Los transformadores permiten elevar o reducir voltajes mediante la variación de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario. Esto es útil para adaptar voltajes altos para transmisión a distancia a voltajes más bajos para su uso, usando transformadores elevadores en generación y reductores en distribución. Los transformadores funcionan induciendo voltajes alternos en el secundario a través de la inducción electromagnética producida por la corriente alterna en el primario.

1. Transformadores
Una de las grandes ventajas de la ca sobre la cd en la distribución de energía eléctrica es que es mucho más
fácil subir y bajar los voltajes con la ca que con la cd. Para la transmisión a grandes distancias es deseable
usar un voltaje tan elevado y una corriente tan pequeña como sea posible;esto reduce las pérdidas de i2R en
las líneas de transmisión, y permite utilizar alambres delgados, con lo cual s e reducen los costos de los
materiales.Las líneas de transmisión actuales operan de manera rutinaria con voltajes eficaces del orden de
500 kV. Por otro lado, consideraciones de seguridad y requerimientos de aislamiento imponen voltajes
relativamente bajos en el equipo de generación y en las líneas de distribución domésticas e industriales. El
voltaje estándar para el cableado doméstico es de 120 V en Estados Unidos yCanadá,y de 240 V en muchos
otros países. La conversión necesaria del voltaje se lleva a cabo por medio de transformadores.
Cómo funcionan los transformadores
La figura 21 ilustra un transformador idealizado. Sus componentes clave son dos bobinas o devanados,
aislados eléctricamente uno del otro pero enrollados en el mismo núcleo,que por lo general está hecho de un
material,como el hierro,con una permeabilidad relativa Km muy grande. Esto mantiene las líneas del campo
magnético debidas a una corriente en un devanado casi completamente dentro del núcleo. Por consiguiente,
casi todas las líneas de este campo pasan a través del otro devanado y
maximizan la inductancia mutua de los dos devanados. El devanado al
que se suministra energía se llama primario, y el devanado del que se
toma energía recibe el nombre de secundario. El símbolo de un
transformador con núcleo de hierro en un circuito,como los que se usan
en los sistemas de distribución, es
A continuación se describe el modo en que funciona un trans formador.
La fuente de ca ocasiona una corriente alterna en el primario, lo que
establece un flujo alterno en el núcleo; esto induce una fem en cada
devanado, de acuerdo con la ley de Faraday.
La fem inducida en el secundario da lugar a una corriente alterna en el
secundario, y esto entrega energía al dispositivo al que está conectado
el secundario.Todas las corrientes ylas fem tienen la misma frecuencia
que la fuente de ca.
Veamos cómo se consigue que el voltaje entre los extremos del secundario tenga una amplitud mayor o
menor que el voltaje entre los extremos del primario. Se ignora la resistencia de los devanados y se supone
que todas las líneas de campo magnético están confinadas al núcleo de hierro, de manera que en cualquier
instante el flujo magnético FB es el mismo en cada espira de los devanados primario y secundario. El
devanado primario tiene N1 espiras,y el secundario tiene N2 espiras.Cuando el flujo magnético cambia como
resultado de la modificación de las corrientes en las dos bobinas, las fem inducidas resultantes son
El flujo por espira FB es el mismo tanto en el primario como en el secundario, por lo que las ecuaciones (33)
indican que la fem inducida por espira es la misma en cada uno. La razón entre la fem secundaria E2 y la fem
primaria E1 es,por lo tanto, igual en cualquier instante a la razón entre las espiras del secundario ylas espiras
del primario:

