CONCEPTOS DE ELECTROTECNIA PARA APLICACIONES INDUSTRIALES

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Electricidad - Electromagnetismo. Inductancia Mutua. Transformador eléctrico.

 


 

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Electricidad - Electromagnetismo

Campos magnéticos

Cuando fluye una corriente continua en un conductor, se produce un campo magnético circular alrededor del conductor, como se muestra en la figura 1a. Los campos magnéticos crean un flujo magnético o líneas de fuerza asociados con ellos. Cuando una corriente pasa a través de una inductancia o bobina, el campo magnético de cada conductor se suma para formar un campo magnético como se muestra en la figura 1b, similar al de un imán.

Fig. 1 - Líneas magnéticas de flujo producidas por (a) un conductor recto y (b) una bobina.

Si se coloca un imán como se muestra con su polo norte cerca del polo sur de la bobina, será atraído hacia la bobina. Si el imán se invierte, será repelido por la bobina, es decir, los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen. Cuando se corta la corriente, el campo magnético en la bobina comienza a colapsar y al hacerlo induce un voltaje (voltaje inverso) en la bobina en la dirección opuesta al voltaje de conducción inicial, para oponerse al colapso de la corriente.

Fig. 2 - Se muestran las líneas de flujo en (a) una bobina con núcleo de hierro y (b) en un núcleo de hierro cerrado.

La facilidad de establecer las líneas magnéticas de fuerza cuando se aplica un voltaje a través de un inductor es una medida de su inductancia. Los materiales como el hierro dulce o la ferrita son conductores de líneas de fuerza magnéticas, de modo que la fuerza del campo magnético y la inductancia de la bobina aumentan considerablemente si se utiliza uno de estos materiales como núcleo de la bobina. La inductancia cambiará a medida que el núcleo se mueva hacia adentro y hacia afuera de la bobina (vea la figura 2a). Por tanto, tenemos un medio para medir el movimiento. Las líneas magnéticas de fuerza forman un circuito completo como se muestra en la figura 2a, la resistencia a estas líneas de fuerza (reluctancia) se puede reducir al proporcionarles un camino tanto dentro como fuera de la bobina con un núcleo de hierro dulce como se muestra en la figura. 2b, con una reluctancia reducida, el flujo magnético aumenta varios órdenes de magnitud en el núcleo magnético cerrado.

Fig. 3 - (a) Las líneas de flujo que acoplan dos bobinas y (b) un transformador con núcleo de hierro.

Si el imán de la figura 1b se reemplaza por una segunda bobina, como se muestra en la figura 3a, y hay una corriente alterna que fluya a través de la primera bobina, entonces la formación, colapso e inversión de líneas magnéticas de flujo en el primera bobina también abarcará e inducirá una fuerza electromotriz de CA en la segunda bobina.

Los transformadores son dispositivos que transfieren energía de una bobina (primaria) a una segunda bobina (secundaria) como en la figura 3b. Las líneas de flujo se concentran en el núcleo y, debido a la reducida reluctancia dentro del núcleo completo, existe un acoplamiento muy eficiente y estrecho entre las dos bobinas. Esto permite la transferencia de energía de una bobina a otra con bajas pérdidas (> 95 por ciento de eficiencia) sin tener ninguna conexión eléctrica directa entre las dos bobinas, como se puede ver. Esto también permite la transferencia de energía cuando se producen variaciones de niveles de magnitud de corriente continua. Al ajustar la relación de vueltas entre las dos bobinas, se puede aumentar o reducir la salida de voltaje de la bobina secundaria. La relación de voltaje entre las bobinas viene dada por

donde

  • VP = voltaje primario
  • NP = número de espiras en la bobina primaria
  • Vs = tensión secundaria
  • Ns = número de espiras en la bobina secundaria

La potencia y la corriente también se pueden considerar, en el caso de la potencia:

y en el caso de corriente:

Inductancia Mutua.

Los efectos electromagnéticos producidos entre dos circuitos que se encuentren próximos, esto es, cuando los respectivos campos magnéticos de los mismos se influencien entre sí, han sido incluidos bajo la denominación de inductancia mutua o inducción mutua. Estos fenómenos son de gran aplicación en electrónica, radio y TV. Donde los transformadores de corriente eléctrica representan un ejemplo típico de la inducción mutua entre dos circuitos.

Para poder interpretar mejor el efecto de inducción mutua, recurramos a la figura 4 siguiente, donde se representa un inductor L1, alimentado por una corriente alterna y otro inductor L2 al que vamos a considerar se encuentra próximo al primero, de modo que sea influenciado por el campo magnético de aquel.

Evidentemente, al cerrar el circuito sobre L1, circulará por este bobinado una corriente alterna, que a su vez, dará origen a un campo magnético variable. Como L2 está próximo, este campo magnético ejercerá su acción sobre el mismo, creando sobre L2 una f.e.m. de autoinducción.

La tensión presente sobre L2, originará una circulación de corriente que será acusada por el galvanómetro intercalado. Por lo tanto, L2, a su vez, originará un nuevo campo magnético debido a la f.e.m. inducida, y este nuevo campo magnético afectará también a L1, que fue el que le dio origen.

De resultas de ello se verán, pues, afectadas las respectivas autoinducciones de L1 y L2 en sus valores propios. Cuanto más próximos se encuentren entre sí ambos bobinados, mayor será el efecto mutuo provocado.

Fig. 4 - Inducción mútua entre dos bobinas acopladas magnéticamente .

Definimos al Henrio o Henry como la unidad de inductancia, diciendo que se tenía una inductancia de 1 Henrio cuando una bobina recorrida por una corriente que variaba a razón de 1 Amperio por segundo, era capaz de generar una f.e.m. de autoinducción de 1 Voltio. Pues bien, podemos decir ahora que el valor de Inductancia Mutua del circuito de la figura 4 será de 1 Henrio cuando una variación de corriente de 1 Amperio por segundo sobre L1, genere sobre L2 una f.e.m. inducida de 1 Voltio.

Es natural, pensar entonces, que para que sobre L2 se genere 1 Voltio, será necesario aproximarlo a L1 en una medida dada. Esto determinará el grado de acoplamiento entre ambos circuitos y afectará al valor de inductancia mutua. Se dice que dos circuitos se encuentran acoplados entre sí por la inductancia mutua. Esta se representa con la letra M.

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