Electrical
30 Jun, 2013
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PDFTransformer
PRESENTATION: The phenomena of mutual induction and self induction. In coils through which variable currents circulate in due time are the consequence of Farady-Lenz’s law with important technological applications.
- More on Faraday’s and Lenz’s laws ‐ Qualitative demonstrations, Roberto Hessel, Phys. Teach. 49, 184 (2011)
- Hands-on Experiments on Faraday’s Law, Eduardo E. Rodríguez, Phys. Teach. 43, 228 (2005)
INTRODUCTION: A transformer, in its simplest form, is formed by two stationary coils, coupled by a reciprocal magnetic flow. The coils are said to be mutually coupled because the flow that goes through one coil also goes through the other (in an ideal transformer), therefore the tension that the multitester must receive is:
V2=f (N2/N1) V1
Being N the number of spirals of the coils, which in our case will be even and, therefore, the tensions will be similar for a value f which represents the fraction of the field line (magnetic flow) kept inside the nucleus of the transformer.
OBJECTIVE: To test if a transformer connected to a power supply is able to self-induce a magnetic field and, consequently, a potential difference.
MATERIALS: 2 coils, multimeter, AC generator, DC generator, iron bars, cables.
SETUP: A structure is built with iron bars. Two of them are introduced in the coils and the others hold them to close the structure and form the nucleus of the transformer. The alternating current generator and a coil (primary coil) and the other coil (secondary coil) are connected in series with the multitester.
For the second experiment, we keep the structure and change the AC generator.
EXPLANATION: If an alternating current is applied on a coil, this will produce a variable magnetic field, and therefore a magnetic flow. The iron bars which hold the coils keep the lines of the magnetic field, therefore, the same flow will go through the second coil. When we work with alternating current, the flow is induced and provokes the potential difference. When we work with continuous current we change the flow by moving the coil and providing for variation in the tension.
CONCEPTS: voltage, coils, ferromagnetism, transformer, magnetic field, magnetic flow, temporal magnet (iron bar).
MORE INFORMATION:
TEXTS:
- G. Enriquez Harper, El libro práctico de los generadores, transformadores y motores eléctricos, Editorial Limusa, 2004.
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- STUDENTS 2012-2013: Carlos Araiz, Andrea Mouriño, Rodrigo Novoa, Víctor Pérez.
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
27 responses to "Electrical"
El transformador es un dispositivo electromagnético que permite aumentar o disminuir el voltaje y la intensidad de una corriente alterna de forma tal que su producto permanezca constante. Este dispositivo hace uso de la Ley de Faraday-Lenz.
Existen dos aplicaciones básicas para la utilización de los transformadores de distribución de energía eléctrica: en el transporte de energía eléctrica, gracias a su capacidad de transformar los parámetros de tensión e intensidad, con la consiguiente reducción de las pérdidas Joule. Existirán dos transformadores, uno al principio de línea para la elevación del potencial y otro al final para la reducción del mismo; otra de las aplicaciones es la interconexión de líneas eléctricas a diferentes niveles de tensión, los transformadores son ideales para interconectar líneas a diferente nivel de tensión dando para todas ellas una salida común. Además, gran cantidad de electrodomésticos presentes en nuestro hogar precisan un transformador. Con el transformador de corriente, ésta se ajusta desde la red a los métodos y las necesidades de funcionamiento de los aparatos eléctricos. Algunos de los ejemplos de aparatos que requieren de la aplicación de transformadores de corriente son: los teléfonos móviles, los monitores y los equipos de audio.
Elegante demostración de cómo los fenómenos naturales pueden ser expresados y predichos mediante leyes físicas.
Es un experimento muy interesante ya que permite observar cómo funciona un transformador, algo indispensable para nuestra vida cotidiana. El transformador aplica da ley de Faraday, ya que al haber un flujo magnético entre las dos bobinas, que no están en contacto directo, se generará un voltaje en la segunda bobina a partir de la corriente eléctrica de la primera. En este punto la transformación depende, además del voltaje introducido en la bobina primaria, del número de vueltas de cada bobina, ya que según el número de vueltas de cada bobina el transformador puede disminuir el voltaje o aumentarlo. Si la bobina primaria tiene más vueltas que la secundaria el transformador es un elevador (aumenta el voltaje de salida), y si es a la inversa es un reductor (disminuye el voltaje de salida). Este último caso, como indica el comentario anterior, es el que encontramos en los ordenadores portátiles, teléfonos móviles, etc., ya que requieren un voltaje (aprox. 19 V) muy inferior al del sistema eléctrico doméstico (220 V). Sería interesante diseñar un experimento como el del primer enlace de este comentario (generación de energía por inducción magnética, principio de Faraday) que es cómo se genera en la actualidad la electricidad, y realizarlo previamente al experimento de los transformadores. De forma adicional los alumnos podrían también desmontar transformadores de aparatos en desuso para observar cómo se aplica el experimento en la industria.
