definición de transformadores

1. Transformadores
Cristian Cruz Pérez Águila, Jordi Solís López, Omar Vázquez Rueda, Daniel Hernández
Rivera, Gerardo Roldan Trujillo
Benemérita Universidad Autónoma de Puebla
Resumen
Los transformadores tienen una gran importancia por sus aplicaciones industriales, en el
presente trabajo se hace un análisis de su funcionamiento, comparándolo con el modelo
ideal de un transformador. La ley de inducción de Faraday nos ayuda a comprender el
funcionamiento de un transformador, así como las distintas clases de transformadores.
Palabras clave: Transformador, Ley de Inducción de Faraday.
Introducción
El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto
nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, por medio de interacción
electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, aisladas
entre sí eléctricamente y por lo general enrolladas alrededor de un mismo núcleo de
material ferromagnético. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo
magnético común que se establece en el núcleo.
Los transformadores son dispositivos basados en el fenómeno de la inducción
electromagnética y están constituidos, en su forma más simple, por dos bobinas
devanadas sobre un núcleo cerrado, fabricado bien sea de hierro dulce o de láminas
apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las
bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la
entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen
transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario",
de menor tensión que el secundario.
Si se aplica una fuerza electromotriz alterna en el devanado primario, circulará por éste
una corriente alterna que creará a su vez un campo magnético variable. Este campo
magnético variable originará, por inducción electromagnética, la aparición de una fuerza
electromotriz en los extremos del devanado secundario.
La relación de transformación nos indica el aumento o decremento que sufre el valor de la
tensión de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, por cada volt de
entrada cuantos volts hay en la salida del transformador.

2. La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Vp), la aplicad al devanado primario y
la fuerza electromotriz inducida (Vs), la obtenida en el secundario, es directamente
proporcional al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns).
La razón de transformación de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado
secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de
vueltas del secundario es el triple del primerio, en el secundario habrá el triple de tensión
(en un transformador ideal), es decir:
𝑁 𝑝
𝑁𝑠
=
𝑉𝑃
𝑉𝑠
Los transformadores se utilizan en la red de transporte de energía eléctrica, al poder
efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las
pérdidas por efecto Joule (calentamiento de conductores) y se minimiza el costo de los
conductores. A continuación se presenta el diagrama de un transformador:
Figura 1. Transformador ideal (dos bobinas devanadas en un núcleo de hierro) en un circuito de
transformación básico. Un generador de CA produce corriente en la bobina de la izquierda. La bobina de la
derecha está conectada a la carga resistiva R cuando se cierra el interruptor S.
Existen dos clases principales de transformadores, los transformadores elevadores cuya
finalidad es producir un potencial mayor en la bobina secundaria que el que produce
campo magnético en la bobina primaria, y los transformadores reductores cuyo propósito

3. es producir un potencial menor en la bobina secundaria que el que entra en la bobina
primaria.
La Ley de Inducción de Faraday
La ley de inducción de Faraday fue descubierta casi al mismo tiempo por Michael Faraday
y por Joseph Henry (1831). Los experimentos que ellos realizaron se pueden resumir como
sigue:
Si por una bobina conectada a un amperímetro (pero no a una batería) se desplaza un
imán de barra, se observa que el amperímetro registra una corriente.
Cuanto más aprisa se mueve el imán, mayor es la lectura registrada, la lectura es
independiente de quien se mueve el imán o la bobina.
Lo que induce la fem en la bobina, es el cambio en el número de líneas de campo
magnético que pasan a través de un circuito cerrado. Más exactamente, lo que determina
la fem es la velocidad de cambio en el número de líneas de campo que pasan a través de
la bobina.
Desarrollo Experimental
El desarrollo experimental de esta práctica es muy sencillo, utilizamos bobinas de 200,
400, 800, 1600, 3200 espiras, una interface conectada a una computadora (el programa
utilizado fue Data Studio), así como un núcleo de hierro para colocar las bobinas,
resistencias de 10, 100 y 1000 Ω y dos amperímetros.
Es importante hacer varias consideraciones como que la fuente conectada debe ser de
corriente alterna, de lo contrario el campo magnético producido en la bobina primaria
será constante en el tiempo y no induciría corriente en la bobina secundaria.
Primera Parte
En la primera parte se formaron transformadores uniendo dos bobinas al núcleo, una de
ellas primaria y otra secundaria, posteriormente se cambiaba alguna de ellas para obtener
un transformador diferente. Obviamente la bobina primaria conectada a una fuente de
corriente alterna y un amperímetro (con la interface) y la bobina secundaria únicamente a
un amperímetro (con la interface), gracias a que se utilizó la interface fue posible registrar
mediciones en intervalos de tiempo muy cortos y con bastante precisión, como se puede
ver a continuación:

