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UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

ALUMNOS: MARY LAURA CAROLINA LIMAY OLIVA PABLO ENRIQUE CRUZ ZAVALETA

CURSO: FISICA II

PROFESOR: CARLOS MORGAN

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INDICE

pág.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

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Introducción Definiciones previas Conocimientos adicionales Inductancia Inductancia mutua Autoinductancia Transformadores Aplicaciones: inductores y transformadores Bibliografía

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INTRODUCCION

Como sabemos, actualmente, la energía eléctrica es una parte esencial de nuestra vida. Casi todos los procesos comerciales, científicos, empresariales, industriales utilizan electricidad como energía. Y cada uno de nosotros la utilizamos para cualquier actividad cotidiana, ya sea desde cocinar, ver televisión, utilizar internet, en fin actividades que sin ellas nuestro mundo sería muy difícil de sobrellevar. Pero pocas veces nos ponemos a pensar como llega la energía eléctrica hasta nuestros hogares; qué pasa en el proceso, y como es qué la podemos obtener así de fácil con un interruptor. Debemos entender que todo en esta vida tiene un proceso, en este caso tenemos un proceso muy amplio y complicado que solo se podrá entender gracias a la explicación que da la física al respecto. El presente informe es una recopilación de información, que nos da la física sobre cómo se dan los procesos para llegar a obtener energía a grandes escalas. Está explicado de una manera sencilla para que cualquiera pueda entender. Y con información verificada y actual. En el inicio se dará a conocer algunos conceptos muy básicos sobre este tema “INDUCTANCIA, INDUCTORES Y TRANSFORMADORES”. Tal vez se vea información que ya se conoce, o muy sencilla, sin embargo es muy necesaria para empezar a describir este tema. Luego se da información sobre las aplicaciones actuales que existen, esto solo para complementar el informe y pueda ser beneficioso.

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DEFINICIONES PREVIAS: 1. FEM(fuerza electromotriz): Cuando un voltaje es generado por una batería, o por la fuerza magnética. De acuerdo con la ley de Faraday, este voltaje generado, llamada tradicionalmente "fuerza electromotriz" o fem. La fem representa energía por unidad de carga (voltaje), generada por un mecanismo y disponible para su uso. No es una "fuerza". El término fem se conserva por razones históricas. Es útil distinguir estos voltajes generados de los cambios de voltaje que ocurren en un circuito, como resultado de una disipación de energía, como por ejemplo en una resistencia. Nota: la fuente de fem no es una batería, sino una estación generadora de electricidad. La cual produce energía eléctrica transformando otros tipos de energías. 2. FEM Inducida: La fuerza magnética ejercida sobre las cargas de un conductor en movimiento, genera un voltaje (una fem inducida). El voltaje generado, puede considerarse que es el trabajo realizado por unidad de carga. Este caso de fem inducida es una de las muchas situaciones donde la fem generada está descrita por la ley de Faraday. Aquellas estaciones generadoras de electricidad realizan el proceso de conversión de la energía haciendo uso de la inductancia electromagnética; a través de imanes que se mueven en bobinas de alambre para producir en ellas una “fem”. Ahora esto está sumamente relacionado con la Ley de Faraday, Ley de Lenz, y también con los muy conocidos transformadores. Veremos una definición formal y clásica, antes de entrar a fondo con estos temas. Ley de Faraday: Establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde. Ley de Lenz: La ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo. Esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía. Es un método alternativo conveniente para determinar la dirección de una corriente o fem inducida. Es decir, La ley de Lenz afirma que una corriente o fem inducida siempre tiende a oponerse al cambio que la generó, o a cancelarlo. La ley de Lenz se deduce de la de Faraday y a menudo es más fácil de usar.

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 Transformadores: Los transformadores son dispositivos electromagnéticos estáticos que permiten partiendo de una tensión alterna conectada a su entrada, obtener otra tensión alterna mayor o menor que la anterior en la salida del transformador. Permiten así proporcionar una tensión adecuada a las características de los receptores. También son fundamentales para el transporte de energía eléctrica a largas distancias a tensiones altas, con mínimas perdidas y conductores de secciones moderadas.