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Foron Michael Faraday, en Inglaterra, e Joseph Henry, nos Estados Unidos, os que a principios da década de 1830, descubriron, independentemente, o fenómeno físico denominado indución magnética.
Nas súas primeiras experiencias, Faraday non empregou imáns, senón dúas bobinas enroladas unha sobre a outra e illadas electricamente. Cando variaba a intensidade de corrente que circulaba por unha delas, xerábase unha corrente inducida na outra: a indución mutua. A variación da intensidade de corrente nunha bobina dá lugar a un campo magnético variable. Este campo magnético orixina un fluxo magnético tamén variable que atravesa a outra bobina e induce nela unha f.e.m. A autoindución consiste nunha indución da propia corrente sobre si mesma. A autoindución e a indución mutua constitúen o fundamento do transformador eléctrico, un aparato que permite elevar ou reducir tensións alternas, e que ten moitas utilidades na nosa sociedade actual, por exemplo nunha situación tan cotiá como o transporte de electricidade.
As montaxes que se mostran nos vídeos permitiríanos comprobar nunha aula este fenómeno, o que suporía un excelente complemento ás explicacións das aplicacións da lei de Faraday-Henry.
O magnetismo non é un concepto de fácil asimilación, así como o funcionamento dos transformadores. A construcción dun transformador casero por parte dos alumnos pode que axude a que o concepto quede gravado por moito tempo. Aquí un vídeo de cómo facelo.
O transformador eléctrico tivo unha importancia clave no transporte de enerxía ás cidades. Explicado dun xeito moi básico, o transformador é unha peza metálica con un fío de metal enrolado arredor, que permite aumentar ou disminuir a tensión nun circuito eléctrico de corrente alterna. Isto permite que a enerxía poida ser transportada en grandes liñas de alta tensión, e que unha vez chega a cidade poida ser rebaixada esa tensión outra vez para faceta apta para o consumo nos fogares.
Os transformadores forros inventados por Faraday, e pódese ler mais sobre eles no seguinte link. Paréceme un experimento moi interesante, posto que a meirande parte de centros escolares actualmente se achan en cidades, e no rural tamén son necesarias liñas trifásicas nas granxas etc. E aos alumnos vailles parecer moi interesante ver cómo é posible levar a electricidade ata os seus fogares.
Los transformadores son elementos esenciales en cualquier red eléctrica, puesto que son muy utilizados. El proceso es el siguiente: la electricidad se genera a través de generadores en las centrales eléctricas. Esta energía no sale con la suficiente tensión, así que antes de ser enviada a la red que la distribuirá para el uso y consumo se utilizan los transformadores eléctricos elevadores para elevar la tensión y así reducir las pérdidas en el transporte que se producen por el efecto Joule. Los transformadores tienen aplicaciones más prácticas y cotidianas, también, pues se utilizan en la mayoría de electrodomésticos y aparatos electrónicos puesto que normalmente estos instrumentos trabajan con tensiones de menos valor que el suministrado por la red. También uno de los elementos de seguridad eléctrica del hogar utiliza transformadores: el diferencial. Este dispositivo utiliza transformadores para comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si la diferencia entre éstos es mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir lesiones.
A lei de Faraday é unha das leis que me resultan máis interesantes e atractivas a nivel tecnolóxico porque actualmente é un dos campos de maior investigación na mobilidade eléctrica na que estou inserido. Isto é debido básicamente a que se está intentando conseguir aplicacións nas que poidamos transferir enerxía AC dende unha plataforma externa (normalmente colocada sobre o chan) hacia o vehículo (situado no fondo do mesmo para enviar a enerxía cara a batería de potencia). Gústame remarcar este exemplo porque un dos grandes problemas que está a ter a inserción desta tecnoloxía no mercado é fundamentalmente a mellora do rendemento do proceso. A distancia entre bobinas e o aliñamento entre elas son dous dos parámetros máis críticos neste proceso xa que teñen un gran impacto na minimización das perdas inductivas entre ambos compoñentes. Añado unha presentación onde se explican os conceptos que estou a comentar.
Se trata de un experimento muy interesante para visualizar la inducción magnética; en este vídeo podemos ver un experimento similar, y cómo obtener la mayor intensidad de corriente en una bombilla instalada al final del circuito cerrando el campo electromagnético para obtener la máxima eficiencia, así se puede entender el principio de funcionamiento de los transformadores de corriente.
