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1 “Año de la diversificación productiva y del fortalecimiento de la educación” UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN MARCOS Universidad del Perú, decana de América FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA Cuarto informe de Física Tema: Inducción Electromagnética Alumnos: Rivera Poma, María de Fátima 14100106 Torres Roncal, Luis Alberto Alexis 15100110 Guarnizo Bejarano Paul Orlando 15100033 Espinoza Huamán Koralí 15100113 Tapia Robles, Diego Enrique Matheus 14100108 Ciclo II- 2015 Lima, 21 deOctubre del 2015 Docente: Huayta Puma Jorge Fecha de experimentación: Miércoles14 de Octubre, de 12m-2pm Ciclo:

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“Año de la diversificación productiva y del fortalecimiento de

la educación”

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN

MARCOS

Universidad del Perú, decana de América

FACULTAD DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE

GENÉTICA Y BIOTECNOLOGÍA

Cuarto informe de Física

➢ Tema:

Inducción Electromagnética

Alumnos:

Rivera Poma, María de Fátima 14100106

Torres Roncal, Luis Alberto Alexis 15100110

Guarnizo Bejarano Paul Orlando 15100033

Espinoza Huamán Koralí 15100113

Tapia Robles, Diego Enrique Matheus 14100108

Ciclo II- 2015

Lima, 21 deOctubre del 2015

➢ Docente:

Huayta Puma Jorge

➢ Fecha de experimentación:

Miércoles14 de Octubre, de 12m-2pm

➢ Ciclo:

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Índice

I. Objetivos 3

II. Materiales y Equipos 4

III. Marco Teórico 8

IV. Procedimiento 14

V. Conclusiones 18

VI. Recomendaciones 19

VII. Cuestionario 20

VIII. Bibliografía 26

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INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

I. OBJETIVOS:

En esta práctica, que en su mayoría fue práctica podemos recalcar los

objetivos más importantes que fueron los siguientes:

Comprobar la Ley de Lenz mediante la observación y a la vez de

manera empírica usando los materiales que el profesor nos brindará y

de los cuales hablaremos más adelante.

Comprobar la Ley de Faraday de manera empírica.

Estudiar la relación que existe entre el campo eléctrico y el campo

magnético

Estudiar los fenómenos de la Inducción electromagnética

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II. MATERIALES Y EQUIPOS

1. Fuente de alimentación directa

También conocida como fuente de alimentación, es la encargada de proveer

corriente eléctrica directa para el funcionamiento del circuito. Tiene una

tensión de salida regulable, en nuestro caso, en un margen de 0 a 20 voltios

por la que podemos ajustar qué voltaje de salida queremos y también

podemos poner un límite a la intensidad que circulará .La limitación de

intensidad también nos permite ejercer la prudencia a la hora de alimentar

algún dispositivo que no sabemos cómo va a reaccionar en caso de que haya

alguna avería

2. Reóstato o Resistencia Variable

Un reóstato o reóstato es un dispositivo de una resistencia variable. Al acoplarse

en serie con otro receptor, el reóstato produce una caída de tensión

proporcional a la resistencia seleccionada, modificando los valores de tensión,

corriente y potencia consumida por dicho receptor. El inconveniente de estos

dispositivos es la elevada potencia que consumen y el calor que disipan como

consecuencia de ello, lo que limita su rango a aplicación a intensidades muy

pequeñas.

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3. Cables: Los conductores son materiales que permiten que la electricidad

fluya a través de ellos fácilmente. El cable en los circuitos por lo general se

compone de una sola y sólida hebra de metal. Los cables de los circuitos

también pueden estar hechos de un número de filamentos que se trenzan

juntos. El cable usualmente está envuelto en aislamiento. El aislamiento

puede ser de plástico, esmalte o de caucho. Su propósito es ayudar a

proteger al usuario contra descargas eléctricas o lesiones, para protegerse

contra el fuego, y para proteger la placa y los componentes del circuito.

4. Solenoide: denomina solenoide a la bobina que, por su diseño, genera

un campo magnético de gran intensidad. Esta bobina, de forma cilíndrica,

cuenta con un hilo conductor que está enrollado de forma tal que la

corriente provoca la formación de un campo magnético intenso.

A través del hilo conductor del solenoide circula la corriente y se genera el

campo: mientras más extensa sea la bobina, más uniforme resulta el campo

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en su interior. De acuerdo al núcleo, el solenoide puede actuar

como electroimán.

