Generadores Eléctricos

Diagrama de un generador eléctrico

Fig. 2: Diagrama que muestra cómo se utiliza un generador eléctrico para ayudar a convertir la energía eólica en energía eléctrica útil para la red nacional.

El diagrama anterior muestra cómo un generadoreléctrico puede ayudarnos a generar electricidad utilizando una turbina eólica. En primer lugar, el viento obliga a la turbina a girar. La caja de engranajes se utiliza para transformar la rotación lenta (pero de alto par) de la turbina, en la rotación rápida (pero de bajo par) necesaria para la bobina de alambre del generador. La turbina ha convertido la energía eólica en energía mecánica, y el generador ha convertido la energía mecánica en energía eléctrica para su uso en la red nacional.

¿Cómo funciona un generador eléctrico?

Es importante comprender cómo un hilo colocado dentro de un campo magnético induce una corriente a través de él para generar electricidad. Supongamos que tienes dos imanes colocados uno junto al otro con un campo magnético constante entre ellos, como se muestra en el diagrama siguiente. Un alambre doblado en forma de bobina se coloca entre el campo magnético. Inicialmente, el alambre está en reposo, por lo que no se induce nada en el alambre ni a su alrededor.

Fig. 3: Un hilo en reposo no produce corriente.

En cuanto movamos el alambre a través del campo magnético, se inducirá una diferencia de potencial entre los extremos del alambre. Esto se debe a que cuando el alambre se mueve a través del campo magnético, cambia el área del alambre expuesta al campo magnético.

Cuando cambia el área expuesta al flujo magnético, se induce una diferencia de potencial en el alambre. En cuanto el hilo deja de moverse a través del campo magnético, la diferencia de potencial también desaparece. Ten en cuenta que un hilo estacionario no puede generar una diferencia de potencial a través de sus extremos.

Fig. 4: Un alambre que se mueve a través de un campo magnético experimenta una diferencia de potencial porque cambia el área expuesta al campo magnético.

Otra cosa a tener en cuenta es que, si observas la figura anterior, la diferencia de potencial cambia de polaridad cada vez que se invierte la dirección del movimiento del hilo. Los signos positivo y negativo de los extremos del hilo cambian con el cambio de dirección del movimiento.

En el montaje anterior, sólo se inducirá la diferencia de potencial, ya que se trata de un trozo de alambre con dos extremos abiertos, por lo que no habrá flujo de electrones (corriente). Si en cambio sustituimos el trozo de alambre con los extremos abiertos por un alambre con sus extremos unidos, obtendríamos un bucle completo. Ahora, el movimiento de este alambre en el campo magnético también generará una corriente, ya que los electrones tienen un camino completo para fluir alrededor del alambre. El sentido de la corriente se invierte en función del sentido de movimiento del hilo.

Fig. 5. Una bobina de alambre que se mueve a través de un campo magnético experimenta una corriente porque su área expuesta al campo magnético cambia.

Hasta ahora hemos analizado el movimiento de un alambre que se mueve verticalmente dentro de un campo magnético. ¿Qué ocurre si mueves un alambre horizontalmente dentro de un campo magnético, como se muestra en el diagrama siguiente? ¿Se inducirá el campo magnético si el alambre se mueve hacia delante o hacia atrás dentro de un campo magnético?

Fig. 6. Cuando el área expuesta al campo magnético no cambia, no se inducirá ninguna corriente.

En el caso representado en el diagrama anterior, el hilo no inducirá ninguna corriente, ya que las ramas del hilo son paralelas al campo magnético. Cuando el hilo se mueve en paralelo al campo magnético, no cambia la zona que corta las líneas del campo magnético. La misma cantidad de alambre está cortando el campo magnético si el alambre se mueve hacia delante y hacia atrás en el campo magnético, por eso no hay cambio en el área y, por tanto, no hay diferencia de potencial inducida en el alambre.

