Transformacion de tension y corriente.docx

06/06/14

TRANSFORMACIÓN DE TENSIÓN Y CORRIENTE Departamento de Física y Electrónica Universidad de Córdoba, Montería RESUMEN En esta práctica se estudiara el comportamiento de los transformadores, tanto para transforma voltajes, y corriente, al cambiar el voltaje que se le aplica al circuito primario por medio de la fuente de alimentación.

1. TEORÍA RELACIONADA Es claro que la energía eléctrica se puede transportar por medio de conductores, y ahora describiremos cómo se puede transportar por el espacio vacío. La energía puede transferirse de un dispositivo a otro con el arreglo sencillo que se muestra en la figura 1. Observa que una bobina está conectada a una batería, y la otra bobina está conectada a un galvanómetro. Se acostumbra llamar primaria (entrada) a la bobina conectada a la fuente de energía o fuente de poder, y a la otra bobina se le llama secundaria (salida). Tan pronto como se cierra el interruptor de la primaria y pasa la corriente por su bobina, también en la secundaria se produce una corriente, aunque no haya conexión material entre las dos bobinas. Sin embargo, por la secundaria sólo pasa un breve impulso de corriente. Después, cuando se abre el interruptor de la primaria, se registra en la secundaria un nuevo impulso de corriente, pero en la dirección contraria.

Figura 1. Siempre que se abre o se cierra el interruptor de la primaria, se induce voltaje en el circuito secundario. Veamos la explicación: se forma un campo magnético en torno a la primaria cuando la corriente comienza a pasar por la bobina. Esto quiere decir que el campo magnético está creciendo, es decir, cambiando, en torno a la primaria. Pero como las bobinas están cerca entre sí, este campo que cambia se extiende hasta la bobina de la secundaria, y entonces induce un voltaje en la secundaria. Este voltaje inducido sólo es temporal, porque cuando en la primaria la corriente y el campo magnético llegan a un estado constante, es decir, cuando ya no cambia el campo magnético, ya no se induce voltaje en la secundaria. Pero cuando se apaga el interruptor, la corriente de la primaria baja a cero. El campo magnético en torno a la bobina desaparece y con ello se induce un voltaje en la bobina secundaria, que siente el cambio. Vemos que se induce voltaje siempre que cambia un campo magnético que pasa por la bobina, independientemente de la causa. Si colocas un núcleo de hierro por el interior de las bobinas primaria y secundaria en el arreglo de la figura 1, el campo

magnético dentro de la primaria se intensifica por el alineamiento de los dominios magnéticos. También se concentra el campo en el núcleo, y pasa a la bobina secundaria, que intercepta más del cambio en el campo. El galvanómetro indicará que los golpes de corriente son mayores al abrir o cerrar el interruptor de la primaria. En vez de abrir y cerrar un interruptor para producir los cambios de campo magnético, imagina que para activar la primaria se usa corriente alterna. Entonces, la frecuencia de los cambios periódicos del campo magnético es igual a la frecuencia de la corriente alterna. Éste es un transformador (figura 2). Un arreglo más eficiente se presenta en la figura 3.

Figura 2. Esquema de un transformador sencillo. Si la primaria y la secundaria tienen iguales cantidades de espiras (se suelen llamar vueltas) de alambre, los voltajes alternos en la entrada y en la salida serán iguales. Pero si la bobina secundaria tiene más vueltas que la primaria, el voltaje alterno producido en la secundaria será mayor que el alimentado a la primaria. En este caso, se dice que sube el voltaje. Si la secundaria tiene doble cantidad de vueltas que la primaria, el voltaje de la secundaria será del doble que el de la primaria. Esto se puede ver en los arreglos que muestra la figura 4. Primero examina el caso sencillo de una sola espira primaria conectada con una fuente alterna de 1 volt, y una sola espira secundaria conectada con el voltímetro de ca a). La secundaria intercepta el campo magnético cambiante de la primaria, y en aquélla se induce un voltaje de 1 volt. Si se pone otra espira en torno al núcleo, de manera que el transformador tenga dos secundarias b), interceptará el mismo cambio de campo magnético. Se ve entonces que también en él se induce 1 volt. No hay necesidad de mantener separadas las dos secundarias, porque las podríamos unir c) para tener un voltaje total inducido de 1 volt +1 volt = 2 volts. Eso equivale a decir que en una sola secundaria que tenga doble cantidad de vueltas que la primaria, se inducirá un voltaje de 2 volts. Si la secundaria se devana o se forma con triple cantidad de vueltas, se inducirá tres veces más

voltaje. El voltaje aumentado puede iluminar los letreros de neón o enviar energía a gran distancia.

primaria a determinado voltaje alterno, para tomar de la secundaria un voltaje alterno mayor o menor, según las cantidades relativas de vueltas en los devanados de la primaria y la secundaria que tenga el transformador. La relación entre los voltajes de la primaria y de la secundaria con las cantidades de vueltas es la siguiente:

V1 V2 = (1) N1 N2

Figura 3. Un transformador real y más eficiente. Las bobinas primaria y secundaria están devanadas en la parte interna del núcleo de hierro, que guía las líneas magnéticas alternantes (punteadas) producidas por la corriente alterna en la primaria. El campo alternante induce voltaje de corriente alterna en la secundaria. Así, la potencia a un voltaje de la primaria se transfiere a la secundaria, a un voltaje distinto.

