Un generador eléctrico
convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Hemos visto que se induce
una fem en un conductor cuando este experimenta un cambio en el acoplamiento
inductivo. Cuando el conductor forma un circuito cerrado, se puede detectar en
el una corriente inducida. En un generador, una bobina de alambre se hace girar
dentro de un campo magnético, y la corriente inducida se transmite mediante
alambres a grandes distancias del lugar donde se origino.
La figura 31.6 muestra la
construcción de un generador simple. Básicamente esta formado por tres
componentes: un iman inductor, una armadura y anillos colectores con
escobillas. El inductor puede ser un iman permanente o un electroimán. La
armadura del generador de la figura 31.6 consta de una sola espira de alambre
suspendido entre los polos del iman introductor. Un par de anillos colectores
se conectan a los dos extremos de la espira; por tanto, dichos anillos giran
junto con la espira cuando esta gira en el campo magnético. L a corriente
inducida se extrae del sistema mediante escobillas de grafico que se montan
sobre cada uno de los anillos. La energía mecánica se suministra al generador
al girar la armadura en el campo magnético. La energía eléctrica se genera en
forma de una corriente inducida.
Para comprender como
funciona un generador de CA, es necesario seguir el movimiento de la espira
durante una rotación completa, observando la corriente que se genera en el
curso de dicha rotación. La figura 31.7 se muestra cuatro posiciones de la
bobina al girar y la dirección de la cual la corriente que se suministra a las escobillas
en cada caso. Suponga que la espira se mueve en forma mecánica en un
contrasentido a las manecillas del reloj. En la figura 31.7ª a la espira esta
en posición horizontal, con el lado M de cara al polo sur (S) del iman.
En este
punto se suministra una corriente máxima en la dirección indicada. En la figura
31.7b, la espira esta en posición esta en posición vertical, con el lado M
hacia arriba. En este punto una corriente máxima se libera en la dirección que
se señala. En la figura 31.7b la espira es vertical, con el lado M apuntando
hacia arriba. Al llegar a este punto no hay lineas de flujo que cortar, y la
corriente inducida desciende hasta cero. Cuando la espira vuelve a la posición
horizontal , como aparece en la figura 31.7c, el lado M ve al norte (N) del
iman. Por coniguiente, la corriente entregada al anillo colector R ha cambiado
de dirección. Una corriente inducida fluye a traves del resistor externo en
dirección opuesta a la que experimento con anterioridad. En la figura 31.7d la
espira queda de nuevo en posición vertical, pero ahora con el lado M hacia
abajo. No se cortan lineas de flujo, y la corriente inducida de nuevo es cero.
Luego, la espira vuelve a su posición horizontal como en la figura 31.7ª y el
ciclo se repite. Por tanto, la corriente suministrada por un generador de este
tipo alterna periódicamente, cambiando de dirección dos veces por cada
rotación.
La fem generada en cada
segmento de la espira giratoria debe obedecer la relacion expresada en la
ecuación 31.6:
Z = BLv sen 0
Donde la v
es la velocidad de un segmento de alambre de longitud L en movimiento en un
campo magnetico de densidad de flujo B. La dirección de la velocidad v respecto
al campo B en cada instante se indicamediante el angulo 0. Considérese el
segmento M de la espira giratoria cuando alcanza la posición que indica la
figura 31.6. Si la espira gira en un circulo de radio r, la velocidad
instantánea v se puede determinar partiendo de
V = wr
Donde w es
la velocidad angular en radiantes por segundo. Al sustituir en la ecuación 31.6
se obtiene la fem instantánea
Z = BLwr sen 0
Una fem identical
se induce en el segmento de alambre opuesto a M, y no se genera ninguna fem
neta en los otros segmentos. Esto significa que la fem instantánea total es
igual al doble del valor obtenido mediante la ecuación 31.7, por lo tanto,
Z isnt = 2BLwr sen 0
Pero el
area A de la espira es
A = L x 2r
Y la
ecuación 31.8 puede simplificarse aun mas:
Z inst = NBAw sen 0
Donde N es
el numero de espiras del alambre.
La ecuación 31.9
expresa un importante principio relacionado con el estudio de las corrientes
alternas:
Si la armadura gira
con velocidad angular constante en un campo magnetico constantes, la magnitud
de la fem inducida varia la forma sinusoidal respecto al tiempo.
Z inst = NBAw
Puesto a que sen 90`
= 1. Si se establece la ecuación 31.9 en terminos de la fem máxima, escribimos
Z inst= Z max sen 0
Para notar la
variacion explicita de la fem generada respecto al tiempo, debemos recordar que
0 = wt = 2Pift
donde f es el numero
de rotaciones por segundo que realiza la
espira. Es decir, podemos expresar la ecuación 31.11en la siguiente forma:
Z
inst = Zmax sen 2Pift
Puesto que la corriente inducida es
proporcional a la fem inducida, por la ley de ohm, la corriente inducida
tambien variara sinusoidalmente de acuerdo con
I inst = I max sen 2Pift
La corriente
maxima se presenta cuando la fem inducida es maxima. La variación sinusoidal es
similar a la representada en la figura 31.9.
La unidad para la frecuencia
en el SI es el hertz (Hz), que se define como un ciclo por segundo.
1 Hz =
1 ciclo/s = 1 s-1
por tanto, una corriente alterna de 60 ciclos
por Segundo tiene una frecuencia de 60 Hz.
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