Se puede experimentar el mismo efecto de corriente inducida si mueves los imanes verticalmente en lugar del alambre. Esto se debe a que el área del alambre por la que pasa el campo magnético sigue cambiando, que es el concepto central de la inducción electromagnética.

Fig. 7. Alternativamente, si el imán se mueve en lugar del alambre, se seguiría induciendo un campo magnético en el alambre.

Factores que afectan a la corriente inducida

Para alterar el tamaño de la diferencia de potencial inducido que, en última instancia, conduce a la generación de corriente, podemos hacer tres cosas:

• Cambiar la intensidad del campo magnético teniendo imanes más potentes puede hacer que el alambre corte más líneas de campo al desplazarse por él, por lo que aumentaría la diferencia de potencial inducida.

• Mover el alambre o el campo magnético más rápidamente también puede aumentar la diferencia de potencial inducida, porque el alambre tendría que atravesar más líneas de campo en un tiempo determinado.

• En lugar de un único hilo, podemos tener una bobina con varias vueltas, lo que generaría una diferencia de potencial más fuerte. Así, cuantas más vueltas tenga una bobina, mayor será la diferencia de potencial que inducirá.

Fig. 9. Una bobina con múltiples espiras se llama solenoide, Wikimedia Commons.

Bobinas e imanes

Tenemos que entender cómo funciona el concepto de inducción electromagnética en una bobina o solenoide. Un imán puede entrar y salir de una bobina de alambre, lo que induce una diferencia de potencial, como se muestra en el diagrama siguiente. Cuando se introduce un imán en la bobina, se genera una corriente en el solenoide cuya dirección depende de si entró primero el polo norte o el polo sur. Cuando se extrae el imán del solenoide, el sentido de la corriente se invierte. Esta inversión de la diferencia de potencial se indica en el voltímetro.

Fig. 10. Un imán que cae dentro de un solenoide generaría una diferencia de potencial, como se ve por la desviación en el voltímetro, Wikimedia Commons CC BY-SA 4.0

Tipos de generadores eléctricos

Normalmente, en la mayoría de los generadores eléctricos modernos que se utilizan en las centrales eléctricas, la bobina o bobinas están fijas y montadas fuera del imán. Es el imán el que gira para inducir una diferencia de potencial. Aunque en los generadores de menor escala se siguen prefiriendo las bobinas móviles.

Podemos utilizar el efecto generador para producir una corriente alterna (CA) y una corriente continua (CC). Hablaremos de un alternador que genera corriente alterna y de una dinamo que genera corriente continua, así como de los diagramas del generador eléctrico.

Alternador

Un alternador es una bobina de alambre que se mueve en un campo magnético conectada con dos anillos metálicos llamados conmutadores. La función de los conmutadores es permitir que la corriente salga de la bobina para poder utilizarla en diversas aplicaciones, como alimentar nuestros hogares.

Fig. 12. Esquema de un alternador.

La imagen de abajo muestra el sentido contrario a las agujas del reloj del movimiento de la bobina dentro del campo magnético. El conmutador A está conectado al lado izquierdo del cable (color rojo) y el conmutador B está conectado al lado derecho del cable (color azul). El gráfico de diferencia de potencial de la figura siguiente representa la diferencia de potencial a través de los conmutadores con respecto al tiempo.

Fig. 13. Un alternador tiene la mayor diferencia de potencial cuando está horizontal, porque está barriendo el cable a mayor velocidad.

Cuando la bobina esté completamente horizontal y, por tanto, paralela a las líneas de campo magnético, las líneas de campo máximo se cortarán en ese momento, por lo que se inducirá la máxima diferencia de potencial, como indica el gráfico.indica la máxima diferencia de potencial yes el tiempo.

A medida que el hilo se mueve, con el tiempo, pasará por la posición indicada en la figura siguiente. En esta posición, si miras la bobina desde un lado, la bobina es perpendicular al campo magnético, por lo que no se cortan líneas de campo magnético y la diferencia de potencial en esta posición es cero, como se indica en el gráfico siguiente.