Parecería que se puede obtener algo sin costo, con un transformador de subida; pero no es así, porque la conservación de energía determina siempre lo que puede suceder. Cuando un transformador sube el voltaje, la corriente en la secundaria es menor que la corriente en la primaria. En realidad, el transformador transfiere energía de una a otras bobinas. No te vayas a confundir con lo siguiente: de ninguna manera puede subir la energía, ¡no!, debido a la conservación de energía. Un transformador sube o baja el voltaje, pero no cambia la energía. La rapidez con la que se transfiere la energía se llama potencia. La potencia usada en la secundaria es la que se suministra en la primaria. La primaria no suministra más que la que usa la secundaria, de acuerdo con la ley de la conservación de la energía. Si no se tienen en cuenta las pequeñas pérdidas de potencia debidas al calentamiento del núcleo, entonces Potencia que entra a la primaria = potencia que sale de la secundaria La potencia eléctrica es igual al producto del voltaje por la corriente, y se puede decir que

V 1∗I 1=V 2∗I 2 (2)

Figura 4. a) El voltaje de 1 V inducido en la secundaria es igual al voltaje de la primaria. b) También se induce un voltaje de 1 V en la secundaria que se agregó, ya que intercepta el mismo cambio de campo magnético de la primaria. c) Los voltajes de 1 V, inducidos en las dos secundarias con una vuelta equivalen a un voltaje de 2 V inducido en una sola secundaria con dos vueltas. Si la secundaria tiene menos vueltas que la primaria, el voltaje alterno producido en la secundaria será menor que el producido en la primaria. Se dice que el voltaje baja. Con este voltaje menor se pueden hacer funcionar con seguridad los trenes eléctricos de juguete. Si la secundaria tiene la mitad de las vueltas que la primaria, entonces se induce en aquélla tan sólo la mitad del voltaje que se alimenta la primaria. Así, la energía eléctrica se puede alimentar a la

Se ve que si la secundaria tiene más voltaje que la primaria, aquélla tendrá menos corriente. La facilidad con que se pueden subir y bajar los voltajes con un transformador es la causa principal de que la mayoría de la electricidad sea de corriente alterna y no de corriente directa. [1] El valor de la resistencia de carga RL determina el valor de la corriente del secundario porque corriente del primario es

I 2 =V 2 /R 1 .

Además, la

I 1 =V 1 /R eq , donde

N1 2 R 1 (3) N2

( )

Req =

Es la resistencia equivalente de la resistencia de carga cuando se ve desde el lado del primario. Este análisis permite inferir que un transformador se puede usar para acoplar resistencias entre el circuito primario y la carga. De esta forma se logra una máxima transferencia de potencia entre una fuente de potencia y la

2

resistencia de carga. Por ejemplo, un transformador conectado 1. entre la salida de 1 k_ de un amplificador de audio y un altavoz de 8 _ asegura la transmisión de tanta señal de audio como sea posible al altavoz. En terminología de equipos estéreo, esto se llama acoplamiento de impedancias. [2]

Se monta el circuito según el esquema eléctrico. No debe haber entrehierro entre los núcleos en U i en I. Se pone el multímetro del circuito secundario en la escala de

300 mA . Se mide la

intensidad y se anotan los valores, se realizan las mediciones para una tensión primaria de 6V y 12V.

2. MONTAJE Y PROCEDIMIENTO Transformador de Tensión

2.

Se quita la lámpara del circuito secundario y se observa la

variación en las mediciones del amperímetro del circuito primario. 1.

Figura 5. Esquema eléctrico Monta el circuito según el esquema eléctrico. Introduce el núcleo en U hasta el tope en las dos bobinas. Levanta 90° grados el muelle del núcleo en l, en dirección a la parte longitudinal pulida. Introduce el núcleo en el de forma que los muelles del núcleo en l y del núcleo en U estén los dos arriba o abajo, y no se forme entrehierro. El alcance para medir la tensión continúa en la bobina secundaria de 1 V

2.

Pon primero la “tensión continua” de 4V en la fuente de alimentación.

Figura 6. Esquema eléctrico 2 3. RESULTADOS Los resultados de la práctica de laboratorio se muestran a continuación Parte 2 Cuando se abre y se cierra el interruptor, el multímetro empieza a marcar.

Abre y cierra el interruptor del circuito primario, y observa el multímetro. 3.

Aplica el circuito primario del transformador, con el interruptor abierto, una “tensión alterna” de 6V. Cambia los dos multímetro a tensión alterna, y mide la tensión en las dos bobinas.

