Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Inductancia y Transformador


La inductancia y los transformadores son conceptos fundamentales en el estudio del magnetismo y el electromagnetismo. Forman la columna vertebral de muchos dispositivos y sistemas electrónicos, incluyendo redes eléctricas, motores, inductores y más. En esta lección, exploraremos estos conceptos en detalle utilizando un lenguaje simple, muchos ejemplos e ilustraciones visuales.

Entendiendo la inducción

La inductancia es una propiedad de un conductor eléctrico que describe la fuerza con la que el conductor se opone a un cambio en la corriente. Un inductor es un dispositivo, generalmente hecho de una bobina de alambre, que hace uso de esta propiedad.

La idea principal detrás de la inducción es la ley de la inducción de Faraday, que establece que un cambio en el flujo magnético a través de un circuito induce una fuerza electromotriz (FEM) en el circuito. Matemáticamente, se expresa como:

FEM = -dΦ/dt

Donde:

  • FEM es la fuerza electromotriz en voltios.
  • Φ es el flujo magnético en webers (Wb).
  • t es el tiempo en segundos.

Autoexcitación

Cuando la corriente fluye a través de una bobina, crea un campo magnético a su alrededor. Si la corriente cambia, el campo magnético también cambia, lo que induce una FEM dentro de la misma bobina. Este fenómeno se conoce como autoinducción.

La FEM autoinducida se da por:

FEM = -L (di/dt)

Donde:

  • L es la inductancia de la bobina en henrios (H).
  • di/dt es la tasa de cambio de corriente en amperios por segundo (A/s).

Ejemplo de automotivación

Consideremos una simple bobina con una inductancia de 2 henrios. Si la corriente que fluye a través de la bobina cambia a una tasa de 3 amperios por segundo, la FEM inducida en la bobina se puede calcular como:

FEM = - 2 * 3 = -6 V

Esto significa que una FEM de 6 voltios es inducida en la dirección opuesta al cambio en la corriente.

Inducción mutua

La inducción mutua ocurre cuando un cambio en la corriente en una bobina induce una FEM en otra bobina cercana. Este principio es la base de los transformadores, donde la energía se transfiere entre dos o más bobinas.

La inductancia mutua entre dos bobinas se puede expresar como:

FEM = -M (di/dt)

Donde:

  • M es la inductancia mutua entre las bobinas, medida en henrios (H).
  • di/dt es la tasa de cambio de corriente en la primera bobina.
Bobina 1 Bobina 2

En la ilustración anterior, la bobina 1 lleva una corriente variable que induce una FEM en la bobina 2 debido a su inductancia mutua.

Ejemplo de inducción mutua

Supongamos que la inductancia mutua de las dos bobinas es de 0.5 henrios, y la corriente en la primera bobina cambia a una tasa de 4 amperios por segundo. La FEM inducida en la segunda bobina será:

FEM = - 0.5 * 4 = -2 V

Esto significa que se produce una FEM inducida de 2 voltios en la bobina 2.

Transformadores

Un transformador es un dispositivo que utiliza los principios de la inducción mutua para transferir energía entre dos circuitos. Un transformador típico tiene dos bobinas: bobinas primaria y secundaria, que están enrolladas alrededor de un núcleo magnético.

Principio de funcionamiento del transformador

Cuando la corriente alterna (CA) fluye a través de la bobina primaria, crea un campo magnético cambiante. Este campo magnético cambiante luego induce una fuerza electromotriz en la bobina secundaria de acuerdo con la ley de Faraday.

Bobina primaria Bobina secundaria

La figura muestra un transformador simple con una bobina primaria y una secundaria. La línea naranja muestra el camino del campo magnético.

Ecuaciones del transformador

El rendimiento de un transformador se describe por la relación entre la relación de vueltas de las bobinas primaria y secundaria y el voltaje a través de ellas. La ecuación básica es:

Vp/Vs = Np/Ns

Donde:

  • Vp es el voltaje en la bobina primaria.
  • Vs es el voltaje en la bobina secundaria.
  • Np es el número de vueltas en la bobina primaria.
  • Ns es el número de vueltas en la bobina secundaria.

El poder en el transformador (despreciando las pérdidas) se da por:

Vp * Ip = Vs * Is

Donde:

  • Ip es la corriente que fluye en la bobina primaria.
  • Hay is corriente en la bobina secundaria.

Transformadores elevadores y reductores

Los transformadores pueden clasificarse en elevadores y reductores dependiendo de su relación de vueltas.

  • Transformador elevador: Aumenta el voltaje de la primaria a la secundaria. Tiene menos vueltas en la bobina primaria y más en la secundaria (Np < Ns).
  • Transformador reductor: Reduce el voltaje de la primaria a la secundaria. Tiene más vueltas en la bobina primaria y menos en la secundaria (Np > Ns).

Ejemplo de cálculo de transformador

Consideremos un transformador con una bobina primaria de 100 vueltas y una bobina secundaria de 200 vueltas. Si el voltaje primario es de 120 voltios, ¿cuál es el voltaje secundario?

Vp/Vs = Np/Ns
120/Vs = 100/200
Vs = 240 voltios

Este simple cálculo muestra que el transformador aumenta el voltaje de 120 voltios a 240 voltios.

Aplicaciones de la inductancia y el transformador

La inductancia y los transformadores son importantes en la tecnología moderna. Algunas aplicaciones incluyen:

  • Transmisión eléctrica: Los transformadores se utilizan para elevar y reducir voltaje en redes eléctricas, de modo que la energía eléctrica pueda transmitirse eficientemente a largas distancias.
  • Dispositivos electrónicos: Los inductores se usan en circuitos de sintonización para seleccionar frecuencias deseadas, para suavizar corrientes en fuentes de alimentación y en filtros para bloquear señales indeseadas.
  • Motores y generadores: Los motores de inducción usan la inducción para convertir energía eléctrica en energía mecánica.

Conclusión

La inducción y los transformadores desempeñan papeles importantes en el campo del electromagnetismo, permitiendo el control y la manipulación de corrientes eléctricas y campos magnéticos. Comprender estos conceptos enriquece nuestro conocimiento de la física y proporciona herramientas prácticas para una variedad de aplicaciones tecnológicas.


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