Otras carreras Sobre transformadores, ley de Lenz e inducción

[subrosandro]

Veréis, esta noche discutiendo con un físico amigo mio no hemos sido capaces de responder a una duda, y he recordado que tenía una cuenta aquí, a ver si nos podéis ayudar. Intentaré explicarla lo más simplificada posible.

Tenemos un transformador:



Tenemos una bobina (Bobina 1) que está conectada a la red eléctrica (220v) y una bobina secundaria (bobina 2) con un número de espiras menor que da una corriente de salida de 12v.

Bien, ahora viene la duda. Si conectamos eso a la corriente, por la bobina 1 tenemos un circuito cuya única resistencia es el paso de la corriente por un solenoide (una resistencia baja, pues los cables de cobre conducen bien la corriente). Por lo tanto la caída de tensión es mínima y apenas se consume electricidad. Es decir, que en teoría un transformador conectado a la corriente apenas consumiría unos pocos watios. Y sabemos que eso no es cierto porque de ser así no se cumpliría el principio de conservación de la energía. Por lo tanto, e intuitivamente, tenemos que aceptar que existe una "resistencia" que provoca la bobina 2 y que no existiría de no estar la bobina 2 en ese lugar.

Dicho de otras palabras, a pesar de que la bobina 2 no está conectada al circuito de la bobina 1 (como haría una resistencia tradicional), está está haciendo una resistencia frente al circuito. La pregunta es, ¿de donde sale esa resistencia? Lo único que se nos ocurrió es que el campo magnético creado por la tensión inducida en la bobina 2 (que según la Ley de Lentz se opone al campo inductor) esta generando una especie de resistencia magnética. ¿Tiene eso sentido acaso? ¿Se pueden crear resistencias magnéticas que se puedan aplicar como se aplicaría la Ley de Ohm? Quiero decir, conozco el principio de la reluctancia magnética, pero eso es para circuitos magnéticos y este es un circuito eléctrico. ¿Acaso que una fuerza externa "empuje" el campo magnético hacia atrás puede crear una resistencia eléctrica que se traduzca en una caída de tensión en la bobina 1?

Y por último tengo una pregunta secundaria: ¿que ocurre si abres el circuito de la bobina 2? ¿Si resulta que no se produce corriente en esa bobina, por qué cuando tenemos un cargador de móvil enchufado sin un móvil en él, zumba? ¿Acaso es la bobina 1 la que zumba?

Espero haberme explicado bien.

[Alriga]

Re: Sobre transformadores, ley de Lenz e inducción

Hola subrosandro, como veo que hace tiempo que no comentas en La web de Física y algunas normas han cambiado, no estaría de más que echases un vistazo a Consejos para conseguir ayuda de forma efectiva

La carga $R_L$ conectada en el secundario del transformador se puede interpretar como si estuviese conectada en el primario mediante el conocido método de "reducción al primario del transformador"

Si en primera aproximación despreciamos la corriente magnetizante y las pérdidas en el núcleo magnético, a nivel de cálculo energético puedes considerar que el circuito compuesto por la fuente, el transformador y la carga es equivalente a la fuente de energía con un circuito conectado en sus bornes compuesto por la conexión en serie de:

$R_1$ la resistencia del arrollamiento primario.

$R_2 \cdot \left ( \dfrac{n_1}{n_2}\right )^2$ la resistencia del arrollamiento secundario reducida al primario.

$R_L \cdot \left ( \dfrac{n_1}{n_2}\right )^2$ la resistencia de carga reducida al primario.

En donde $n_1$ es el número de espiras del primario y $n_2$ el número de espiras del secundario.

Saludos.

[subrosandro]

Re: Sobre transformadores, ley de Lenz e inducción

Hola Alriga, primero muchas gracias por contestar.

Comprendo que tu respuesta es a la hora de hacer los cálculos, pues la reducción es algo que está implícito ya por ejemplo en esos 220V de entrada (que han sido transformados varias veces a lo largo de la red eléctrica antes de llegar a casa). Yo más que la "aplicación práctica" en el cálculo de circuitos, estoy buscando el fundamento físico en el cual se basa la idea de que la presencia de una bobina secundaria induce una resistencia en el circuito primario.

Voy a plantearlo de otro modo. Tenemos una batería de 12V capaz de suministrar hasta 5 A a la que conectamos un cargador de móvil, pero no enchufamos ningún móvil a él. El cargador tiene un transformador que está transformando los 12V en 5V. El cargador está enchufado, por lo tanto por la bobina primaria está circulando una corriente de 12V. Despreciando la resistencia del cable (y por lo tanto del bobinado) tenemos que los 12V que entran por el borne positivo salen por el borne negativo, eso hace que la batería se descargue ya que ante una resistencia practicamente nula, la corriente de ese circuito serían 5A (es el mismo caso que conectar los dos bornes de una pila de petaca entre si). Sin embargo, sabemos que eso no ocurre. Lo que ocurre es que el cargador no consume electricidad. Esa es mi primera pregunta. ¿Cómo es posible?

Suponiendo que la primera pregunta está solucionada, conectamos la segunda bobina. En el circuito de la segunda bobina ponemos primero una resistencia, y en un segundo experimento dos resistencias en serie. Al aumentar el número de resistencias, el consumo disminuye ya que P=I*V=V²/R (siento no usar LaTeX, no me funciona el editor). Sin embargo, por la primera bobina (la que está conectada físicamente a la batería) sigue circulando la misma corriente a 12V 5A (suponiendo que esto sea cierto, que no lo es), es decir, que intuitivamente parece que un transformador consume siempre su potencia máxima, cuando sabemos que no es así (pues es la típica pregunta de: una fuente de alimentación de 650W consume siempre 650W? cuya respuesta es No, consume en función de lo que se conecta pues la corriente aumenta según le conectas más aparatos).

Por lo tanto, según los cálculos que tu me dices, la resistencia del circuito de la segunda bobina se puede considerar como si estuviese conectada en serie con el circuito de la primera bobina (es la única posibilidad de responder a las dos preguntas que te he planteado), pero el problema es que físicamente no hay ningún material que se oponga al paso de los electrones en el circuito primario, no hay ningún material diaeléctrico, es solo magnetismo.

En resumen

¿Cuál es el principio físico que explica que la presencia de una bobina secundaria en la zona de influencia de un campo magnético creado por un electroimán sea capaz de inducir una resistencia al paso de los electrones en el electroimán en función de la resistencia que se oponga a la corriente inducida en la bobina secundaria (creada por la Ley de Faraday) al paso de sus propios electrones?

Creo que la clave está en la Ley de Lentz, pero no acabo de entenderlo.