Inducción electromagnética: conductor a conductor y transformadores

Inductancia mutua

Usando un campo magnético compartido, una bobina transfiere energía a otra.

¿Alguna vez ha visto un transformador de potencia en un poste de electricidad? ¿O qué tal un adaptador de CA? ¿Quizás ha utilizado una llave de coche con transpondedor, o incluso un cepillo de dientes eléctrico? De cualquier manera, apuesto a que respondió «sí» a al menos una de estas preguntas, lo que hace un punto importante. Usamos un fenómeno conocido como inductancia mutua a diario sin ni siquiera saberlo. Vamos a explorar la inductancia mutua con mayor detalle para que podamos entender cómo se usa en todo tipo de dispositivos cotidianos. La capacidad de un conductor portador de corriente para inducir un voltaje en otro conductor a través de un campo magnético mutuo se conoce como inductancia mutua . Cuando una corriente eléctrica alterna fluye a través de un cable, crea un campo magnético alterno alrededor del cable. Si envolvemos este cable en forma de bobina, podemos concentrar el campo magnético en el centro de la bobina y hacerlo mucho más fuerte. Llamaremos a esto la bobina primaria. Ahora, si tuviéramos que acercar una bobina secundaria de alambre con el mismo número de vueltas, el campo magnético alterno induciría un voltaje aproximadamente igual al de la bobina primaria.

Transformadores

En este punto, es posible que se esté preguntando por qué haríamos tanto esfuerzo solo para obtener el mismo voltaje en ambas bobinas. Una razón es que las bobinas no tienen que estar conectadas físicamente para transferir energía. Esto tiene algunas aplicaciones útiles que veremos un poco más adelante. Otra razón es que podemos lograr un voltaje diferente en la bobina secundaria simplemente cambiando el número de vueltas. Por ejemplo, si la bobina secundaria tiene el doble de vueltas que la bobina primaria, entonces el voltaje inducido será dos veces mayor. Por otro lado, si la bobina secundaria tiene la mitad de vueltas que la bobina primaria, el voltaje inducido será la mitad. Como podemos ver, la relación de voltaje entre las dos bobinas es la misma que la relación de vueltas. El dispositivo que hemos descrito aquí se llama transformador porque transforma un voltaje en otro voltaje.

La corriente y el voltaje están inversamente relacionados.

Obtener un voltaje más alto de un transformador de lo que colocamos puede parecer que obtenemos algo a cambio de nada, pero también debemos observar qué sucede con la corriente y la potencia. Cuando se trata de transformadores, el voltaje y la corriente están inversamente relacionados. En otras palabras, si el voltaje secundario es el doble que el voltaje primario, entonces la corriente secundaria será la mitad que la corriente primaria. Debido a esta relación, la potencia, que es el producto de la corriente y el voltaje, es la misma que entra y sale del transformador. En cierto modo, un transformador es similar a una palanca que se usa para mover un objeto realmente pesado. Mientras que su pequeña fuerza en un extremo se convierte en una gran fuerza en el otro extremo, su gran movimiento también se reduce a un pequeño movimiento en la misma cantidad. En el mundo natural, siempre existe una compensación que nos impide obtener algo a cambio de nada. Para que se produzca la inductancia mutua, el campo magnético siempre debe estar cambiando. Al comienzo de nuestra discusión, especificamos que la bobina primaria de nuestro transformador estaba conectada a una fuente de corriente alterna, que producía un campo magnético alterno. Si, en cambio, conectamos la bobina primaria a una fuente de corriente continua, como una batería, el campo magnético sería constante e invariable. Dado que un campo invariable no puede inducir un voltaje en la bobina secundaria, los transformadores no funcionan con corriente continua. La corriente alterna es mucho más adecuada para su uso con transformadores, lo cual es una gran razón por la que se usa para la transmisión de energía a larga distancia, como hablaremos a continuación.