Fig. 14. Cuando el alternador está en posición vertical su diferencia de potencial es cero porque la bobina se mueve paralela al campo.

Aunque la corriente es cero cuando el hilo está vertical, el momento de la bobina sigue haciéndolo girar. Como se muestra en la figura siguiente, la diferencia de potencial se invierte cuando el hilo vuelve a estar horizontal. Obtenemos esta inversión de la diferencia de potencial porque los dos lados de la bobina están en la orientación opuesta a la que tenían cuando iniciamos el movimiento.

Fig. 15. Cuando el hilo vuelve a estar horizontal, se produce una diferencia de potencial máxima, pero en sentido contrario, porque las bobinas se mueven en una dirección diferente a la anterior.

Una vez más, como la bobina está vertical, la diferencia de potencial inducida volvería a ser cero, como se muestra en la figura siguiente. El hilo se mueve en paralelo al campo magnético, por lo que la diferencia de potencial inducida sería cero.

Fig. 16. La diferencia de potencial vuelve a ser cero cuando el hilo está vertical.

El punto clave después de toda esta discusión sobre los alternadores es que, como el hilo está conectado a dos anillos conmutadores diferentes, un alternador produce una corriente alterna como resultado de la diferencia de potencial alterna. Esta corriente alterna puede aumentarse

• Aumentando la intensidad del campo magnético.

• Aumentando el número de vueltas de la bobina.

• Aumentando la velocidad de rotación de la bobina.

• Envolviendo el alambre alrededor de un núcleo de hierro dulce.

Una dinamo

Las características principales de una dinamo son que tiene un conmutador de anillo partido y que produce corriente continua (CC). El anillo partido se divide en dos huecos A y B que se conectan a los lados de la bobina.

Fig. 17. Esquema de una dinamo.

El funcionamiento de una dinamo es similar al de un alternador, la única diferencia es el conmutador de anillo único en lugar de dos conmutadores de metal sólido como en un alternador. Por tanto, la dirección de la corriente y la diferencia de potencial no cambian tras una rotación completa de la bobina y, como resultado, obtenemos una corriente continua.

La figura siguiente muestra un gráfico de una diferencia de potencial con respecto al tiempo en un circuito de dinamo. Obtenemos dos picos para una rotación completa de la bobina porque cada lado de la bobina pasa dos veces por el campo magnético durante cada ciclo de rotación.

Fig. 18. La dirección de la diferencia de potencial y la corriente no se invierten debido al conmutador de anillo partido, Adaptado de una imagen de Wikimedia Commons.

Ten en cuenta que el gráfico anterior es un gráfico de corriente continua de una dinamo y no debe confundirse con un gráfico de corriente continua en función del tiempo, como se muestra en la figura siguiente. Un gráfico de CC es una línea constante que indica una corriente constante a lo largo del tiempo.

Fig. 19. Un gráfico de corriente continua con respecto al tiempo es una línea recta horizontal, Wikimedia Commons.

Ejemplo de generador eléctrico

Se tratará el ejemplo de la central eléctrica de carbón, ya que posiblemente sea el más sencillo de entender. Las centrales térmicas de carbón generan electricidad quemando primero carbón como fuente de combustible. Esta combustión de carbón calienta el agua de la caldera, que se convierte en vapor, que sube a las turbinas.

El vapor se mantiene a alta presión y alta temperatura, y se dirige hacia el álabe de la turbina, obligando a ésta a girar. La turbina mueve un electroimán dentro de una bobina de cobre que, a su vez, produce electricidad. Este es un excelente ejemplo de generador eléctrico porque la energía mecánica de la turbina se convierte en energía eléctrica.

Fig. 20. Diagrama de cómo se utiliza el carbón como combustible para generar electricidad, Wikimedia Commons CC BY-SA 3.0.