El transformador ha sido el producto del trabajo de una gran cantidad de científicos. A continuación nombro algunas de tales contribuciones: Hans Christian Oersted demostró en 1820 que cuando una corriente eléctrica fluye se genera un campo magnético. A partir de sus estudios, Faraday formula la ley de la inducción en el 1831, siendo esta la base para producir electricidad a través del magnetismo. En 1851 Heinrich Daniel Rühmkorff construyó un aparato capaz de transformar la energía generada por una pila a elevadas fuerzas electromotrices, el conocido como inductor de chispas. En el 1876 Jablochkoff presenta un transformador de doble devanado, para alimentar con corriente de alta tensión una serie de lámparas. En 1882 Gaulard y Gibbs patentan un aparato verdaderamente útil para la transmisión de la energía eléctrica a través de grandes distancias por medio de la corriente alterna. La historia del transformador está plagada de logros científicos, pero tampoco está exenta de polémica sobre a quién debe de atribuirse su invención. Para más información sobre su historia se puede consultar el siguiente artículo.
Basados en el principio de Faraday, entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Miksa Déri, Ottó Titusz Bláthy y Károly Zipernowsky de la compañía Ganz, solicitaron una patente del modelo “DBZ” (Déri-Bláthy-Zipernowsky) de transformador de corriente alterna. Además, esta solicitud de patente originó el primer uso de la palabra transformador, que había sido acuñada por Ottó Titusz Bláthy. Se le atribuye así, a este equipo de trabajo húngaro, la invención del primer transformador.
Como xa se indicou en comentarios anteriores, os transformadores son elementos básicos na rede eléctrica, permitindo que a enerxía chegue ás nosas vivendas dende centos de kilómetros cunhas perdas moi baixas. Relacionado con isto, creo que sería interesante para os alumnos facer algunha actividade onde busquen o transformador de media a baixa tensión que lles proporciona enerxía á súa casa. Desta forma daríanse conta da extensa rede tecnolóxica que se necesita para acender unha luz. Adxunto tamén un mapa da rede peninsular de 400, 230 e 135 kV e que inclúe estacións de xeración para ilustrar esta explicación.
Os transformadores son dispositivos eléctricos altamente empregados en calquera equipo que utilice enerxía eléctrica. O seu uso xa comeza nas centrais eléctricas ou nos puntos de xeración de enerxía (parques eólicos, solares…) onde preparan a potencia eléctrica eléctrica que van a suministrar á rede ós parámetros nos que esta traballa, dependendo se son redes de alta, media ou baixa tensión. Dende o punto de xeración ata a nosa casa a enerxía eléctrica atravesa moitos transformadores, e incluso están presentes no nos fogar en multitude de aparellos (tv, ordenador,etc), xa que todas as fontes de alimentación levan un transformador. Por este motivo paréceme moi interesante incluir no bloque de electrónica da materia de tecnoloxía na ESO os transformadores de unha forma práctica como se mostra neste experimento. Para comprender mellor a Ley de Faraday na que se basa o funcionamento dos trafos pode resultar moi útil empregar o este simulador que permite probar como se crean os campos magnéticos ó redor de un electroimán, como funcionan as correntes inducidas nunha bobina do transformador ó facer circular unha intensidade na bobina primaria, e outros experimentos virtuais relacionados con estos temas.
Me parece que el funcionamiento de los transformadores es un conocimiento básico para los alumnos de la ESO. Los transformadores tienen infinidad de aplicaciones en la tecnología y en nuestras vidas diarias, desde el transporte de la energía eléctrica desde la central a nuestras casas, hasta el cargador del móvil. Me parece fundamental que se expliquen correctamente los fenómenos físicos detrás de los transformadores y estos experimentos son muy visuales y sencillos. Me gustaría destacar en la importancia del concepto de flujo variable, que se puede observar en los experimentos como cuando la corriente es continua es necesario mover las bobinas, en cambio cuando la corriente es alterna, las propias variaciones de frecuencia de la corriente ya generan por sí solas las variaciones de flujo.
Considero que los conceptos relacionados con el electromagnetismo, a menudo son complejos de trasladar. En este caso considero que los videos transmiten poca información, resultando algo escuetos los experimentos, ya que no se explica la correlación existente entre la bobina primaria y la secundaria sabiendo que dependiendo de las vueltas de conductor que haya entre una y otra podrá modificarse la tensión a su gusto. Por otro lado, considero que se explica de un modo muy acertado el funcionamiento del transformador de CC, dado que sin un movimiento no funcionaría porque se necesita una variación de la tensión.
Son unos videos demasiado cortos, para ver todo el proceso, pero si que nos permite ver como se consiguen las variaciones de los campos, modificando en cada caso un parámetro. Con un video un poco más largo podría verse que pasa cuando se varían más valores.