Transformador flyback moderno

NOTA: una corriente inducida siempre se opone a cualquier cambio en el flujo magnético a través de un circuito, ¿cómo es posible entonces que el flujo cambie? La respuesta es que la ley de Lenz sólo da la dirección de una corriente inducida; la magnitud de la corriente depende de la resistencia del circuito. Cuanto mayor es la resistencia del circuito, menor es la corriente inducida que parece oponerse a cualquier cambio en el flujo y más fácil es que tenga lugar el cambio de flujo. En otros casos, el flujo cambia ya sea porque el campo magnético cambia con el tiempo o porque la bobina se mueve a través de un campo magnético no uniforme. La inducción electromagnética nos dice que un campo magnético que varía en el tiempo actúa como fuente de campo eléctrico.

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CONCEPTOS ADICIONALES  Campos eléctricos inducidos: Cuando un flujo magnético G cambiante a través de un conductor fijo induce una fem, hay un campo eléctrico inducido de origen no electrostático. Este campo es no conservativo y no está asociado con un potencial.  Fem de movimiento: Si un conductor se mueve en un campo magnético, se induce una fem de movimiento.  Un inductor o bobina: es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido normalmente por una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo hecho de material ferroso (por ejemplo, acero magnético), para incrementar su capacidad de magnetismo.

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INDUCTANCIA Inductancia se define como la oposición de un elemento conductor (una bobina) a cambios en la corriente que circula a través de ella. También se puede definir como la relación que hay entre el flujo magnético (Φ) y la corriente y que fluye a través de una bobina. Se mide en Henrios, ya que de acuerdo con el Sistema Internacional de Medidas, el flujo se expresa en Weber y la intensidad en Amperio,: pero se utilizan más los submúltiplos como el mili henrio (mH), que equivale a una milésima parte de un henrio, y el micro henrio (uH) que corresponde a una millonésima parte de un henrio. En la Física, la inductancia será aquella propiedad que ostentan los circuitos eléctricos por la cual se produce una fuerza electromotriz una vez que existe una variación en la corriente que pasa, ya sea por el propio circuito o por otro próximo a él. El concepto de inductancia fue popularizado por el físico, ingeniero eléctrico, matemático y radiotelegrafista inglés Oliver Heaviside en Febrero del año 1886, en tanto, el símbolo con el cual se la distingue, la letra L mayúscula, se ha impuesto en homenaje al físico alemán Heinrich Lenz, quien también, como Heaviside, realizó importantes aportes en el descubrimiento de esta propiedad. Y por otro lado, el término se emplea para referir al circuito o elemento de circuito que dispone de inductancia. Una clasificación importante es la siguiente: Según el núcleo o soporte Núcleo de aire: el devanado se realiza sobre un soporte de material no magnético (fibra, plástico.). En los casos donde no se utiliza soporte, la bobina queda conformada sólo debido a la rigidez mecánica del conductor. Núcleo de hierro: como tiene mayor permeabilidad que el aire (10 a 100), aumenta el valor de la inductancia. Sin embargo, sólo se emplea en bajas Frecuencias porque a altas frecuencias las pérdidas son elevadas. Aplicaciones: Fuentes de alimentación y Amplificadores de audio. Núcleo de ferrita: las ferritas son óxidos de metales magnéticos, de alta permeabilidad (10 a 10000) que además son dieléctricos. Existe una gran variedad en el mercado en función de la frecuencia de trabajo. OTRAS DEFINICIONES: En un inductor o en una bobina se denominará inductancia a la relación que se establecerá entre el flujo magnético y la intensidad de la corriente eléctrica. Dado que resulta bastante complejo medir el flujo que abraza un

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conductor, en su lugar se pueden medir las variaciones del flujo solo a través del voltaje que es inducido en el conductor en cuestión por la variación del flujo. De esta manera se obtendrán cantidades plausibles de ser medidas, tales como la corriente, la tensión y el tiempo. En tanto, la inductancia siempre será positiva, excepto en aquellos circuitos electrónicos especialmente diseñados para simular inductancias negativas. INDUCTANCIA MUTUA

