El transformador

Artículos teóricos

Corría el año 1851 cuando el físico alemán Heinrich Daniel Ruhmkorff ideó la bobina que lleva su nombre. Se trataba de un generador que permitía producir tensiones elevadísimas, del orden de decenas de miles de voltios, a partir de la corriente continua de una batería. Con ello se logró conseguir la fuente de tensión necesaria para crear diferentes dispositivos que posteriormente traerían grandes beneficios para la humanidad.

La bobina de Ruhmkorff fué utilizada, por ejemplo, por Heinrich Rudolf Hertz para la realización de sus experimentos con ondas electromagnéticas, lo que significaría los inicios de la radio. También comenzó a utilizarse en los equipos de rayos X como generador electrovoltáico de alta tensión y en los equipos telegráficos de la época. Además, la invención de Ruhmkorff se utilizó en investigaciones relacionadas con diferentes ramas de la física y de la química.

En realidad, Heinrich Daniel Ruhmkorff lo que diseñó fué el primer transformador eléctrico, ya que de lo que se trataba era de un bobinado primario con unas pocas espiras de hilo relativamente grueso por el que se hacía circular una corriente continua pulsante y de un devanado secundario con muchísimas espiras más que el primario y realizado con hilo mas fino. Por lo tanto, Ruhmkorff tuvo el privilegio de fabricar el primer transformador elevador de la historia de la humanidad. ¿Quieres seguir aprendiendo cosas relacionadas con los transformadores? Sigue leyendo, por favor.

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La verdad es que en uno de nuestros artículos dedicados al electromagnetismo ya te hemos hablado del transformador inventado por Ruhmkorff, aunque allí no te dimos referencias de ello. ¿Recuerdas el circuito de la pila conectada a través de un interruptor a la bobina primaria de un transformador y en cuya bobina secundaria recogíamos una corriente inducida que se encargaba de reflejar un galvanómetro conectado a ella? Mira el dibujo adjunto para refrescarte la memoria. Eso es lo que hizo el físico alemán afincado en Francia, solo que él colocó el interruptor en las cercanías del nucleo del transformador para que conectara y desconectara el circuito de forma completamente automática, obteniendo así una corriente pulsante por el bobinado primario que a su vez inducía en el secundario, de muchísimas más espiras que el primario, una tensión inducida de un valor bastante elevado.

Para entenderlo mejor vamos a modificar el circuito de acuerdo a lo que hizo exactamente Ruhmkorff. El interruptor no será manual sino magnético, y además estará expuesto al flujo creado por el propio nucleo de la bobina. En principio el interruptor estará cerrado y circulará corriente por el primario del transformador (ver ilustración "A"). En ese momento la rápida subida de la corriente a través del devanado primario provocará dos cosas; Primero inducirá en el devanado secundario una tensión muchísimo mayor que la existente en el primario ya que dicho devanado secundario estará compuesto de muchísimas más espiras que el primario. En segundo lugar, y al mismo tiempo que lo anterior, creará un flujo magnético canalizado por el nucleo de hierro que atraerá al interruptor fabricado de material magnético.

Debido a la atracción ejercida por el nucleo, el interruptor se abre. Ahora también pasan dos cosas; Primero se induce en el secundario una f.e.m. que tiende a impedir la bajada repentina de corriente en el primario, y como ya se ha explicado, dicha f.e.m. es mucho mas elevada que la tensión de la pila ya que el secundario tiene muchísimas más espiras que el primario. En segundo lugar, y prácticamente al unísono, el flujo magnético del nucleo cesa de repente al haber cesado la corriente que lo producía, por lo que el interruptor vuelve a su posición de reposo y cierra de nuevo el circuito, volviendo a la posición inicial y haciendo que de nuevo circule corriente por el primario. El ciclo vuelve a empezar.

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El resultado de todo esto es que en el secundario se crea una d.d.p. elevadísima, de miles de voltios, los cuales pueden llegar a producir un arco voltáico entre los terminales de salida de dicho devanado. Esta elevada tensión es la que se aprovecha para utilizarla en las aplicaciones que ya se han comentado anteriormente. Si quieres ver una simulación animada de todo lo explicado haz clic aquí y podrás ver la bobina de Ruhmkorff en acción. Observa en la animación como entre los terminales de salida del secundario se produce un arco voltaico (chispas) provocado por la alta tensión presente en ellos. Este fué el primer transformador de la historia, el cual era del tipo elevador ya que lo que hacía era elevar la tensión presente en el primario. Como habrás deducido también existen los transformadores reductores, los cuales reducen la tensión aplicada al primario, con menos espiras en el secundario que en el primario.

Recordemos que el transformador trabaja siempre con corrientes variables, ya que si le aplicamos una corriente continua pura al primario, resulta que en el secundario no vamos a obtener absolutamente nada. La corriente alterna senoidal, estudiada en el artículo dedicado al alternador (generador de corriente alterna), es la corriente ideal para estudiar el comportamiento de los transformadores ya que produce un flujo magnético variable en el tiempo. Además, el tipo de corriente alterna senoidal tiene, como veremos más adelante, un peso específico muy importante en infinidad de aplicaciones prácticas.

