2. Generación de corrientes alternas

Un generador eléctrico es un dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores más utilizados son los que producen corriente alterna.


Animación 5. Arthur Kronenberger. Creative commons.

El generador de corriente alterna más sencillo es el formado por una espira que gira en un campo magnético uniforme. Al girar la espira se produce una variación del flujo a través de la superficie limitada por la espira, debida a las distintas orientaciones de ésta.

Supón que la espira gira con una velocidad angular constante ω. El ángulo girado por la espira = ω t. El flujo magnético es:

= B S cos = B S cos ω t

Si aplicas la ley de Faraday, la fuerza electromotriz inducida en la espira vale:

En esta expresión la fem es una función sinusoidal, por lo que la polaridad varía cada semiperíodo. Si la espira gira continuamente, la corriente inducida cambia su sentido de forma alternada y es por lo que se denomina corriente alterna. Observa en la animación, como al girar, los electrones (puntos azules) se mueven en la espira cambiando de sentido cada media vuelta.

La expresión se denomina fem máxima y se obtiene cuando el es 1:

Imagen 21. Elaboración propia.

Si en vez de hacer girar una espira hubieras hecho girar una bobina, formada por N espiras, la fuerza electromotriz inducida vendría dada por:

Y la fem máxima:

El dispositivo anterior es un alternador, es decir, un dispositivo que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica.

El imán que genera el campo magnético se denomina inductor y la bobina en la que se induce la fuerza electromotriz recibe el nombre de inducido. Los dos extremos de hilo conductor del inducido se conectan a unos anillos colectores que giran junto con la bobina. Las escobillas, en contacto permanente con los anillos colectores, transmiten la fem a los bornes del generador.

En los alternadores prácticos, el inducido está fijo y es el inductor el que se mueve, de este modo no son necesarios los anillos colectores ni las escobillas.

Animación 6. Bo Krantz Simonsen.
Dominio público.


Icono de iDevice Ejemplo o ejercicio resuelto
Una bobina formada por 30 espiras, cada una de ellas de 10 cm2 de superficie, gira con una velocidad de 360 rpm, en un campo magnético uniforme de inducción B = 0,1 T. Inicialmente el vector B tiene la dirección del eje de la bobina. Calcula el flujo máximo que atraviesa la bobina.

¿Cuál es la fem inducida en la bobina?

Animación 7. Arthur Kronenberger. Creative commons.

Basado en el mismo principio de funcionamiento se construyen las dinamos, generadores de corriente continua.

 

Imagen 22. Elaboración propia.

En realidad la corriente no es continua sino que circula por la bobina en el mismo sentido, aunque no mantiene un mismo valor. Para conseguirlo se sustituyen los anillos colectores del alternador por un aro partido en dos mitades, como se ve en la animación. De esta forma cambia la polaridad del generador cada media vuelta y la corriente circula en el mismo sentido.

 

Observa como los electrones circulan siempre en el mismo sentido por la bombilla y ésta se ilumina con intensidad variable.

 

La dinamo es una máquina reversible que puede funcionar como motor si le aplicas una corriente continua de intensidad adecuada. Funcionando como dinamo, la máquina transforma energía mecánica en energía eléctrica; funcionando como motor transforma energía eléctrica en energía mecánica.


Vídeo 3. xavierrosell. Uso educativo.

En el vídeo puedes ver cómo funciona un generador eléctrico y un motor.

Icono de iDevice AV - Reflexión

Una bobina de 2000 espiras de 10 cm2 de superficie, gira con una frecuencia de 50 Hz en un campo magnético uniforme de 0,02 T. ¿Cuál es la fem inducida en la bobina?