Si dos inductores (bobinas como se ve en la imagen) se encuentran muy cerca uno de otro entonces el campo magnético generado por la corriente circulando en uno puede alcanzar a pasar a través de las espiras del otro. En esta situación decimos que existe una Inductancia Mutua entre ambos inductores, ya que el campo magnético provocado por la corriente circulando por el segundo inductor también alcanzara a las espiras del primero. La Inductancia Mutua tiene, por supuesto, unidades de Henry, como las autoinductancias de los elementos involucrados, y frecuentemente es denotada por la letra M. Todo lo anterior es cierto, por supuesto, si los inductores son lineales, ya que el fenómeno estará presente en cualquier caso, pero en situación de No Linealidad no podrían definirse las Autoinductancias ni la Inductancia Mutua. La inductancia mutua puedes ser muy útil, pero también trae algunas desventajas; por ejemplo, en circuitos eléctricos, las variaciones de corriente podrían generar fem no deseadas en circuitos cercanos, entonces los circuitos tendrían que diseñarse de manera que M sea lo más pequeña posible. Una solución podría ser colocar los inductores bien alejados, o con sus planos perpendiculares.

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AUTOINDUCTANCIA En el estudio de la inductancia mutua, vimos la aplicación en dos inductores, en este caso veremos cómo podría ser en un solo inductor. Cuando en el circuito está presente una corriente, se establece un campo magnético que crea un flujo magnético a través del mismo circuito; este flujo cambia cuando la corriente cambia. Así, cualquier circuito que conduzca una corriente variable tiene una fem inducida en él por la variación en su propio campo magnético. Esa clase de fem se denomina fem autoinducida. Según la ley de Lenz, una fem autoinducida siempre se opone al cambio en la corriente que causó la fem, y de ese modo hace más difícil que haya variaciones en la corriente. Por lo tanto, las fem autoinducidas son de gran importancia siempre que hay una corriente variable. Puede haber fem autoinducidas en cualquier circuito, ya que siempre hay algún flujo magnético a través de la espira cerrada de un circuito que conduce corriente.

FORMULA:

Si la intensidad cambia (i), también lo hará el flujo, entonces la nueva ecuación quedaría definida con la derivada con respecto al tiempo.

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De acuerdo con la Ley de Faraday, tenemos:

El signo negativo se debe a la ley de Lenz, nos dice que la fem autoinducida en un circuito se opone a cualquier cambio en la corriente en ese circuito. TRANSFORMADORES El Transformador es un dispositivo eléctrico que consta de una bobina de cable situada junto a una o varias bobinas más, y que se utiliza para unir dos o más circuitos de corriente alterna (CA) aprovechando el efecto de inducción entre las bobinas .La bobina conectada a la fuente de energía se llama bobina primaria. Las demás bobinas reciben el nombre de bobinas secundarias. Un transformador cuyo voltaje secundario sea superior al primario se llama transformador elevador. Si el voltaje secundario es inferior al primario este dispositivo recibe el nombre de transformador reductor. El producto de intensidad de corriente por voltaje es constante en cada juego de bobinas, de forma que en un transformador elevador el aumento de voltaje de la bobina secundaria viene acompañado por la correspondiente disminución de corriente. Los transformadores se utilizan hasta en casa, en donde es necesario para aumentar o disminuir el voltaje que esta impartido por la compañía que está distribuyendo la electricidad a estas, además sirve para resolver muchos problemas eléctricos. TRANSFORMADOR ELÉCTRICO La inducción ocurre solamente cuando el conductor se mueve en ángulo recto con respecto a la dirección del campo magnético. Este movimiento es necesario para que se produzca la inducción, pero es un movimiento relativo entre el conductor y el campo magnético. De esta forma, un campo magnético en expansión y compresión puede crearse con una corriente a través de un cable o un electroimán. Dado que la corriente del electroimán aumenta y se reduce, su campo magnético se expande y se comprime (las líneas de fuerza se mueven hacia adelante y hacia atrás). El campo en movimiento puede inducir una corriente en un hilo fijo cercano. Esta inducción sin movimiento mecánico es la base de los transformadores eléctricos.

