Motores y generadores

Pregunta esencial

¿Cómo convertimos la electricidad en movimiento y el movimiento en electricidad?

Todos los ventiladores, las licuadoras y los coches eléctricos usan un motor, y casi toda nuestra electricidad viene de generadores. Al final de esta lección, deberías poder explicar cómo funcionan los motores, los generadores y los transformadores, y resolver problemas de transformadores con V_s/V_p = N_s/N_p.

Motores eléctricos

• Una espira con corriente está en un campo magnético
• El campo empuja sus lados en sentidos opuestos
• Así que la espira gira

Un motor eléctrico es una espira (o bobina) de alambre que conduce corriente dentro de un campo magnético. Esta imagen muestra la espira de frente. Con la regla de la mano derecha, el campo empuja hacia arriba el lado izquierdo, donde la corriente sale de la página, y empuja hacia abajo el lado derecho, donde la corriente entra a la página. Los empujones iguales y opuestos en lados opuestos hacen que la espira gire en el sentido de las manecillas del reloj, igual que cuando empujas hacia arriba el lado izquierdo de un volante y hacia abajo el lado derecho. Es la fuerza magnética sobre una corriente de las dos lecciones anteriores, puesta a trabajar.

Un giro continuo

• El anillo partido invierte la corriente cada media vuelta
• Así la espira sigue girando en el mismo sentido
• Más espiras + núcleo de hierro: más potencia

Después de media vuelta, los lados de la espira han intercambiado lugares, y si nada cambiara, las fuerzas la empujarían de regreso en el otro sentido. Un conmutador de anillo partido lo resuelve. Los extremos de la espira se conectan a las dos mitades de un anillo, y unas escobillas conectan el anillo con la batería. Cada media vuelta, cada escobilla pasa a la otra mitad del anillo, lo que invierte la corriente en la espira, así que las fuerzas siguen girando la espira en el mismo sentido. Los motores reales usan muchas espiras enrolladas en un núcleo de hierro para que las fuerzas sean mayores.

Generadores

• Se hace girar una bobina en un campo magnético
• El flujo que la atraviesa cambia todo el tiempo
• La inducción produce una corriente

Un generador es un motor que funciona al revés. En lugar de suministrar corriente, haces girar la bobina con una manivela, una turbina o una aspa de viento. Mientras la bobina gira en el campo magnético, el número de líneas de campo que la atraviesan cambia todo el tiempo: hay mucho flujo cuando la bobina está de frente a los polos y flujo cero cuando está de canto. Ese flujo cambiante induce un voltaje y una corriente, exactamente como predice la ley de Faraday. Mientras más rápido gira la bobina, más rápido cambia el flujo y más voltaje produce.

Corriente alterna

• La corriente se invierte cada media vuelta
• Esto es corriente alterna (CA)
• Contactos de EE. UU.: 60 ciclos por segundo

Conforme gira la bobina de un generador, cada lado sube por el campo y luego baja por él, así que la corriente inducida fluye en un sentido durante media vuelta y en el sentido contrario durante la media vuelta siguiente. El voltaje sube y baja suavemente y forma una onda. La corriente que se invierte constantemente de esta manera se llama corriente alterna, o CA. Las plantas de energía de Estados Unidos producen CA que completa 60 ciclos cada segundo (60 Hz). Una batería, en cambio, produce corriente directa (CD), que fluye en un solo sentido.

Las mismas partes, funciones opuestas

• Motor: energía eléctrica → movimiento (fuerza magnética sobre una corriente)
• Generador: movimiento → energía eléctrica (inducción electromagnética)

Un motor y un generador están hechos de las mismas partes: una bobina de alambre que puede girar dentro de un campo magnético. La diferencia es el sentido en que fluye la energía. Un motor recibe energía eléctrica y produce movimiento, con la fuerza magnética sobre una corriente. Un generador recibe movimiento y produce energía eléctrica, con la inducción electromagnética. De hecho, muchos autos eléctricos e híbridos usan sus motores como generadores al frenar, y convierten la energía cinética del auto otra vez en energía eléctrica para recargar la batería.

Transformadores

V_s / V_p = N_s / N_p

• V_p y V_s = voltajes a lo largo de las bobinas primaria (entrada) y secundaria (salida), en volts (V)
• N_p y N_s = número de vueltas de las bobinas primaria y secundaria

Un transformador son dos bobinas enrolladas en el mismo núcleo de hierro. La corriente alterna en la bobina primaria produce un campo magnético cambiante, y el hierro lleva ese campo cambiante a través de la bobina secundaria, donde induce un voltaje. La relación de voltajes es igual a la relación de vueltas. Si el secundario tiene más vueltas, el voltaje aumenta (transformador elevador). Si tiene menos vueltas, el voltaje disminuye (transformador reductor). Los transformadores solo funcionan con CA, porque una corriente directa constante produce un campo que no cambia, y sin cambio no hay inducción.