Parte 3 y 4 Tabla 1. Resultados experimentales.

N1

N2

Lleva los valores a la tabla de 3) y 4). 4.

5.

Cambia las terminales de las bobinas, de forma que la bobina de 400 espiras sea la del campo y la de 1600 espiras la de inducción.

160 0

Mide las dos tensiones y anótalas.

400

Aplica a la bobina primaria de 1600 espiras una tensión alterna de 12V, y cierra el circuito de la bobina secundaria con la lámpara de 4V/0,004 A.

Parte 5

Transformador de Corriente

U1

U2

U1

U2

N 1 : N 2 U 1 :U 2

(V)

(V)

(V)

(V)

400

6

1,5

7,02

1,7

4

4

160 0

6

24

14,15

3,41

0,25

0,25

En esta parte cuando se abre el circuito para la lámpara, esa enciende, por la presencia del voltaje inducido.

3

4. ANÁLISIS Y CONCLUSIONES

1. La tensión aparece en la bobina secundaria por inducción

Evaluación

magnética que genera la bobina primaria. 2. La principal propiedad de la corriente alterna es que esta cambia con el tiempo.

Transformador de tensión 1.

¿Cómo aparece una tensión en la

2a

3. La corriente alterna lo que le hace al campo magnético es que este no permanezca contante, sino que este varié conforme varia la corriente

bobina (bobina

secundaria) al aplicar una tensión continua a la

1a

4. La tensión y la corriente permanente se forma en la bobina de inducción a causa de la corriente alterna que forma el campo magnético variable.

(bobina primaria), a pesar de que no están conectadas entre sí? 2.

¿Qué propiedades tiene la corriente alterna?

3.

¿Cómo actúan las propiedades sobre el campo magnético de la bobina de campo?

4.

Explica, entonces, porque la bobina de inducción del transformador se forma una tensión permanente- ya al cerrar el circuito una tensión permanente-.

5.

¿Cómo se reduce la tensión en un transformador?

6.

¿Cómo se eleva la tensión en un transformador?

7.

¿Por qué puede conectarse a la bobina secundaria del transformador una lámpara de 4V, aunque la tensión aplicada a la bobina primaria sea de 12V.

8.

Los resultados de las mediciones serán diferentes en cada uno de los grupos. Discute las causas con el profesor, averigua los “valores ideales”, y llévalos a la tabla anterior, junto a los valores medidos.

9.

5. Para que se reduzca la tensión en un transformador, 6. Para que se eleve la tensión en un transformador,

N2> N1

7. A la bobina secundaria se le puede conectar la lámpara de 4V, aunque el voltaje de entrada es de 12V, ya que las espiras de la bobina secundarias son menores que las de la bobina primaria, en pocas palabras el trasformador está reduciendo el voltaje, para que salga menos o los 4V. Las preguntas 8 y 9 están en la tabla 1. 10. Al comparar las relaciones que hay entre el número de vueltas de las espiras y de los voltajes, podemos ver que la relación entre el número de espiras y voltaje en un circuito que forma un transformador son in iguales Transformador de corriente.

Determina en los dos experimentos, la relación de los 1. números de espiras, y la relación de tensiones “ideales” lleva también esas relaciones a la tabla.

10. Copara la relación de espiras y de tensiones en el transformador. Tabla 2. Numero de espiras y voltajes.

N1

N2

U 1 (V )

U 2 (V )

1000

200

20

4

800

100

48

6

600

1800

12

36

200

1000

8

40

300

1200

4

16

1500

500

24

8

Lleva a la tabla los valores ideales calculados de las tensiones.

N 1 N 2 U 1 (V )U 2 (V )I 1 (mA)I 2 ( mA)N 1 : N 2U 1 :U 2I 1 : I 2 160 40 0 0 160 40 0 0 160 40 0 0

11. Halla los valores que faltan en la siguiente tabla.

Desarrollo

N2 N 2 , existe una reducción en el voltaje,

y si es lo contrario

N 1 < N 2 hay una elevación.

Que no hay necesidad que el circuito o las espiras de las bobina toque le material ferromagnético para inducir una tención en la bobina secundaria. La corriente de salida depende del número de espiras, si

N1> N2

existe una amplificación de la corriente y si

N1< N2

el trasformador se comporta como reductor de

corriente, de igual manera la corriente depende de la tensión, a mayor tensión mayor es la corriente. De las observaciones realizadas también se puede obtener la relación matemática:

I 1 N 1=I 2 N 2 R/= Para usos industriales, existen casos en que la maquinaria a trabajar o los procesos a realizar necesitan tensiones del orden de los kilovoltios KV, para estos casos son utilizados los trasformadores, para lograr la tensión de salida necesaria aunque la tensión de entrada sea menor a esta.

5. REFERENCIAS [1] P. Hewitt, Física Conceptual, Décima Edición, Editorial PEARSON [2] R. Serway, Física Para Ciencias E Ingenierías, Séptima Edición, Volumen 2, Editorial CENGAGE.

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