada más. Y no vale cualquier recipiente porque los recipientes tienen que tener elementos ferromagnéticos que se vean afectados por el campo magnético. Para que la placa de inducción funcione es necesario que el menaje tenga los elementos de hierro justos.

4.- Detector de metales.

Toda corriente eléctrica genera un campo magnético, es decir, la «electricidad» (o sea, los electrones en movimiento) cuando fluye por el cable genera un campo magnético. Los metales son buenos conductores de la electricidad y además todos tienen comportamiento magnético aunque no todos por igual.  Existen tres tipos de magnetismo: ferromagnétismo, diamagnétismo i paramagnetismo.

Un detector de metales corriente es tan sólo una bobina de cable (como la del electroimán) por la que se hace pasar la electricidad. Al ocurrir esto se genera un campo magnético. Este campo magnético atrae a los materiales ferromagnéticos, repele a los antiferromagnéticos y a los diamagnéticos y atrae aunque de una forma más sutil a los paramagnéticos. Cuando el detector «nota» que el campo magnético que genera produce uno de estos efectos pita.