5. Brújula: La brújula es un instrumento de orientación que utiliza

una aguja imantada para señalar el norte magnético terrestre. Su

funcionamiento se basa en el magnetismo terrestre, por lo que señala el

norte magnético en vez del norte geográfico y es inútil en las zonas polares

norte y sur debido a la convergencia de las líneas de fuerza del campo

magnético terrestre.

6. Galvanómetro: Un galvanómetro es una herramienta que se usa para

detectar y medir la corriente eléctrica. Se trata de un transductor analógico

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electromecánico que produce una deformación de rotación en una aguja o

puntero en respuesta a la corriente eléctrica que fluye a través de su bobina.

Incertidumbre: 0,5 mA

7. Imán: Un imán es un cuerpo o dispositivo con un magnetismo significativo,

de forma que atrae a otros imanes y/o metales ferromagnéticos (por

ejemplo, hierro, cobalto, níquel y aleaciones de estos). Puede ser natural o

artificial.

Los imanes naturales mantienen su campo magnético continuo, a menos que

sufran un golpe de gran magnitud o se les aplique cargas magnéticas

opuestas o altas temperaturas (por encima de la Temperatura de Curie).

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III. MARCO TEÓRICO:

INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos

magnéticos variables con el tiempo. El descubrimiento por Faraday y Henry de este

fenómeno introdujo una cierta simetría en el mundo del electromagnetismo. James Clerk

Maxwell consiguió reunir en una sola teoría los conocimientos básicos sobre la

electricidad y el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser

observadas experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Heinrich

Rudolf Hertz comprobó su existencia e inició para la humanidad la era de las

telecomunicaciones.

El descubrimiento, debido a Hans Christian Oersted, de que una corriente eléctrica

produce un campo magnético estimuló la imaginación de los físicos de la época y

multiplicó el número de experimentos en busca de relaciones nuevas entre la

electricidad y el magnetismo. En ese ambiente científico pronto surgiría la idea inversa de

producir corrientes eléctricas mediante campos magnéticos. Algunos físicos famosos y

otros menos conocidos estuvieron cerca de demostrar experimentalmente que también

la naturaleza apostaba por tan atractiva idea. Pero fue Faraday el primero en precisar en

qué condiciones podía ser observado semejante fenómeno. A las corrientes eléctricas

producidas mediante campos magnéticos Michael Faraday las llamó corrientes inducidas.

Desde entonces al fenómeno consistente en generar campos eléctricos a partir de

campos magnéticos variables se denomina inducción electromagnética.

¿Qué es campo magnético?

Se puede definir el campo magnético como la región del espacio donde se

manifiestan acciones sobre las agujas magnéticas. Una carga en movimiento crea

en el espacio que lo rodea, un campo magnético que actuara sobre otra carga

también móvil, y ejercerá sobre esta última una fuerza magnética.

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La inducción electromagnética es la producción

de corrientes eléctricas por campos

magnéticos variables con el tiempo. El

descubrimiento por Faraday y Henry de este

fenómeno introdujo una cierta simetría en el

mundo del electromagnetismo. Maxwell

consiguió reunir en una sola teoría los

conocimientos básicos sobre la electricidad y

el magnetismo. Su teoría electromagnética predijo, antes de ser observadas

experimentalmente, la existencia de ondas electromagnéticas. Hertz comprobó

su existencia e inició para la humanidad la era de las telecomunicaciones.

Flujo Magnético

Las corrientes eléctricas producen efectos magnéticos. Una corriente

eléctrica produce un campo magnético. Una pregunta que surge en forma

natural es si es posible que algún fenómeno magnético produzca también un

fenómeno eléctrico. Faraday (1831) descubrió que los efectos buscados

aparecen como consecuencia de la variación temporal de los campos

magnéticos.

Antes de discutir los resultados de Faraday, definamos el concepto de flujo

magnético.

Es el flujo magnético que atraviesa una superficie S. El flujo magnético tiene

varias propiedades interesantes. El flujo a través de una superficie cerrada

cualquiera es siempre cero.

Debido a lo anterior, el flujo a través de una superficie S abierta no depende de

su forma, sino sólo de la curva que lo limita. El hecho anterior puede hacerse

explícito.

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Experimento de Faraday

En el experimento de Faraday, al cerrar el interruptor en el circuito 'primario', se

produce una corriente en el secundario. Al cabo de un tiempo, la corriente cesa.