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Un transformador consta normalmente de dos bobinas de hilo conductor adyacentes, enrolladas alrededor de un solo núcleo de material magnético. Se utiliza para acoplar dos o más circuitos de corriente alterna empleando la inducción existente entre las bobinas. Definición: Se denomina transformador o trafo (abreviatura), a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la frecuencia. Un poco de historia:

El primer transformador fue, de hecho, construido por Faraday cuando realizo los experimentos en los que descubrió la inducción electromagnética, el aparato que se usó se compuso de dos bobinas enrolladas una encima de la otra. Al variar la corriente que circulaba una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magnético atreves de la otra bobina variaba y se inducia una corriente eléctrica en la segunda bobina. Pues bien, este dispositivo es precisamente un transformador. Faraday no puso mayor atención en este aparato ya que estaba interesado en otras cuestiones. Los primeros generadores fueron diseñados para que produjeran corrientes que tenían diferentes valores de sus frecuencia: los de 25, 33.5, 40, 50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los más usados. Con el tiempo se ha convenido en utilizar 60 Hz. Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, reveló lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880. El transformador sería un papel decisivo en la “Guerra de Corrientes”, y en que los

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sistemas de distribución de corriente alterna triunfó sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces. En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el que el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias “velas eléctricas” (lámparas de arco), de su propio diseño, conocidas como bujías Yablochkov. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, “proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica”. En marzo de 1886 entro en operación una planta construida bajo la operación de Stanley en el pueblo Great Barrington, Massachusetts. Esta planta operó con corriente alterna, con un generador que produjo un voltaje de 500 V y que alimentó un conjunto de lámparas a una distancia de alrededor de 2 Km. Por medio de transformadores redujeron el voltaje a 100 V, que es el valor q se requiere para hacer funcionar las lámparas. Para demostrar que se podía transmitir la electricidad a distancias mayores por medio de un transformador elevaron el voltaje a un valor de 3000 V y luego lo redujeron a 100 V. el resultado fue un gran éxito y de inmediato Westinghouse inició la manufactura y venta de equipos para distribuir la electricidad por medio de transformadores de corriente alterna. Edison y sus asociados pelearon contra la utilización de corriente alterna tanto en la prensa como en los tribunales. Sin embargo, su lucha estaba perdida, muy pronto la corriente directa cedió su lugar a la alterna debido a su flexibilidad, conveniencia y bajo costo. Tres años después del éxito con su planta Edison quedó desplazado. En la década de 1890 el crecimiento de los sistemas de corriente alterna fue muy vertiginoso. En las cataratas del Niágara, EUA, se instalaron generadores inmensos que iniciaron sus servicios en 1895 y alimentaron de electricidad a lugares bastante lejanos, algunos situados a centenares de kilómetros. De esta manera muy pronto se establecieron sistemas de transmisión en muchos países tendencia que continua hasta la fecha. Tenemos: 1. Transformador monofásico: Los transformadores monofásicos son empleados frecuentemente para suministrar energía eléctrica para alumbrado residencial, toma-corrientes,

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acondicionamiento de aire, y calefacción. Un transformador con un devanado secundario de 120 volts CA puede asegurar el alumbrado y la toma. Pero, un transformador con un devanado secundario de 240 volts CA puede manejar todas las necesidades residenciales mencionadas. Un devanado secundario de 240 volts CA puede manejar los requerimientos de energía eléctrica más elevados de 240 volts relacionados con el aire acondicionado y la calefacción. El mismo secundario de 240 volts CA puede manejar las necesidades de 120 volts CA mediante la derivación del devanado secundario en el centro. 2. Transformador trifásico Está constituido por tres devanados arrollados sobre un núcleo común. Los transformadores trifásicos son utilizados para el suministro o el transporte de energía a grandes distancias de sistemas de potencias eléctricas. Lo que normalmente conocemos como la distribución eléctrica a grandes distancias.

