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Los principios electromagnéticos en los que se fundamentan el funcionamiento de una gran variedad de dispositivos han permitido el desarrollo y avance de las tecnologías con las que hoy contamos y cuyos beneficios se han traducido en el desarrollo de la humanidad.
En esta oportunidad analizaremos el fenómeno de inducción electromagnética fundamentado en la Ley de Faraday y abordaremos una de las aplicaciones de las que diariamente hacemos uso:
El Transformador
Cuando una corriente eléctrica fluye por un conductor se establece o da origen a un campo magnético en el entorno del conductor, según lo establece la Ley de Biot Savart y la Ley de Ampere.
Cuando este conductor tiene la geometría de una bobina o solenoide de “N” vueltas, las líneas de campo magnético se alinean o superponen en el volumen interior de la bobina generando una mayor concentración de campo magnético en esa zona. Este campo magnético se traduce en un flujo magnético de mayor intensidad que atraviesa la sección transversal de dicha bobina.
El campo magnético y flujo magnético serán constantes en el tiempo si la corriente eléctrica permanece constante y fluctuarán de manera proporcional a las variaciones que la corriente eléctrica presente.
El físico Michael Faraday determinó que estas variaciones temporales de flujo magnético captadas por circuitos vecinos inducen sobre ellos un voltaje al que se le denomina voltaje inducido o fuerza electromotriz inducida (Ver figura 2), matemáticamente expresada de la siguiente forma:
vind → Voltaje inducido
N → Número de espiras
ϕ → Flujo magnético
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La polaridad del voltaje inducido es determinado por la Ley de Lenz, la cual establece que la corriente eléctrica inducida en el circuito tendera a ser opuesta a la variación del flujo magnético que la origino.
Dado que la magnitud del voltaje inducido es proporcional a las líneas de campo magnético que atraviesan el circuito, se utilizan núcleos de hierro que permiten canalizar las líneas de campo producidas en el circuito primario hacia el circuito secundario intensificando de esta forma las líneas de campo magnético (Ver figura 3) .
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La configuración mostrada en la figura 4 entre los circuitos primario y secundario, constituida por bobinas eléctricamente aisladas, es conocida como un Transformador. Este permite bajo los principios de inducción electromagnética la obtención de voltajes inducidos de mayor o menor valor en el circuito secundario en relación con el voltaje de alimentación en el circuito primario.
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Según la relación entre los voltajes secundario (Vs) y primario (VP), los transformadores se clasifican como transformadores Elevadores (Vs > VP) y Reductores (Vs < VP).
La relación matemática que determina la relación entre los voltajes primario y secundario es obtenida aplicando la Ley de Faraday en el circuito primario y secundario, tal y como se muestra a continuación:
Dado que por cada uno de los devanados o bobinas atraviesa el mismo número de líneas de campo, se tiene que:
Esto implica que la razón entre los voltajes puede escribirse de la forma:
Se observa que si N2 > N1 el transformador es de tipo elevador, y cuando N2 < N1, el transformador es reductor.
Como un ejemplo practico consideremos un timbre de puerta diseñado para operar con un voltaje de entrada (primario) promedio residencial de 115 voltios de corriente alterna. Si los devanados primario y secundario son de 1500 vueltas y 157 vueltas respectivamente ¿Cual es el voltaje de salida en el devanado secundario?
Solución:
Según la expresión:
La transformación del voltaje esta presente en todas las redes que operan a grandes y pequeñas y escalas. La transmisión de Energía eléctrica desde plantas de alta tensión requiere del uso de transformadores, los cuales además de reducir los riesgos de voltajes elevados para uso domestico, minimizan el calibre de los conductores eléctricos y satisfacen a su vez el requerimiento de equipos cuyo voltaje de operación son menores.
Referencias
- Circuitos Eléctricos. James W. Nilson. Cuarta edición. Addison-Wesley Iberoamericana.
- Introduction To Electromagnetic Fields Third Edition / Clayton R. Paul, Keith W. Whites, Syed A. Nasar
- Física Vol. II Campos y ondas. Marcelo Alonso, Edward J. Finn. Fondo Educativo Interamericano, S.A.
- Física para ingeniería y ciencias Vol.2 Tercera Edición / Hans C. Ohanian, John T. Markert.
- Teoría electromagnética. Willian H. Hayt, Jr., John A. Buck. Séptima edición. McGraw Hill.