Si entonces se abre el interruptor, vuelve a aparecer corriente en el secundario,

la cual nuevamente cesa al cabo de un tiempo breve. Es importante recalcar que

los circuitos primario y secundario se hallan físicamente separados (no hay

contacto eléctrico entre ellos).

Los resultados del experimento de Faraday (y muchos otros) se pueden entender

en términos de una nueva ley experimental, que se conoce como la ley de

Faraday-Lenz:

La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito, induce en

éste una 'fem'.

Ley de Lenz

El sentido de la 'fem' inducida es tal que siempre tiende a oponerse a la variación

del flujo magnético (lo cual explica el signo (-)).

La variación temporal del flujo magnético enlazado por un circuito puede

deberse a varias causas, entre las cuales se puede mencionar:

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Variación temporal del campo magnético. El circuito se mueve, El circuito se

deforma.

Por supuesto, una combinación de las causas anteriores también producirá

variación del flujo. Observemos también que la Ley de Faraday es una ley

experimental, que no puede deducirse,-en su forma general, de ningún otro

hecho previamente conocido.

Recordemos ahora que la 'fem' de un circuito C se define como, en que

este campo eléctrico, no es un campo electrostático.

Aplicaciones de electromagnetismo:

Trenes de levitación magnética

Estos trenes no se mueven en contacto con los

rieles, sino que van "flotando" a unos

centímetros sobre ellos debido a una fuerza de

repulsión electromagnética. Esta fuerza es

producida por la corriente eléctrica que circula

por unos electroimanes ubicados en la vía de un

tren, y es capaz de soportar el peso del tren completo y elevarlo.

Timbres

Al pulsar el interruptor de un timbre, una

corriente eléctrica circula por un electroimán

creado por un campo magnético que atrae a

un pequeño martillo golpea una campanilla

interrumpiendo el circuito, lo que hace que el

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campo magnético desaparezca y la barra vuelva a su posición. Este proceso se

repite rápidamente y se produce el sonido característico del timbre.

Motor eléctrico

Un motor eléctrico sirve para

transformar electricidad en

movimiento. Consta de dos partes

básicas: un rotor y un estator. El

rotor es la parte móvil y está

formado por varias bobinas. El

estator es un imán fijo entre cuyos

polos se ubica la bobina. Su

funcionamiento se basa en que al

pasar la corriente por las bobinas,

ubicadas entre los polos del imán, se produce un movimiento de giro que se

mantiene constante, mediante un conmutador, generándose una corriente

alterna.

Transformador

Es un dispositivo que permite aumentar o disminuir el voltaje de una corriente

alterna. Está formado por dos bobinas enrolladas en torno a un núcleo o marco

de hierro. Por la bobina llamada primario circula la corriente cuyo voltaje se

desea transformar, produciendo un campo magnético variable en el núcleo del

hierro. Esto induce una corriente alterna en la otra bobina, llamada secundario,

desde donde la corriente sale transformada.

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Si el número de espiras del primario es menor que el del secundario, el voltaje de

la corriente aumenta, mientras que, si es superior, el voltaje disminuye.

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IV. PROCEDIMIENTO:

1. Conectamos el solenoide según el esquema de la Fig. 01. Anotamos la dirección

en la que se encuentra enrollado el solenoide. Cerramos el circuito y

procedemos a introducir el imán de diferentes maneras observando y anotando

los efectos en las diferentes formas. De la misma forma sacando el imán del

solenoide. Anotamos lo observado en el galvanómetro en cada caso.

Determinamos la dirección de la corriente inducida para ambos caso.

La dirección con que se encuentra enrollado el solenoide es:

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Los resultados obtenidos:

Extremo donde se empieza a enrollar Extremo donde se termina de enrollar

Rojo Rojo

Introducir: El G indica I (-) Introducir: El G indica I (+)

Sacar: El G indica I (+) Sacar: El G indica I (-)

Azul Azul

Introducir: El G indica I (+) Introducir: El G indica I (-)

Sacar: El G indica I (-) Sacar: El G indica I (+)

2. Conectamos el solenoide según el esquema de la fig. 02. Cerramos el circuito y

anotamos lo observado en la brújula. Y determinamos la polaridad del solenoide

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Experimentamos también la polaridad del solenoide al poner la brújula en

diferentes medios como debajo del solenoide entre madera, plástico, entre otros

para así probar los aislantes electromagnéticos.

3. Utilice los circuitos de las figuras 1 y 2 para armar el circuito de la figura 03.

Cerramos y abrimos el circuito 1. Anote lo observado en el galvanómetro.