APLICACIONES: INDUCTORES Y TRANSFORMADORES 1. INDUCTORES Desempeña un papel importante en los equipos que emplean luz fluorescente, en los que la corriente fluye de los conductores al gas que llena el tubo, con lo que el gas se ioniza y brilla. La bobina de inductancia también hace posible que el tubo fluorescente funcione con el voltaje alterno provisto por el cableado de una vivienda. Este voltaje oscila en forma sinusoidal con una frecuencia de 60 Hz, por lo que vale cero

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momentáneamente 120 veces por segundo. Si no hubiera una bobina de inductancia, el plasma en el tubo fluorescente se desionizaría con rapidez cuando el voltaje se redujera a cero y el tubo se apagaría. Con la bobina de inductancia, una fem autoinducida sostiene la corriente y mantiene encendido el tubo. Las bobinas de inductancia también se emplean con este propósito en el alumbrado público (las luminarias obtienen su luz de un vapor brillante de mercurio o átomos de sodio) y en las luces de neón. La autoinductancia de un circuito depende de su tamaño, forma y número de espiras. Los inductores de núcleo ferromagnético se usan mucho en varias aplicaciones de electrónica y generación de electricidad. Como los automóviles contienen acero —un material ferromagnético—, conducir un vehículo sobre una bobina causa un incremento apreciable en la inductancia de esta última. Este efecto se aprovecha en los sensores de los semáforos, que usan una bobina grande portadora de corriente, la cual está enterrada bajo la superficie del pavimento cerca de una intersección de avenidas. Los circuitos conectados a la bobina detectan el cambio de inductancia cuando un vehículo pasa por arriba, y cuando un número programado de autos ha pasado sobre la bobina, la luz del semáforo cambia a verde para permitir que crucen la intersección. 2. TRANSFORMADORES Los aparatos de medida y los relés de protección, utilizados en las instalaciones eléctricas, generalmente no están construidos para soportar altas tensiones, ni elevadas intensidades de corriente. Además, estos aparatos deben estar aislados de las altas tensiones para prevenir accidentes entre las personas encargados de su vigilancia. Por estas razones, los aparatos de medida y los de protección se conectan a las instalaciones a través de los denominados transformadores de instrumento o de medida. Los transformadores de instrumento se dividen en dos categorías: los transformadores de corriente (CT) y transformadores de tensión (VT). La bobina primaria del VT se conecta en paralelo con el circuito de control, mientras que el devanado primario del CT está conectado en serie. Las bobinas secundarias proporcionalmente transforman los valores del primario a valores típicos de 120 V y 5 A. Los dispositivos de seguimiento o monitoreo como vatímetros, medidores de factor de potencia, voltímetros, amperímetros, relés etcétera, se conectan a los circuitos secundarios. 14

Las principales tareas de los Transformadores de Medida son: a) Transformar tensiones e intensidades con valores grandes a valores fáciles de manejar por los relés y equipos de medida. b) Aislar el circuito de medida del sistema primario de alta tensión. c) Posibilitar la normalización de relés y equipos de medida a unos pocos valores de tensiones e intensidades nominales. Todos los transformadores son importantes para el carga barata de la electricidad que se utiliza en casas, oficinas, empresas etc. Se utilizan en intemperie o interior para distribución de energía eléctrica en media tensión. Son de aplicación en zonas urbanas, industrias, minería, explotaciones petroleras, grandes centros comerciales y toda actividad que requiera la utilización intensiva de energía eléctrica. Se fabrican en potencias normalizadas desde 25 hasta 1000 kVA y tensiones primarias de 13.2, 15, 25, 33 y 35 kV. Se construyen en otras tensiones primarias según especificaciones particulares del cliente. Se proveen en frecuencias de 50-60 Hz. La variación de tensión, se realiza mediante un conmutador exterior de accionamiento sin carga. El transformador incorpora componentes para protección del sistema de distribución contra sobrecargas, corto-circuitos en la red secundaria y fallas internas en el transformador, para esto poseee fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión, montados internamente en el tanque, fusibles de alta tensión y disyuntor de baja tensión. Para protección contra sobretensiones el transformador está provisto de dispositivo para fijación de pararrayos externos en el tanque. Potencia: 45 a 150KVA; Alta Tensión: 15 o 24,2KV; Baja Tensión: 380/220 o 220/127V.

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BIBLIOGRAFIA

(ZEMANSKY, 2008) (TRANSFORMADOR ELECTRICO, 2013)

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