sábado, 1 de diciembre de 2012

31.8 El transformador


Anteriormente se hizo notar que cuando una corriente cambia en una espira de alambre se induce una corriente en una espira cercana. La corriente inducida se origina del campo magnetico cambiante asociado con la corriente que varia. La corriente alterna tiene una clara ventaja sobre la corriente directa y es el efecto inductivo de la corriente que varia constantemente en magnitud y en dirección. La aplicación mas frecuente de este principio esta representada por el transformador, que es un dispositivo que aumenta o disminuye el voltaje en un circuito ca.
Un transformador simple tiene tres partes esenciales: (1) una bobina primaria conectada a una fuente de ca. (2) una bobina secundaria y (3) un nucleo de hierro dulce. Al aplicar una corriente alterna a través de la bobina primaria, las líneas de flujo magnetico se mueven de un lado a otro atraves del nucleo de hierro, induciendo una corriente alterna en la bobina secundaria.
Se establece el flujo magnetico que cambia constantemente en el nucleo del transformador y pasa atraves de las bobinas primaria y secundaria. La fem &p inducida en la bobina primaria se obtiene por medio de
&p = -Np Ao/At

Donde Np = numero de espiras primarias

AO/At  = rapidez con que cambia el flujo magnetico
En forma similar, la fem &x, inducida en la bobina secundaria es

&s = -Ns AO/At

Donde Ns es el número de espiras en la bobina secundaria. Puesto que el mismo flujo cambia con la misma rapidez en cada una de las bobinas, se puede dividir la primera ecuación con la ecuación anterior para obtener:
&p/&s = Np/Ns
voltaje primario/voltaje secundario = espiras primarias/espiras secundaria

El voltaje inducido esta en proporción directa al numero de espiras. Si la razón de las espiras secundarias Ns , respecto a las espiras primarias  Np varia, entonces un voltaje de entrada (primario) puede suministrar cualquier voltaje de salida (secundario) deseado. Por ejemplo, si en la bobina secundaria hay 40 veces mas espiras que en la bobina primaria, un voltaje de entrada de 120 V incrementara el voltaje de salida en la bobina secundaria hasta 40 x 120 = 480 V. a un transformador que produce un voltaje de salida mayor se le llama transformador elevador.
 Se puede construir un transformador reductor haciendo que el numero de espiras primarias sea mayor que el numero de espiras ecundarias. Si se usa un transformador reductor se obtiene un voltaje de salida mas bajo.
El rendimiento de un transformador se define como la razón de la potencia de salida respecto ala potencia de entrada. Recuerde que la potencia eléctrica es igual al producto del voltaje por la corriente, asi que podemos escribir el rendimietno E de un tansformador como

E = potencia de salida/ potencia de entrada = &s 1s / &p 1p

Donde  Ip e I, son las corrientes de las bobinas primarias y secundarias, respectivamente. La mayoría de los transformadores eléctricos se diseñan con sumo cuidado con el propósito de lograr un redimiento extremadamente alto, en generalpor arriba del 90 por ciento.
Es importante darse cuenta de que no se obtiene ninguna ganancia de potencia como resultado de la acción del transformador. Cuando el voltaje se eleva la corriente debe disminuir., de modo que el producto &i no aumente. Para recibir esto con mas claridad, supongamos que un determinado transformador tiene un rendimiento del 100 por ciento. En el caso de este transformador perfecto, la ecuación  anterior se cuelve

&s Is = &p Ip
O bien,
1p/1s = &s/&p



31.7 Tipos de motores


Los motores de cd se clasifican de acuerdo con la forma en que están conectadas las bobinas y la armadura. Cuando las bobinas de la armadura y las bobinas del campo se conectan en serie, se dice que el motor esta devanado en serie. En este tipo de motor, la corriente suministra energía tanto al devanado del campo como al de la armadura. Cuando la armadura gira lentamente, la fuerza contraelectromotriz es pequeña y la corriente es grande. En consecuencia, se desarolla un gran momento del torsión a bajas rapideces.
En un motor devanado en derivación, el devanado del campo y el de la armadura están conectados en paralelo. El voltaje total se aplica a través de ambos devanados. La principal ventaja en derivación es que produce un momento de torsión mas constante para un amplio intervalo de rapideces. Sin embargo, el momento de torsión inicial es generalmente menor que el necesario para un motor similar devanado en serie.
En algunas aplicaciones, devenado de campo esta dividido en  dos partes, una de las cuales se conecta en serie con la armadura y la otra en paralelo. Un motor de este tipo se llama motor compuesto. El momento de torsión que produce un motor compuesto queda comprendido entre los que presentan motores devanados en serie y en derivación.
En motores de iman permanente no es necesario aplicar una corriente para crear el campo. Estos motores tienen un momento de torsión con características análogas a las de los motores devanados en derivación.


31.6 Fuerza contra electromotriz en un motor


En un motor eléctrico, un momento de torsión magnético provoca que una espira,  por la cual fluye corriente, gire en un campo magnético constante. Acabamos de estudiar que una bobina que gira en un campo magnético inducirá una fem que se opone ala causa que la origina. Esto es cierto incluso en el caso de que una corriente ya estuviera fluyendo por la espira. Por tanto, cualquier motor es al mismo tiempo un generador. De acuerdo con la ley de Lenz, una fem inducida de ese tipo debe oponerse a la corriente que se suministra al motor. Por esta razón, a la fem inducida en un motor se le llama fuerza contraelectromotriz.
El efecto de una fuerza contraelectromotriz es reducir el voltaje neto que se suministra alas bobinas de la armadura del motor. El voltaje neto  que se suministra a las bobinas de la armadura es igual al voltaje aplicado  V  menos el voltaje inducido &b-

Voltaje aplicado – voltaje inducido = voltaje neto

De acuerdo con la ley de Ohm, el voltaje neto atraves de las bobinas de la armadura es igual al producto de la resistencia R de la bobina por la corriente I. simbólicamente  se  escribe

V - &b- = IR

La ecuación nos indica que la corriente que fluye por un circuito incluido en un motor esta determinada  por la magnitud de la fuerza contraelectromotriz. Por supuesto, la magnitud de esta fem inducida depende de la rapidez de rotación de la armadura. Esto se puede demostrar experimentalmente si se conectan en seri unn motor, un amperímetro y una batería. Cuando la armadura esta girando, se registra una corriente baja. La fuerza contraelectromotriz reduce el voltaje efectivo. Si se detiene el funcionamiento del motor haciendo que la armadura permanezca estacionaria, la fuerza contraelectromotriz disminuye hasta cero. El incremento del voltaje neto da por resultado una mayor corriente en el circuito y puede provocar un sobrecalentamiento del motor e incluso hacer que se queme.


31.5 El generador de CD


Un generador simple de ca se puede convertir fácilmente en un generador de cd sustituyendo los anillos colectores por un conmutador de anillo partido. La operación es justamente la inversa de la que se analizo anteriormente para un motor de cd. En el motor, la corriente eléctrica origina un momento de torsión externo. En el generador de cd, un momento de torsión externo origina una corriente eléctrica. El conmutador invierte las conexiones de las escobillas dos veces por cada revolución. Como resultado, con el tiempo. Observe que la fem esta siempre en la dirección positiva, pero que se eleva hasta un valor máximo y luego decae a cero dos veces por cada rotación completa. Los generadores de cd de uso practico se diseñan con numerosas bobinas colocadas en varios planos, de tal modo que la fem es mayor y casi constante.