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Generadores de corriente alterna
Generadores de corriente directa
Motores eléctricos

Generadores y motores eléctricos

La producción de electricidad en la vida moderna está basada en su gran mayoría en la ley de inducción de Faraday. La conversión de energía mecánica a energía eléctrica en forma de corriente se realiza casi en su totalidad con el uso de generadores de corriente alterna, cuyo principio de funcionamiento describiremos a continuación.

Generadores de corriente alterna

generador de alterna
Figura 1. Generador de corriente alterna.

figura 2
Figura 2. Lazo de alambre rotando.


Imagine una espira de alambre conductor que forma un bucle de área A (figura 1). La espira está colocada entre los polos de un imán, es decir, en un campo magnético constante, B, y rota sobre un eje perpendicular a las lineas del campo a la velocidad angular ω. Los extremos del alambre que conforman la espira están conectados a dos anillos conductores de deslizamiento, denominados colectores, en contacto con sendas escobillas de rozamiento estacionarias, también conductoras. Las escobillas a su vez se conectan a un circuito externo formado por una lámpara incandescente. A medida que el bucle gira, el flujo magnético que lo afecta cambia, ya que cambia el área efectiva del bucle atravesada por el campo magnético, y con ello se induce una fem* que llamaremos ξ. La fem inducida da lugar a una corriente eléctrica en el circuito externo que ilumina la lámpara.

*Desde que Alessandro Volta, inventor de la primera pila en 1800, introdujo el término fuerza electromotriz (fem), se ha convertido en tradición el uso de tal frase para referirse a la fuente de energía eléctrica que causa que las cargas se muevan en los circuitos eléctricos, y aunque la palabra fuerza está fuera de contexto, se sigue utilizando con frecuencia hoy en día.

Note que cuando el bucle de alambre está en posición horizontal como se muestra en la figura 1 no hay lineas de campo cruzando el área A del bucle, sin embargo, cuando gira 90º se coloca en posición vertical y todo el flujo magnético pasa por su interior. Evidentemente el área efectiva que enfrenta las lineas de campo va creciendo gradualmente entre ambas posiciones extremas.

Para determinar la expresión de cálculo de la fem inducida en la espira que rota, nos basaremos en la expresión de la fem inducida en un conductor en movimiento, ξ = Blv, descrita en el artículo, La ley de inducción de Faraday. En el esquema de la izquierda de la figura 2 se muestra el lazo de alambre rotando en la dirección de las manecillas del reloj en un campo magnético constante dirigido a la derecha. La fuerza magnética que afecta los portadores de carga (F = qvB) en los lados del bucle ab y cd no está dirigida paralela a el eje del alambre, si no perpendicular a este lo que implica que en estos lados no hay fuerza neta que tienda a hacer circular la corriente por el bucle, esto es, no se produce fem.

Una situación diferente se produce en los lados bc y ad en los que la fuerza magnética sobre los portadores de carga si tiene un valor neto en la dirección paralela a los alambres y por ello se induce una fem que es la que, a resumidas cuentas, hace circular la corriente en el circuito externo. En todo instante de tiempo, t, el lado bc tiene una velocidad, v, y forma un ángulo θ con las lineas del campo magnético como se muestra en el esquema de la derecha de la figura 2. Debemos tener en cuenta ahora que la componente de v paralela a las lineas de campo no produce efecto alguno sobre las cargas del alambre, mientras que la componente de la velocidad perpendicular a las lineas de campo magnético produce una fuerza magnética que mueve los electrones de c hacia b. De esta forma, la fem inducida en el lado bc es igual a Blv,  donde l es la longitud del lado y ves la componente de v perpendicular a las lineas de campo.

Igualmente una fem de la misma magnitud se induce en el lado da y como v = v sen θ, la fem total inducida será:

ξ = 2Blv = 2Blv sen θ     (ecuación 1)

Cuando el bucle gira a una velocidad angular ω constante se tiene que:

 θ = ωt       (ecuación 2)

Además, como todos los puntos en los lados, bc, y, da, giran en trayectorias circulares de radio r alrededor del eje central; para el mismo caso de velocidad angular constante tenemos que la velocidad lineal es:

v = = (l'/2)/ω        (ecuación 3)

donde l' es la longitud de los lados  ab, y, cd.

Sustituyendo en la ecuación 1 los valores de las ecuaciones 2 y 3 se llega a que la fem inducida responde a la expresión:

ξ = 2Bl(l'/2)ω sen ωt = Bll'ω sen ωt       (ecuación 4)

Como el producto l x l' es igual al área, A, del bucle; y si el bucle tiene una cantidad N de espiras, finalmente se tendrá que:

ξ = NBAω sen ωt     (ecuación 5)

La ecuación 5 deja claro dos cosas: 
  1. que la fem inducida tiene un comportamiento sinusoidal con el tiempo como se indica en el gráfico inferior de la figura 1.

  2. que el valor máximo de la fem (ξmax) se produce cuando el plano del bucle es paralelo a las lineas de campo (θ =90º) ya que aquí sen θ alcanza su máximo valor (1), y equivale a:
ξmax = NBAω       (ecuación 6)

Hasta quí hemos descrito solo el principio físico de operación de los generadores de corriente alterna, pero en los potentes generadores de la industria eléctrica que operan a grandes potencias se requiere de mucho más que eso, estas máquinas son obras de ingeniería monumentales.

Generadores de corriente directa

figura 3
Figura 3. Esquema del generador de corriente directa.

Uno de estos aparatos se muestra esquemáticamente en la figura 3. Como podrá apreciar la construcción del generador de corriente directa es esencialmente igual al de alterna, con la diferencia de que la conexión del  lazo que rota se hace a través de un anillo dividido en secciones, llamado conmutador.

La fem de estas máquinas siempre tiene la misma polaridad como se muestra en el gráfico inferior de la figura 3, en el que podrá observarse que la magnitud de la fem es pulsante. La particularidad del anillo colector de la corriente de estar dividido, hace que durante el giro las diferentes secciones del anillo colector cambien de escobilla contactada cada media vuelta del lazo de manera sincronizada con el cambio de polaridad de la fem inducida (por eso lo de conmutador). De esta forma el contacto de cada una de las escobillas siempre se hará con una sección del conmutador que tiene la misma polaridad de la fem.

Motores eléctricos

Un motor eléctrico es, en principio, un generador funcionando a la inversa; en lugar de suministrar energía mecánica al eje de entrada para producir energía eléctrica, se suministra energía eléctrica al aparato y se obtiene energía mecánica de salida en el eje del motor. Si en el generador de la figura 3 cambiamos la lámpara por una pila, se producen fuerzas magnéticas sobre los lados horizontales del lazo que dan lugar a un momento de fuerza que lo hace girar. El conmutador invierte la corriente cada media vuelta garantizando con ello que el momento de fuerza sea siempre en la misma dirección. Este momento generado convierte el antiguo generador en una máquina que puede realizar trabajo útil, es decir un motor. Si alimentamos un motor con corriente alterna, podemos prescindir del conmutador ya que la corriente invierte la dirección automáticamente cada media vuelta. La velocidad de rotación de este último tipo de motor está sincronizada con la frecuencia de cambio de la corriente alterna.

Lo que hemos tratado hasta aquí sobre motores y generadores ha sido muy simplificado, pero una discusión detallada de estas máquinas eléctricas se va en mucho del alcance del artículo.



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