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Transformadores eléctricos

Cuando hablamos de transformadores en física suele entenderse que nos referimos al transformador eléctrico clásico, es decir, a un aparato que eleva o rebaja la tensión de una corriente alterna, fundado en los fenómenos de inducción electromagnética. Está formado por un circuito magnético de hierro, sobre el cual se arrollan dos circuitos conductores, el primario den1 espiras que recibe la energía de un generador y el secundario de n2 espiras que actúa de generador para el circuito de utilización. Entre los voltajes de las bobinas y el número respectivo de espiras se cumple la condición:

V1 / n1 = V2 / n2 (1)

El transformador es de alta tensión cuando el voltaje del secundario es mayor que el del primario y de baja tensión cuando ocurre locontrario. Si en el circuito de utilización existe una resistencia (o impedancia) R2, la corriente I2 que circula por el mismo (en el caso ideal que no hay pérdidas de calor) cumple la condición:

I1V1 = I2V2 (2)

ya que la potencia del primario es igual a la del secundario.

De las ecuaciones (1) y (2) resulta que:

I1 / I2 = n2 / n1

En un transformador de alta, al aumentar la tensióndisminuye la intensidad, lo cual es muy útil para evitar los problemas de calor excesivo en el circuito de utilización, especialmente en las líneas de transporte.

También existen transformadores de corriente continua. En uno de los métodos utilizados, el voltaje continuo se interrumpe obteniendo una onda cuadrada alterna que se amplifica mediante un transformador de alterna hasta el valor deseadoy posteriormente se rectifica y se filtra hasta lograr de nuevo la linealidad total. Este es un esquema que se utiliza habitualmente en las radios de los automóviles a partir de la batería de 12 voltios.

Sin embargo, la idea de transformador en física es mucho más general. Veamos algunos casos a continuación.

Transformadores mecánicos

Tenemos muchos ejemplos de transformaciones de alta yde baja en máquinas simples. Las magnitudes transformadas, análogas al voltaje y la corriente son ahora la fuerza y la velocidad.

Así, en el torno, máquina formada por un cilindro horizontal de radio r, móvil alrededor de su eje y sobre el cual se arrolla una cuerda arrastrada por una manivela de longitud R que gira sobre el mismo eje. Prescindiendo de rozamientos, la fuerza motriz F ejercidapor el operador sobre el manubrio guarda, con el peso P levantado, la relación:

F / r = P / R,

es decir, la fuerza motriz F es inferior al peso P en la relación r / R. Naturalmente, la velocidad con que el peso P asciende en el torno es sólo la fracción r / R de la velocidad del manubrio.

Así podemos elevar un peso muy superior al que se consigue con la ayuda de nuestras fuerzas, pero estaventaja se "paga" con la disminución de velocidad con que el peso se levanta. Relaciones análogas encontramos en los planos inclinados, palancas, etc.

Si se trata de fenómenos mecánicos de rotación, las magnitudes voltaje y corriente vienen sustituidas por el momento del par y la velocidad angular. Así, el cambio de marchas de un automóvil se obtiene mediante un tren de engranaje que seintercala entre el árbol cigüeñal y el árbol motor. En una pendiente, el cambio de marchas permite reducir el número de revoluciones por segundo con lo cual el par desarrollado sobre el árbol motor crece en igual proporción, ya que prescindiendo de rozamientos, la potencia permanece constante. Con una transmisión baja, el momento del par se multiplica por 2 ó por 3 y el coche asciende por la pendiente,aunque a menor velocidad que en una carretera horizontal y con una transmisión elevada. El cambio de marchas de una bicicleta tiene el mismo fundamento con mecanismos distintos.

Transformadores acústicos y resonancias

Son bien conocidos los ejemplos de vibraciones resonantes que amplifican la amplitud de oscilación de un sistema mecánico. Por ejemplo, un niño que voltea rítmicamente una...