Precisando conceptos, diremos que un transformador se compone como mínimo de dos devanados, y decimos como mínimo porque nos podemos encontrar transformadores con varios devanados en el secundario. De esta manera es posible conseguir, a partir de solo un valor de tensión alterna en el primario, varias tensiones también alternas de diferentes valores en los respectivos secundarios. Normalmente los devanados de un transformador se enrollan sobre un nucleo de hierro para aumentar su rendimiento, ya que este canaliza totalmente el flujo magnético en virtud de su alta permeabilidad, según hermos estudiado en artículos precedentes. Debemos tener claro que al primario se le aplica la tensión original que queremos transformar y en el secundario, o secundarios, recogemos la tensión una vez transformada. Además, tienes que saber que un transformador convencional es reversible, es decir, que lo que antes hemos usado de secundario puede actuar de primario con solo aplicarle la corriente original a él, en cuyo caso lo que antes era el primario ahora será el secundario.

Debemos tener en cuenta que el flujo magnético variable creado por la corriente aplicada al primario afectará por igual a los dos devanados, primario y secundario, de lo que se deduce que la relación de tensiones entre primario (Vp) y secundario (Vs) (llamada relación de transformación) dependerá a su vez de la relación entre la cantidad de espiras que tenga cada uno de dichos devanados. Si la cantidad de espiras que devanamos en el secundario es el doble de las que existen en el primario la tensión que se genere en el secundario (Vs) será el doble que la que apliquemos al primario (Vp) y por lo tanto tendremos un transformador elevador. Si lo hacemos al contrario, un secundario con la mitad de espiras que el primario, la tensión del secundario (Vs) será la mitad que la que apliquemos al primario (Vs), por lo que tendremos un transformador reductor.

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Como habrás adivinado nos queda una última posibilidad, que el número de espiras del primario sea el mismo que las del secundario. En este caso las tensiones de primario y secundario serán idénticas y su relación de transformación será de 1:1. Seguro que te estarás preguntando si un transformador así tiene alguna utilidad. ¿Para que rayos se puede utilizar un transformador así, que ni reduzca ni eleve la tensión?. Pués decirte que además de elevar y reducir tensiones alternas el transformador tiene la cualidad de aislar galvánicamente el circuito conectado al primario del conectado al secundario, por lo que a veces se utiliza como elemento de seguridad, amén de otros usos que no vienen ahora al caso. En definitiva, debemos que tener claro que la relación de transformación Vp/Vs depende del numero de espiras de cada uno de los devanados, es decir, del número de espiras del primario (Ep) y del número de espiras del secundario (Es). De esta manera se cumple que Vp/Vs = Ep/Es. Grabemos esta proporción en nuestra mente.

De otro lado tenemos el tema de la potencia manejada por el transformador. Recordemos la ley fundamental de la energía estudiada en los primeros artículos de este blog: "La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma". Por lo tanto tenemos que la potencia, que no es ni mas ni menos que la energía por unidad de tiempo, ha de ser la misma en el primario que en el secundario, es decir que la Potencia del primario (Wp) = la Potencia del secundario (Ws). Si tenemos que la potencia es igual al producto de la tensión por la intensidad, es decir que Potencia (W) = Tensión (V) x Intensidad (I), esto significa que Vp x Ip = Vs x Is, o lo que es lo mismo que el producto de la tensión por la corriente del primario es igual al producto de la tensión por la corriente del secundario.

Lo que hemos dicho en el párrafo anterior significa que podemos añadir a la proporción indicada antes otra razón dependiente en este caso de la intensidad de corriente. Aclaremos esto: Si hemos dicho que el producto de la tensión por la corriente en el primario (Vp x Ip) es igual al producto de la tensión por la corriente en el secundario (Vs x Is) (o expresado matemáticamente Vp x Ip = Vs x Is) resulta que si cambiamos de miembro los términos Vs e Ip tenemos que Vp/Vs = Is/Ip por lo que estamos en condiciones de añadir a la proporción anterior otra nueva dependiente de la corriente que circula por los dos devanados:

Esto no viene a significar otra cosa que si necesitamos aumentar la tensión de nuestra antigüa red eléctrica de 110 voltios hasta los 220 voltios actuales (justo el doble de tensión para que el ejemplo se entienda) el consumo de corriente en el primario siempre será el doble que la que esté suministrando el secundario (suponiendo un transformador ideal sin pérdidas). O expresado de otra forma, como la potencia debe ser igual en los dos devanados si la corriente exigida por la carga conectada al secundario en un momento dado es de 1 amperio la que le va a exigir el primario a la red de distribución eléctrica será de 2 amperios para que se cumpla la igualdad de potencias en cada uno de los devanados. Es importante pués saber exactamente que potencia máxima puede soportar un transformador y no sobrepasarla nunca para no dañarlo.

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Hasta ahora hemos supuesto que nuestro transformador no pierde nada de la energía que maneja, pero esto no es así en realidad. Como hemos dejado entrever en el párrafo anterior, los transformadores sufren pérdidas de energía por diferentes motivos. Por ello, hay que tener ciertas precauciones en su construcción y utilizar técnicas especiales que veremos a lo largo de nuestro estudio. Esto lo vamos a dejar para un nuevo artículo en el que ahondaremos más en esta materia. Nos vemos.

 
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