Transformador y corriente continua

Programas: GCSE, Sek I/II

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Objetivo

Comprobar si un transformador funciona con corriente continua, y ver que en el devanado secundario aparece tensión solo cuando cambia la corriente del primario.

El montaje

Una fuente de tensión continua de 6 V está conectada a través de un interruptor y un amperímetro al devanado primario del transformador (2000 espiras, resistencia 40 Ω). Una bombilla de 3,5 V / 0,5 W y un voltímetro de continua están conectados al devanado secundario (1400 espiras). El interruptor está abierto.

Procedimiento

1. Cierre el interruptor. Observe la bombilla y el amperímetro.
2. Espere unos segundos. Anote las lecturas del amperímetro y del voltímetro.
3. Abra el interruptor. Observe la bombilla.
4. Repita el experimento con una velocidad de simulación menor para ver mejor los destellos.

Resultado esperado

Al cerrar el interruptor, la corriente del devanado primario sube gradualmente, durante una fracción de segundo, y se estabiliza en unos 0,15 A: la limita la resistencia del devanado. El flujo cambia despacio, la tensión inducida es pequeña, y la bombilla apenas se enciende — el filamento solo llega a ponerse rojo, lo que se aprecia únicamente a oscuras. Mientras la corriente es constante, el voltímetro del devanado secundario marca 0 y la bombilla está apagada. Al abrir el interruptor, la corriente se interrumpe bruscamente y la bombilla da un destello intenso — el doble de brillo que a su valor nominal — y se apaga en un cuarto de segundo: la corriente inducida es de unos 0,2 A, 1,4 veces su corriente nominal. En el devanado secundario solo se induce tensión por un flujo magnético variable, así que un transformador no funciona con corriente continua.

La corriente del devanado primario no está limitada por casualidad. El núcleo de un transformador real puede saturarse con corriente continua, y una corriente intensa al abrir pasaría al circuito secundario en la misma proporción que las espiras y fundiría la bombilla.

Preguntas

1. ¿Por qué la bombilla da un destello más intenso al abrir el interruptor que al cerrarlo?
2. ¿Por qué la corriente del devanado primario no sube inmediatamente después de cerrar?
3. ¿Por qué los transformadores se usan solo en circuitos de corriente alterna?

Respuestas

1. Al cerrar el interruptor, la corriente y el flujo magnético crecen gradualmente, y un cambio lento del flujo induce solo una tensión pequeña. Al abrirlo, la corriente del primario de 0,15 A se detiene casi al instante, y la energía almacenada en el campo magnético del núcleo pasa al circuito secundario: el flujo mantiene una corriente de unos 0,15 A · 2000 / 1400 ≈ 0,2 A a través de la bombilla, 1,4 veces su corriente nominal.
2. El devanado tiene 2000 espiras sobre un núcleo de acero y, por tanto, una inductancia grande. La corriente creciente crea un flujo magnético creciente, y este flujo induce en el devanado una tensión que se opone al crecimiento de la corriente (autoinducción), así que la corriente se acerca gradualmente a 6 V / 40 Ω ≈ 0,15 A.
3. Un transformador transfiere energía solo a través de un flujo magnético variable; una corriente continua crea un flujo constante, y el devanado secundario no da tensión. Con corriente continua la corriente del primario está limitada, además, solo por la resistencia del devanado: con el primario de 500 espiras por defecto (2,5 Ω) la fuente de 6 V haría circular por él unos 1,9 A, y un devanado real se sobrecalentaría.