Determinamos las corrientes en el solenoide primario del circuito 1 y el

solenoide secundario del circuito 2.

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V. CONCLUSIONES:

A partir de las experiencias realizadas podemos encontrar la dirección de la corriente magnética que siempre va del polo positivo al negativo.

También comprobamos que la velocidad y la intensidad de corriente están relacionadas a mayor velocidad mayor campo magnético.

La parte Norte del solenoide corresponde a aquella por donde emergen las líneas de campo magnético, y la parte Sur, por donde penetran.

Acercando un imán a un solenoide puede comprobarse que se comporta como un imán por consiguiente, la cara Norte del solenoide es repelida por el polo Norte del imán y atraída por el polo Sur.

Si se trata de dos solenoides, las partes Norte se repelen, en cambio una cara Norte atrae a una cara Sur. Esto se verifica usando una brújula.

Se comprobó también que el imán tiene un mayor campo magnético que el solenoide

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VI. RECOMENDACIONES

En este experimento se la mayor parte fue observar y experimentar

empíricamente para poder entender el comportamiento. A continuación las

recomendaciones más resaltantes:

Se recomienda seguir las instrucciones del profesor para así

poder realizar un procedimiento más eficaz.

Otra recomendación muy importante es hacer el

procedimiento de manera meticulosa para así observar los

diferentes resultados.

Es indispensable en esta práctica de laboratorio utilizar de

manera adecuada los instrumentos ya que podríamos

deteriorarlos o malograrlos.

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VII. CUESTIONARIO 1. Explica con tus propias palabras lo observad en los tres pasos del proceso.

Proceso 1: Aquí observamos que al introducir y sacar el imán a través de la bobina , es

campo magnético del imán inducia una corriente, y que esta cambia de dirección si se

introducía o se sacaba el imán esto se explica por la Ley de Lenz , que plantea que :” La

polaridad de una tensión inducida es tal, que tiende a producir una corriente, cuyo

campo magnético se opone siempre a las variaciones del campo existente producido por

la corriente original” es por esto que el galvanómetro marcaba una corriente positiva y

otra negativa al saca y poner el imán respectivamente, porque la dirección de la

corriente varía de acuerdo a la variación del campo magnético del imán, , el campo

magnético inducido por la corriente de la bobina se opondrá al campo magnético del

imán. También se observó que cuando el imán no se movía, no inducia corriente en la

bobina, comprobando así que es necesario una variación en el campo magnético para

que se genere corriente.

Proceso 2: Aquí observo que la corriente que genera el voltaje de la fuente induce un

campo magnético en la bobina y por la tano también una polaridad, esto lo

comprobamos al poner la brújula en ambos extremos, comprobando que la bobina tenía

un polo positivo y otro negativo.

Proceso 3. En este procedimiento la corriente producida por la fuente de voltaje que

estaba conectada al primer solenoide produce un campo magnético, el cual produce

una corriente inducida al segundo solenoide, cuyo valor observamos en el galvanómetro

pero solo por un breve instante, podemos decir que el solenoide se comporta como si

estuviera conectado a una fuente de voltaje durante un lapso de tiempo breve. La

corriente inducida en este caso fue muy baja debido a la poca intensidad del campo

magnético del solenoide.

2. ¿Qué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de una

bobina que lleva una corriente?

Una bobina o solenoide que está conectada a una fuente que genera una diferencia de

potencial, va a conducir una corriente eléctrica. Esta corriente eléctrica que viene a ser

el desplazamiento de carga por un tiempo determinado va a generar a la vez un campo

magnético el cual se representa por líneas que se visualizan de acuerdo a “la regla de la

mano derecha”. Si introducimos una varilla de metal (material ferromagnético) en el

interior de una bobina, vamos a reorganizar los electrones de este material haciendo

que adopte el comportamiento de un imán, por lo que se

incrementa el campo magnético ya producido por la

bobina y aumentando las líneas de fuerza de la corriente.

Los solenoides que suelen llevar un material

paramagnético o ferromagnético en su interior se llaman

electroimanes y son muy importantes pues pueden tener

un campo magnético muy intenso con una relativamente

poca cantidad de corriente.

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3. Indique el sentido de la corriente y la polaridad en el solenoide cuando el imán se

aleja y cuando se acerca.

4. ¿Qué dificultades han encontrado durante el proceso?