Aplicaciones de la inductancia mutua

Entre una planta de energía y su hogar, el voltaje debe ajustarse dentro de los transformadores.

Los transformadores son una de las aplicaciones más importantes de la inductancia mutua y se pueden encontrar tanto dentro como fuera de su hogar. Veamos cómo se utilizan para enviar electricidad desde la planta de energía a su hogar. Para minimizar la pérdida de potencia en las líneas de transmisión largas, es necesario transmitir la electricidad a voltajes muy altos, a menudo por encima de los 700.000 voltios. Los generadores de la planta de energía generan voltajes mucho más bajos, por lo que la electricidad debe enviarse a través de un transformador elevador antes de que pueda enviarse a su casa. Un transformador elevador simplemente tiene más vueltas en la bobina secundaria que en la bobina primaria, por lo que el voltaje de salida es mayor. Una vez que la electricidad llega cerca de su hogar, se envía a través de una serie de transformadores reductores para que no salgan 700.000 voltios de los enchufes eléctricos de su hogar. Como puede haber adivinado, un transformador reductor tiene más vueltas de cable en la bobina primaria que en la bobina secundaria, lo que da como resultado un voltaje de salida más bajo. Dentro de nuestros hogares, a menudo usamos transformadores reductores adicionales para proporcionar los voltajes más bajos que necesitan la mayoría de nuestros dispositivos electrónicos. Otra aplicación importante de la inductancia mutua es alimentar dispositivos sin una conexión física. Los cargadores de batería inalámbricos se utilizan a menudo para cargar pequeños dispositivos electrónicos de baño, como cepillos de dientes y afeitadoras, porque no hay contactos expuestos que puedan causar un choque alrededor del agua. La base de carga contiene la bobina primaria, que produce un campo magnético variable, y el paquete de baterías contiene la bobina secundaria, que carga las baterías con el voltaje inducido.

Un diagrama de las dos bobinas de un cepillo de dientes eléctrico que funcionan con el mismo campo magnético.

Algunos dispositivos se alimentan mediante inductancia mutua, ya sea porque son demasiado pequeños para las baterías o porque nunca es necesario cambiar la batería. Por ejemplo, la mayoría de las llaves del automóvil contienen un pequeño transpondedor que forma parte del sistema antirrobo del automóvil. Cuando la llave se inserta en el encendido, una bobina primaria cercana en el tablero pulsa un campo magnético que induce un voltaje en una bobina secundaria en la cabeza de la llave. El voltaje alimenta un microchip, que transmite una señal al automóvil que permite que el motor arranque. El uso de inducción mutua permite que la llave se alimente de forma remota, sin necesidad de baterías.

Resumen de la lección

La inductancia mutua es la capacidad de un conductor portador de corriente para inducir un voltaje en otro conductor a través de un campo magnético mutuo. La inductancia mutua nos permite transmitir energía eléctrica sin contacto físico entre los conductores. También permite transformar un voltaje en otro voltaje en un dispositivo conocido como transformador. Dentro de este dispositivo, la bobina primaria, conectada a una fuente de corriente alterna, induce un voltaje en la bobina secundaria. La relación de voltaje entre las bobinas primaria y secundaria es igual a la relación de las vueltas en cada bobina. La corriente está inversamente relacionada con el voltaje, de modo que la energía que ingresa al transformador es la misma que la energía que sale del transformador. La corriente continua no produce un campo magnético variable y, por tanto, no funciona con transformadores. Esta es una razón importante por la que se usa corriente alterna para la transmisión de energía a larga distancia.

Definiciones y términos asociados

Los resultados del aprendizaje

La comprensión de esta lección le permitirá hacer con precisión lo siguiente:

• Definir inducción mutua
• Resuma la necesidad de que los transformadores lleven la corriente de alimentación
• Calcule la relación de voltaje en función del número de vueltas en las bobinas de un lado o del otro

Rodrigo Ricardo Editor y fundador