2. Como E1 y E2 oscilan con la misma frecuencia que la fuente de ca, la ecuación (34) también da la razón de las
amplitudes o de los valores rms de las fem inducidas.Si los devanados tienen una resistencia de cero,las fem
inducidas E1 y E2 son iguales a los voltajes entre terminales a través del primario y el secundario,
respectivamente; por lo tanto,
donde V1 y V2 son las amplitudes o los valores rms de los voltajes terminales. Al
elegir la razón apropiada de las espiras N2>N1,se puede obtener cualquier voltaje
secundario deseado a partir de un voltaje primario dado. Si N2 . N1, como en la
figura.21, entonces V2 . V1 y tenemos un transformador elevador; si N2 , N1,
entonces V2 , V1 y tenemos un transformador reductor. En una estación
generadora de energía eléctrica se utilizan transformadores elevadores; el
primario se conecta a la fuente de energía y el secundario a las líneas de
transmisión, con lo cual se obtiene el alto voltaje que se requiere para la
transmisión. Cerca del consumidor se usan transformadores reductores que
disminuyen el voltaje a un valor apropiado para el uso doméstico o industrial
(figura.22).
Aun el voltaje relativamente bajo provisto por una
toma de pared doméstica es demasiado elevado para
muchos dispositivos electrónicos, por lo que es
necesario un transformador reductor adicional. Éste
es el papel que cumple un “adaptador de ca” (también
llamado “cubo de potencia” o “adaptador de
potencia”), como los que se utilizan para recargar un
teléfono móvil o una computadora portátil con el
voltaje de la línea. Tales adaptadores contienen un
transformador reductor que convierte el voltaje de línea a uno de un valor menor,
generalmente de 3 a 12 volts, asícomo diodos para convertir la corriente alterna a
la corriente directa que requieren esos pequeños aparatos electrónicos (figura.23).
Consideraciones de energía para los transformadores
Si se completa el circuito secundario con una resistencia R,entonces la amplitud o el valor rms de la corriente
en el circuito secundario es I2 5 V2>R. Con base en consideraciones de energía, la potencia entregada al
primario es igual a la que sale del secundario (puesto que no hay resistencia en los devanados); por lo tanto,
Esto demuestra que,cuando se completa el circuito secundario a través de una resistencia R, el resultado es
el mismo que si se hubiera conectado la fuente directamente a una resistencia igual a R dividida entre el
cuadrado de la razón de espiras (N2>N1)2.En otras palabras, el transformador “transforma” no sólo voltajes y
corrientes, sino también resistencias. Desde un punto de vista más general, se puede considerar que un
transformador “transforma” la impedancia de la red a la que está acoplado el circuito del secundario.
La ecuación (37) tiene numerosas consecuencias prácticas. La energía suministrada por una fuente a un
resistor depende de las resistencias tanto del resistor como de la fuente. Se puede demostrar que la
transferencia de potencia es máxima cuando las dos resistencias son iguales. El mismo principio se aplica
tanto a los circuitos de cd como a los de ca. Cuando una fuente de ca de impedancia elevada debe
conectarse a un circuito de baja impedancia,como un amplificador de audio conectado a un altavoz, se puede
igualar la impedancia de la fuente con la del circuito mediante el uso de un transformador con una razón
apropiada de espiras N2>N1.

3. Los transformadores reales siempre tienen algunas pérdidas de
energía. (Por eso, un adaptador de ca, como el que se ilustra en la
figura 23, se siente caliente al tacto después de haberse usado
durante cierto tiempo; el transformador se calienta por la energía
disipada.) Los devanados tienen cierta resistencia, lo que produce
pérdidas de i2R.También hay pérdidas de energía por histéresis en el
núcleo.
Las pérdidas por histéresis se minimizan utilizando hierro dulce con
una espira de histéresis estrecha.
Otro mecanismo importante de pérdida de energía en el núcleo de un
transformador tiene que ver con las corrientes parásitas (véase la
sección 29.6). Considere la sección AA a través del núcleo de hierro
de un transformador (figura 24a). Como el hierro es conductor,
cualquier sección como ésa se puede considerar com o varios circuitos
conductores, uno dentro de otro (figura 24b). El flujo a través de cada
uno de estos circuitos cambia continuamente; en consecuencia, hay
corrientes parásitas que circulan por todo el volumen del núcleo, con
líneas de flujo que forman planos perpendiculares al flujo. Estas
corrientes parásitas son sumamente indeseables porque desperdician
energía a través del calentamiento de i2R y establecen un flujo
opuesto.
Los efectos de las corrientes parásitas se minimizan mediante el
empleo de un núcleo laminado, es decir, uno hecho de láminas
delgadas,o laminillas.La gran resistencia eléctrica superficial de cada
lámina, debida a un revestimiento natural de óxido o a un barniz
aislante, confina con eficacia las corrientes parás itas a las láminas
individuales (figura 24c). Las posibles trayectorias de las corrientes
parásitas son más angostas, la fem inducida en cada trayectoria es
menor, y las corrientes parásitas se reducen considerablemente. El
campo magnético alterno ejerce fuerzas sobre las láminas portadoras
de corriente que las hace vibrar hacia un lado y otro; esta vibración es
la que ocasiona el zumbido característico de un transformador en
funcionamiento.
Este mismo zumbido se escucha en la bobina de inductancia
magnética de una lámpara fluorescente.
Gracias al uso de núcleos de hierro dulce y a la lam inación, las
eficiencias de los transformadores son, por lo general, superiores al
90%; en instalaciones grandes alcanza el 99%.
RESUMEN
REFERENCIA: Física Universitaria - Sears Zemansky - Vol. 2 - páginas 1080 a la 1084