El no estar seguro en un comienzo sobre la dirección del campo magnético dentro del

solenoide y cómo esto influía en la lectura del galvanómetro. También la confusión

sobre los polos magnéticos a los cuales apuntaba la brújula y la relación de la corriente

inducida en el uso de un trasformador.

En el proceso 3, último experimento, al juntar ambos solenoides, la corriente inducida

fue muy baja y era casi imperceptible el movimiento de la aguja en el galvanómetro,

debido a esto al comienzo pensamos que no había corriente; esto puede deberse a la

sensibilidad del galvanómetro usado.

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5. Dibujar las líneas de campo generado en el solenoide

Cuando se acerca el imán

Cuando se aleja el imán

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6. ¿Qué aplicaciones tiene la ley de Faraday?

Generador: Al principio de este artículo

se describe un generador de corriente

continua elemental, consistente en una

espira que penetra en un campo

magnético. Este generador carece de

utilidad práctica. Mucho más

importante es el alternador presente en

la mayoría de las centrales eléctricas. En

un alternador una turbina (movida por

agua o vapor, por ejemplo) hace girar

un imán (el rotor) estando rodeado por

una serie de bobinas (el estator) en las que se induce una corriente eléctrica. Como el

campo magnético se encuentra en rotación con velocidad angular ω el resultado es una

corriente alterna de frecuencia angular ω. Cuando se usan 3 o 6 bobinas el resultado son

tres corrientes alternas desfasadas un tercio de periodo, que es lo que se conoce como

corriente alterna trifásica.

Motor eléctrico: Relacionado con el generador está

el motor eléctrico, en el cual lo que se hace es girar

un electroimán (el rotor) en el interior del campo

magnético creado por otros electroimanes (el

estator). Haciendo que por el rotor circule una

corriente alterna se puede conseguir una rotación

continuada.

Freno magnético: Otra aplicación directa de la ley de Faraday es su uso en frenos

magnéticos. Estos no se basan, como podría

pensarse, en la atracción magnética sobre una

pieza de hierro o acero; pero no es así, consiste en

un electroimán que rodea a un disco metálico,

unido rígidamente a la rueda que se desea frenar.

Cuando se aprieta el padel, se hace circular

corriente por el electroimán, creando un campo

magnético sobre el disco. Por la ley de Faraday se

inducen corrientes en el material conductor. Estas

corrientes en el interior del material se denominan corrientes de Foucault (eddy

currents en inglés). Al existir corrientes se disipa energía por efecto Joule. Esta energía

procede de la energía cinética de la rueda, que por tanto se ve frenada.

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Cocinas de inducción: El mismo principio de los

frenos magnéticos se plica si lo que queremos es

producir calor. Una cocina de inducción consiste en

un imán en espiral situado debajo de la placa

vitrocerámica, que produce un campo magnético

alterno (que varía como el coseno de ωt). Al colocar

sobre la cocina un recipiente metálico se inducen

corrientes de Foucault en el propio recipiente y en

el agua y alimentos que contiene. El calor liberado

por estas corrientes es el que se emplea para

cocinar los alimentos

7. Explicar cómo funciona un transformador

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 razón de la transformación (m) 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 primario, en el secundario habrá el

triple de tensión.

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Dónde:

(Vp) es la tensión en el devanado

primario o tensión de entrada,

(Vs) es la tensión en el devanado

secundario o tensión de salida,

(Ip) es la corriente en el

devanado primario o corriente

de entrada

(Is) es la corriente en el

devanado secundario o corriente

de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder

efectuar el transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen

las pérdidas por el efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el

del primario, al aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se

obtienen 23.000 voltios en el secundario (una relación 100 veces superior, como

lo es la relación de espiras). A la relación entre el número de vueltas o espiras del

primario y las del secundario se le llama relación de vueltas del transformador o

relación de transformación.

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VII. BIBLIOGRAFÍA

José Ramón Menéndez García. Conceptos de Electromagnetismo. 1era

Edición. EDITORIAL UNIVERSIDAD DE OVIEDO. Pág. 151 – 153.

Marcelo Rodríguez Danta. Campos electromagnéticos. 2da Edición. 1999.

EDITORIAL UNIVERSIDAD DE SEVILLA. Pág. 437 – 452.

Julián Fernández Ferrer. Iniciación a la física. 1 era Edición. 1992.

EDITORIAL REVERTÉ. Pág. 162 – 182.

Hugh D. Young. Física universitaria. 12va Edición. 2009. EDITORIAL

PEARSON EDUCATION. Pág. 1105 – 1134.