Respecto a este experimento, me ha encantado el resultado que se obtiene. Además, el electromagnetismo es un concepto complejo y creo que de esta manera puede asimilarse mucho mejor. Como parte negativa, sí que me parece que respecto a otros experimentos que he visto, este es algo más complejo de llevar al aula principalmente por los materiales.
Los transformadores no solo utilizan su función como elementos que canalizan la inducción electromagnética para elevar o disminuir la diferencia de tensión entre la entrada y la salida (primario y secundario) sino que utilizan la función de aislamiento si el numero de espiras en el primario y secundario son iguales (1:1). Estos transformadores se denominan transformadores de aislamiento proporcionan un aislamiento galvánico entre las líneas de alimentación de CA (generalmente de la red) y el dispositivo o dispositivos alimentados. De esta manera no hay un camino de corriente continua entre los dos devanados y por lo tanto pueden utilizarse para proteger a las personas y a los equipos electrónicos de la electricidad estática o de las sobretensiones eléctricas. En el Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión se establece que en las zonas más cercanas a elementos de agua (como las duchas) en las viviendas según la instrucción técnica ITC-BT-27 se permiten tomas de corriente a Muy Baja Tensión de Seguridad (menos de 50 V) siempre y cuando se instale un transformador de aislamiento que separe eléctricamente esta toma de la alimentación de red.
Para unha aprendizaxe basada en proxectos pode ser interesante facer un proxecto de construcción dun transformador caseiro. Son elementos clave na forma na que funciona o sistema eléctrico e a miúdo teñen un funcionamento e estrutura descoñecidos incluso para algunhas das ramas da técnica
Unha vez se teñan claros estos conceptos de electromagnetismo e inducción por parte do alumnado, poderíamos facer o seguinte experimento, que seguramente é moi atractivo para os estudantes , trátase dun trén magnético, aquí o video.
Es una práctica muy ilustrativa que ayudaría a los alumnos a comprender mejor las Leyes de Faraday y de Lenz.
Las leyes sobre electricidad y magnetismo pueden ser bastante difíciles de asimilar para ciertos alumnos o alumnas debido a que no existe “algo físico” que puedan ver o tocar para familiarizarse y ver sus resultados. Sin embargo, estos ejemplos de bobinas donde se pueden observar distintos comportamientos de los objetos inducidos resultan ser los experimentos que mejor les ayuda a comprender esta disciplina. Dejo un vídeo sobre un experimento casero de inducción electromagnética que solo necesita un vasito de aluminio, un imán atado a un cordel y un pequeño recipiente plano con agua. Con algo tan simple se pueden explicar conceptos algo complejos teóricamente.
Experimento un poco más complejo de ejecutar debido a los equipos que son necesarios para ponerlo en práctica, pero muy importante para aclarar la diferencia entre la corriente continua y la corriente alterna, y como el uso de una u otra forma de conducir la electricidad depende de la aplicación en cuestión. Los transformadores resultan un caso muy apropiado puesto que son elementos que todo el mundo usa a diario para alimentar dispositivos electrónicos.
Un proxecto interesante para traballar co alumnado sería a construción dunha bobina de Tesla, un tipo de transformador resoante que a altas frecuencias pode producir enormes valores de voltaxe. Esta bobina foi inventada a mediados de 1890 polo famoso físico croata Nikola Tesla coa intención de conseguir un sistema de transmisión de enerxía a longas distancias sen empregar cables nin arames eléctricos. No seguinte artigo preséntase o proceso de elaboración deste artefacto, así como o seu rol pedagóxico na aprendizaxe da física e, máis concretamente, do electromagnetismo.
El campo magnético suele resultar difícil de entender para los alumnos, por eso este experimento es perfecto para ayudarlos a comprender la diferencia entre flujo y campo magnésicos, además de explicar la inducción de dicho campo utilizando 2 bobinas y un generador de corriente, resaltando la diferencia entre el uso de corriente alterna y continua. Sin embargo, este ejercicio no es tan sencillo como otros y requiere un material más específico.
Parece ser que el transformador de Corriente Continua será clave en la descarbonización y la electrificación futura. Se estima que en el año 2050 un 86% de la electricidad se produzca con fuentes de energía renovable, un 60% solar y eólica. El proceso será lento pero parece obvio que el uso del coche eléctrico junto a otros usos impulsará el desarrollo de la Corriente Continua sin que esto implique la eliminación de las redes de Corriente Altera. Amplia info aquí.
Parece ser que el transformador de Corriente Continua será clave en la descarbonización y la electrificación futura. Se estima que en el año 2050 un 86% de la electricidad se produzca con fuentes de energía renovable, un 60% solar y eólica. El proceso será lento pero parece obvio que el uso del coche eléctrico junto a otros usos impulsará el desarrollo de la Corriente Continua sin que esto implique la eliminación de las redes de Corriente Altera. Amplia info aquí.