4. Figura 2. Esquema de transformador:2 bobinas unidas medianteun núcleo de material ferromagnético, una
de ellas conectada a una fuente de corriente alterna (primaria) y la otra a un amperímetro (secundaria).
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Tiempo (s) Transformador 1: Np=400,Ns=200 Transformador 2: Np=400, Ns=800
Voltaje (V)+-0.0005V Voltaje (V)+-0.0005V
Primaria Secundaria Primaria Secundaria
0 -2.7003 0.9619 -1.4405 1.8262
2.00E-04 -2.7198 0.9961 -1.6846 2.2315
4.00E-04 -2.6612 0.9961 -2.0118 2.6075
6.00E-04 -2.7296 1.0059 -2.295 2.9298
8.00E-04 -2.7638 0.9912 -2.3634 3.2618
0.001 -2.5684 0.9571 -2.5245 3.5108
0.0012 -2.4122 0.9522 -2.6173 3.7501
0.0014 -2.2559 0.8741 -2.7686 3.8917
0.0016 -2.0313 0.752 -2.8126 3.9698
0.0018 -1.792 0.6641 -2.7149 4.0089
0.002 -1.4844 0.5957 -2.6759 3.9015
0.0022 -1.2745 0.4443 -2.588 3.7794
0.0024 -0.8594 0.332 -2.4512 3.6378
0.0026 -0.4883 0.1904 -2.3145 3.379
0.0028 -0.2637 0.0732 -2.1192 3.0567
0.003 0.0391 -0.083 -1.8311 2.6954
0.0032 0.4736 -0.1465 -1.6407 2.2803
0.0034 0.7862 -0.2686 -1.211 1.8213
0.0036 1.0791 -0.3565 -0.9375 1.3379
0.0038 1.4698 -0.4883 -0.625 0.8545
0.004 1.6407 -0.586 -0.3662 0.3223

5. 0.0042 1.8653 -0.6543 0.1074 -0.0928
0.0044 2.1632 -0.7617 0.4151 -0.5811
0.0046 2.3341 -0.8594 0.7422 -0.9619
0.0048 2.5684 -0.9229 0.9326 -1.4209
0.005 2.6319 -0.9375 1.2696 -1.8116
0.0052 2.6466 -0.9815 1.626 -2.2315
0.0054 2.6905 -1.0059 1.7774 -2.6124
0.0056 2.5782 -0.9961 2.0362 -2.9737
0.0058 2.6124 -0.918 2.2852 -3.2765
0.006 2.5001 -0.9522 2.6612 -3.545
0.0062 2.3585 -0.8936 2.7442 -3.7648
0.0064 2.2657 -0.8741 2.5684 -3.921
0.0066 1.9092 -0.7471 2.671 -4.004
0.0068 1.7286 -0.6641 2.7442 -4.0138
0.007 1.46 -0.5567 2.71 -3.9552
0.0072 1.1182 -0.4443 2.7052 -3.8429
0.0074 0.9375 -0.3027 2.4219 -3.6525
0.0076 0.5469 -0.1856 2.2266 -3.379
0.0078 0.2002 -0.0439 2.0606 -3.0567
0.008 -0.1416 0.0684 1.7432 -2.6807
0.0082 -0.4785 0.1611 1.5479 -2.2315
0.0084 -0.8203 0.2686 1.1573 -1.8067
0.0086 -1.2891 0.3662 0.9571 -1.3135
0.0088 -1.5772 0.4688 0.459 -0.8008
0.009 -1.8262 0.5811 0.2734 -0.3125
0.0092 -1.9532 0.669 -0.0928 0.1514
0.0094 -2.1973 0.7569 -0.4248 0.5664
0.0096 -2.3682 0.835 -0.791 1.001
0.0098 -2.4952 0.9033 -1.1573 1.4063
0.01 -2.5587 0.9717 -1.4112 1.8213
0.0102 -2.7589 0.9864 -1.6846 2.2169
0.0104 -2.7442 1.0108 -1.8897 2.6173
0.0106 -2.7491 1.0059 -2.2217 2.964
0.0108 -2.5831 0.9864 -2.3585 3.2667
0.011 -2.4757 0.9717 -2.5391 3.5401
0.0112 -2.4415 0.9131 -2.6466 3.7403
0.0114 -2.3145 0.8399 -2.7345 3.8917
0.0116 -2.0362 0.7569 -2.6905 3.9845
0.0118 -1.8116 0.6641 -2.7589 3.9991
0.012 -1.2989 0.5762 -2.6075 3.9454
0.0122 -1.1914 0.4395 -2.5782 3.8185