De la planta de energía a la casa

• Una turbina hace girar un generador
• Elevador: alto voltaje, poca corriente
• Reductor: voltaje seguro en casa

En la mayoría de las plantas de energía, el vapor, el agua que cae o el viento hacen girar una turbina, que mueve un generador. Después, un transformador elevador sube el voltaje hasta cientos de miles de volts. Como la potencia es P = IV, al subir el voltaje la misma potencia puede viajar con mucha menos corriente, y menos corriente significa mucha menos energía desperdiciada como calor en las largas líneas de transmisión. Cerca de tu colonia, los transformadores reductores bajan el voltaje a unos 120 V seguros para tus contactos.

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Ejemplos resueltos

Primero intenta resolver cada problema por tu cuenta y luego abre la solución para revisar tu trabajo.

Ejemplo 1: ¿Hacia dónde gira?

Se muestra de frente la espira de un motor entre los polos N y S. El alambre izquierdo conduce corriente que entra a la página y el alambre derecho conduce corriente que sale de la página. Encuentra la fuerza sobre cada lado. ¿Hacia dónde gira la espira?

Mostrar la solución

1. Campo: El campo apunta de N a S, hacia la derecha.
2. Lado izquierdo: Corriente que entra a la página. Regla de la mano derecha: los dedos a la derecha (B), el pulgar hacia adentro de la página (I), la palma queda hacia abajo. La fuerza es hacia abajo.
3. Lado derecho: Corriente que sale de la página. Los dedos a la derecha, el pulgar hacia afuera de la página, la palma queda hacia arriba. La fuerza es hacia arriba.
4. Respuesta: El lado izquierdo es empujado hacia abajo y el lado derecho hacia arriba, así que la espira gira en sentido contrario a las manecillas del reloj.

Compáralo con la imagen de los motores eléctricos: al invertir la corriente se invirtió el sentido en que gira el motor. Así es como un taladro inalámbrico cambia entre avance y retroceso.

Ejemplo 2: Transformador reductor

El transformador del cargador de un celular tiene 600 vueltas en su bobina primaria, que se conecta a un contacto de 120 V. Su bobina secundaria tiene 30 vueltas. ¿Cuál es el voltaje de salida?

Mostrar la solución

1. Datos: N_p = 600, V_p = 120 V, N_s = 30
2. Ecuación: V_s/V_p = N_s/N_p, así que V_s = V_p × N_s/N_p
3. Sustituye: V_s = (120 V)(30/600) = (120 V)(0.050)
4. Respuesta: V_s = 6.0 V

El secundario tiene 1/20 de las vueltas, así que el voltaje baja a 1/20 de 120 V. Es un transformador reductor.

Ejemplo 3: Transformador elevador

El generador de una planta de energía produce 12,000 V. Un transformador elevador con 200 vueltas en su primario debe elevar esto a 240,000 V. ¿Cuántas vueltas necesita el secundario?

Mostrar la solución

1. Datos: V_p = 12,000 V, N_p = 200, V_s = 240,000 V
2. Ecuación: V_s/V_p = N_s/N_p, así que N_s = N_p × V_s/V_p
3. Sustituye: N_s = (200)(240,000 V / 12,000 V) = (200)(20)
4. Respuesta: N_s = 4,000 vueltas

Ejemplo 4: ¿Por qué alto voltaje?

Una planta de energía envía 6.0 × 10⁵ W por una línea de transmisión. Encuentra la corriente en la línea si la potencia se envía a 12,000 V y de nuevo si se envía a 240,000 V.

Mostrar la solución

1. Datos: P = 6.0 × 10⁵ W, V = 12,000 V o 240,000 V
2. Ecuación: P = IV, así que I = P/V
3. A 12,000 V: I = (6.0 × 10⁵ W)/(12,000 V) = 50. A
4. A 240,000 V: I = (6.0 × 10⁵ W)/(240,000 V) = 2.5 A

Al elevar el voltaje 20 veces, la corriente se reduce a 1/20. Como el calor que se desperdicia en los cables crece con la corriente, enviar la energía a alto voltaje ahorra una enorme cantidad de energía.

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Práctica

La hoja de práctica llegará pronto.

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Diapositivas de la lección

• Diapositivas 8.5 Motores y generadores (PDF) (en inglés)

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Ideas clave

• Motor: energía eléctrica → movimiento (fuerza magnética)
• Generador: movimiento → energía eléctrica (inducción)
• Los generadores producen CA; los transformadores cambian su voltaje
• V_s/V_p = N_s/N_p; un voltaje alto significa menos pérdidas

De vuelta a la pregunta esencial: un motor convierte la electricidad en movimiento porque un campo magnético empuja la corriente de una bobina y la hace girar. Un generador hace lo contrario: al hacer girar una bobina en un campo magnético cambia el flujo que la atraviesa y se induce una corriente. Usan las mismas partes, con la energía fluyendo en sentidos opuestos, y los transformadores ajustan el voltaje para que las plantas de energía puedan enviar esa electricidad a tu casa. Con esto termina nuestra unidad de electromagnetismo.

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