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El transformador eléctrico

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.

O en otras palabras, el henrio (símbolo H) es la unidad de medida de la inductancia en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Se define como la inductancia de un circuito en el que una corriente que cambia a razón de 1 amperio por segundo produce una fuerza electromotriz (f.e.m.) de autoinducción de 1 voltio.

En resumen, la inductancia se define como la relación entre la f.e.m. inducida en una bobina y la tasa de cambio de la corriente que circula por ella. Cuanto mayor sea la inductancia de una bobina, mayor será la cantidad de energía almacenada en ella cuando se aplica una corriente. La unidad de medida del henrio es importante en la electrónica y en la ingeniería eléctrica, ya que ayuda a describir la relación entre corriente y voltaje en circuitos que contienen inductores.

Matemáticamente, la inductancia L se expresa como:

L = ΔΦ / ΔI

donde ΔΦ es la variación del flujo magnético en la bobina y ΔI es la tasa de cambio de la corriente que la atraviesa.

Cuando la corriente que circula por la bobina varía, se produce un cambio en el flujo magnético que la rodea, lo que a su vez genera una f.e.m. inducida en la bobina. La inductancia mide la cantidad de flujo magnético que se genera por unidad de corriente que circula por la bobina. Por lo tanto, cuanto mayor sea la inductancia, mayor será la cantidad de energía almacenada en la bobina cuando se aplica una corriente.

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.

Generalmente se hace uso de la inductancia mutua para transferir, por medios magnéticos, la energía eléctrica de un circuito a otro. La inductancia mutua de dos circuitos magnéticos es máxima cuando se logra un acoplamiento máximo. En el caso de la figura 1 que consideramos, si todas las líneas de fuerza generadas por L1 alcanzan o cortan a todas las espiras de L2, existe acoplamiento máximo.

Como esta condición resulta en la práctica imposible de alcanzar, se puede expresar el grado de acoplamiento entre dos circuitos en tanto por ciento. Hay acoplamiento, digamos, del 25 %, cuando todas las líneas de fuerza atraviesan solo una parte del bobinado o cuando solo una cuarta parte de las líneas de fuerza atraviesan todo el bobinado. Es posible llegar a un grado de acoplamiento de casi el 100 % cuando se montan dos bobinados sobre un mismo núcleo, como en el caso de los transformadores de potencia, en los cuales es imprescindible una elevada transferencia de un circuito a otro.

Probablemente la aplicación más útil de la inducción electromagnética, aparte de la generación de energía eléctrica, sea el transformador.

Sólo se induce f.e.m. cuando existe un cambio en el flujo magnético que atraviesa una bobina. Este cambio se puede producir por medio de un movimiento o conectando y desconectando el circuito, pero si el campo se produce por medio de una corriente alterna éste cambiará de valor y de dirección continuamente. Esto tiene como consecuencia la aparición de una f.e.m. inducida que cambia constantemente. El transformador es, por tanto, un aparato de corriente alterna en el cual por medio de una corriente alterna en su entrada se genera una f.e.m. alterna en su salida.

En la figura siguiente se muestra el principio del transformador.

Figura -Principio de funcionamiento del transformador.

Cuanto más cerca se puedan poner las bobinas una de otra, mejor alcanzará el campo del primario al secundario, es decir, que se dispersará menos flujo magnético. El mejor sistema es unir las bobinas por medio de un núcleo de hierro para obtener el máximo aprovechamiento del campo magnético. En la figura a continuación se muestra cómo se puede llevar a cabo esto en la práctica.

El factor de Inductancia Mutua que hemos analizado, se utiliza en la práctica para transferir energía de un circuito a otro mediante un elemento electromagnético denominado transformador.

Es muy posible que el transformador sea, en el campo de la electricidad aplicada, uno de los dispositivos más ampliamente utilizados, se le denomina comúnmente transformador estático, por cuanto carece de partes móviles. En su expresión más simple, un transformador está constituido por un devanado primario al cual se le aplica la energía eléctrica y un bobinado secundario, del cual se extrae la energía a consumir. Se denomina transformador elevador de tensión aquel que entrega sobre el secundario un potencial mayor que el del primario y transformador reductor de tensión el que posee un secundario que suministra menor tensión que la del primario. Existen también transformadores que entregan en el secundario igual tensión que la del primario, pero en estos casos son utilizados simplemente como elementos de enlace entre dos circuitos.

Fig. 2 - Transformador estático con núcleo magnético cerrado .

En la figura 2 representamos un transformador simple, el cual consta de un bobinado L1, primario, alimentado por corriente alterna y otro devanado, secundario, L2, acoplado, magnéticamente al primero, mediante un núcleo de láminas de hierro. Este núcleo, como ya hemos estudiado, permite una mejor transferencia del flujo magnético originado. En la figura puede apreciarse que el núcleo se encuentra cerrado lo cual intensifica el campo y hace disminuir las pérdidas .

Fig. 3 - Variaciones en la intensidad del campo magnético ( en Gauss ) producidas en un transformador alimentado por una corriente alterna sinusoidal .

Y bien, siendo la tensión aplicada sobre el primario alternada, naturalmente que sufrirá variaciones periódicas en sus valores. Esto hará que el campo magnético originado se expanda y se contraiga, acorde con las variaciones de la corriente aplicada al primario. En efecto, la intensidad del campo H (en Gauss) variará según la representación gráfica de la figura 3, siendo por lo tanto este campo variable en una frecuencia igual a la de la f.e.m., alterna aplicada al transformador.

Consecuentemente, sobre el secundario se hará presente una tensión inducida de las mismas características que la del primario y que hará circular por este circuito una corriente que será acusada por el instrumento intercalado, según se aprecia en la figura 2. Ambos circuitos, primario y secundario, estarán acoplados magnéticamente entre sí por la inductancia mutua del conjunto, acrecentada por la presencia del núcleo laminado. La forma que presenta este núcleo y la disposición de los bobinados no es precisamente la ideal a los fines de lograr una máxima transferencia de energía del primario al secundario.

En la práctica, y muy especialmente en los transformadores de poder y también de audiofrecuencia (utilizados en los viejos amplificadores de sonido), se construyen transformadores bobinados sobre núcleos aun más cerrados, tal como se aprecia en la figura 4, montándose el secundario sobre el devanado primario. Bajo esta disposición, el flujo magnético permite ser aprovechado al máximo, aumentando la intensidad del campo. Esto se traduce en una f.e.m. inducida mayor sobre el secundario, pues prácticamente, casi la totalidad de las líneas de fuerza pasan a través del núcleo de hierro.

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