6. 0.0124 -0.918 0.3516 -2.4854 3.6329
0.0126 -0.542 0.21 -2.2217 3.3692
0.0128 0.0195 0.0684 -2.1192 3.0519
0.013 0.1123 -0.0635 -1.7725 2.6759
0.0132 0.4541 -0.166 -1.6016 2.2706
0.0134 0.7813 -0.2441 -1.3184 1.8213
0.0136 1.0254 -0.3662 -0.8448 1.3282
0.0138 1.3672 -0.4736 -0.6885 0.835
0.014 1.6163 -0.6006 -0.2881 0.3272
0.0142 1.9288 -0.6494 -0.0195 -0.1367
0.0144 2.0997 -0.7617 0.3516 -0.5762
0.0146 2.4219 -0.8106 0.7227 -0.9912
0.0148 2.5636 -0.9033 1.0059 -1.4014
0.015 2.5001 -0.9571 1.1719 -1.8165
0.0152 2.7491 -0.9912 1.6358 -2.212
0.0154 2.6856 -0.9912 1.8458 -2.5929
0.0156 2.7393 -1.0059 1.8653 -2.9591
0.0158 2.6368 -0.9864 2.0801 -3.2667
0.016 2.5147 -0.9766 2.4757 -3.5353
0.0162 2.3096 -0.9033 2.4854 -3.7648
0.0164 2.2657 -0.8203 2.6612 -3.9064
0.0166 1.9874 -0.7569 2.6417 -3.9845
0.0168 1.7579 -0.6592 2.7052 -4.0187
0.017 1.3868 -0.5469 2.6222 -3.9405
0.0172 1.1866 -0.4248 2.5294 -3.8478
0.0174 0.9033 -0.3174 2.4122 -3.7111
0.0176 0.708 -0.1953 2.2315 -3.379
0.0178 0.1953 -0.0635 1.9532 -3.047
0.018 -0.166 0.0537 1.8555 -2.6759
0.0182 -0.4151 0.166 1.7188 -2.2315
0.0184 -0.7959 0.2881 1.2305 -1.8067
0.0186 -1.1475 0.3711 0.9278 -1.3233
0.0188 -1.46 0.4736 0.5518 -0.8106
0.019 -1.6944 0.5811 0.2149 -0.2979
0.0192 -1.9678 0.669 -0.1025 0.1807
Tabla 1. Potencial en los Transformadores vs tiempo

7. Las siguientes gráficas nos muestran mejor el comportamiento de los dos tipos de
transformadores:
Gráfica 1. En esta gráfica podemos ver el comportamiento de un transformador reductor.
Gráfica 2. En esta gráfica podemos ver el comportamiento de un transformador elevador.
En la siguiente gráfica se puede apreciar el efecto Joule, en un transformador formado por
dos bobinas iguales de 400 espiras: Para un transformador ideal los voltajes en ambas
bobinas deben ser iguales.

8. Gráfica 3. En esta gráfica podemos ver el efecto Joule, la Amplitud en la bobina secundaria es menor debido
a que parte de la energía se pierde en forma de calor en los conductores.
Segunda Parte
La segunda parte consistió en construir transformadores combinando las bobinas:
Figura 3. Combinación de bobinas para formar un transformador
Con esto se pudieron formar diversos transformadores, y en cada caso el transformador
resultante era elevador si el número de espiras totales en la bobina secundaria era mayor
que el número total de espiras en la bobina primaria, y era reductor si ocurría lo contrario.

9. Gráfica 4. Transformador formado al combinar más de dos bobinas.
Al formar las distintas combinaciones, también se cambió el núcleo, con lo que se pudo
observar que si afecta la eficiencia del transformador, ya que con el núcleo completo el
voltaje de la bobina secundaria es mayor que con la mitad del núcleo, a su vez mayor al
del caso sin núcleo.
Tercera Parte
Finalmente al transformador se la conecto una resistencia, esto se hizo en el circuito
secundario, y se midió la corriente y el potencial en ambas bobinas de un transformador
reductor con bobinas de 400 y 200 espiras, se efectuaron las mediciones para tres
distintas resistencias:
Figura 4. Combinación de bobinas para formar un transformador con una resistencia conectada en el
circuito secundario.

10. Bobina Primaria Bobina Secundaria
Resistencia (Ω)
+- 0.5 Ω
Corriente (mA)
+- 0.05 mA
Voltaje (V)
+-0.005 V
Corriente (µA)
+- 0.05 µA
Voltaje (V)
+- 0.005 V
10 19.28 6 633.3 0.187
100 19.64 6 620.2 1.918
1000 19.69 6 481.1 1.925
Tabla 2. Corriente y potencial en transformador al conectar una resistencia en el circuito secundario.
Podemos darnos cuenta por los resultados registrados en la tabla que al aumentar la
resistencia la corriente inducida en la bobina secundaria disminuye, en cambio el
potencial en dicha bobina aumenta.
Conclusión:
Los transformadores tienen una gran importancia por sus aplicaciones, los dos tipos
principales de transformadores son elevadores y reductores, el primero tiene un potencial
mayor en la bobina secundaria y el segundo tiene un potencial mayor en la bobina
primaria, también pudimos darnos cuenta que el efecto Joule si produce una pérdida de
energía significativa y esto afecta la eficiencia de los transformadores, incluso los núcleos
generalmente están formados por materiales laminados precisamente para contrarrestar
el efecto Joule.
Como lo indican todos los resultados la eficiencia y tipo de transformador depende del
número de espiras que tenga en las bobinas primaria y secundaria, así como de la
resistencia de propia de cada circuito o alguna adicional, que constituye otro elemento
para poder construir el transformador que mejor satisfaga nuestras necesidades.
Bibliografía:
Halliday David, Resnick Robert, Walker Jane, Fundamentos de Física, sexta edición, grupo
editorial Patria, México, 2008.
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Tipenns Paul E., física Conceptos y Aplicaciones, Séptima edición, Mc Graw Hill, México,
2007.