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Los generadores electricos son las máquinas que se utilizan para convertir energía mecánica en energía eléctrica.
La base física de todos los generadores es el magnetismo y la inducción electromagnética para producir una corriente inducida.
Tenemos generadores de corriente continua y corriente alterna.
El Magnetismo y su Campo
El Magnetismo y su Campo
Para explicar el funcionamiento de los generadores eléctricos tenemos que empezar explicando el campo magnético.
Es importantísimo que lo entiendas bien, ya que para generar corriente eléctrica los generadores se basan en el electromagnetismo.
Un campo magnético es una región del espacio donde existen fuerzas magnéticas (fuerzas que atraen o repelen metales).
Esta propiedad de atraer metales se llama magnetismo.
Un campo magnético lo puede generar un imán con dos polos, polo Norte (N) y polo sur (S).
Estos polos se encuentran en los extremos del campo que genera el imán.
Si tenemos dos campos, sus polos opuestos harán que se atraigan y sus polos iguales harán que los dos campo se separen.
El ejemplo más claro son los imanes.
Cuando pones dos imanes enfrentados, si los enfrentas con sus dos polos iguales (por ejemplo los dos con el polo N) los imanes se repelen.
Si los enfrentas con los polos opuestos (por ejemplo uno con su polo N y el otro con su polo S) se repelen.
Estas fuerzas de atracción o repulsión son las fuerzas del campo magnético que crean a su alrededor los imanes.
Si dentro del campo magnético de un imán ponemos un metal, por ejemplo hierro, el metal será atraído por el campo magnético del imán.
Esta propiedad de los imanes se llaman magnetismo, como ya dijimos.
Los imanes a su alrededor crean un campo magnético, zona donde son atraídos ciertos metales (como el hierro).
Para saber más visita: Campo Magnético.
Corriente Inducida
Corriente Inducida
Ahora que ya sabemos lo que es una campo magnético, veamos como se genera la corriente eléctrica mediante un generador.
Michael Faraday descubrió que un conductor eléctrico moviéndose dentro de un campo magnético (imán) generaba una tensión o diferencial de potencial (d.d.p) entre sus dos extremos (igual que la pila tiene tensión entre sus dos extremos).
Si ahora conectamos una bombilla formando un circuito eléctrico en estos dos extremos del cable, la tensión generada en sus extremos producírá una corriente eléctrica por el circuito formado por la bombilla que hacía que esta se encendiese.
El conductor en movimiento se comporta parecido a una pila.
La pila tiene tensión en sus extremos (+ y -) y si conectamos la bombilla a estos bornes o extremos comienza a circular corriente eléctrica por el circuito.
Conclusión de Faraday: El conductor en movimiento dentro del imán producirá una tensión en sus extremos y si conectábamos un circuito cerrado en estos extremos del conductor se producía una corriente por el circuito.
Había creado el primer generador eléctrico de la historia.
Gracias al movimiento (del cable dentro del imán) era capaz de producir corriente eléctrica.
En este ejemplo del dibujo imagina que la bombilla es el cubo azul, es un ejemplo muy bueno de lo que descubrió faraday.
Faraday comprobó con un amperímetro (aparato para medir el paso de la corriente eléctrica) que se generaba una corriente eléctrica al mover el conductor por dentro del campo magnético.
A esta corriente la llamo corriente inducida (por Inducción Electromagnética).
Al revés, si en lugar de mover el conductor movemos el campo magnético (el imán), también se generaba corriente eléctrica.
- Movimiento de un conductor dentro de un campo magnético = Se genera corriente eléctrica.
- Campo en Movimiento cortando un conductor fijo = Se genera corriente eléctrica
Aquí podemos apreciar el experimento moviendo el imán (el campo) dentro de conductores estáticos (en este caso espiras) y vemos que el efecto es el mismo, produce corriente eléctrica:
En este experimento también se comprobó que cuanto más rápido el conductor cortaba las líneas del campo magnético del imán, se creaba mayor corriente eléctrica inducida en él.
Además cuando la dirección del movimiento del conductor por el campo era contraria (bajaba o subía por el campo magnético) la corriente generada era de sentido contrario.
Lógicamente si el cable y el campo estaban parados no se genera corriente.
En el dibujo en movimiento de arriba puedes ver los cambios de sentido de la corriente.
Recuerda: se llama campo magnético a la región donde el imán tiene efecto.
Campo magnético=Región donde el imán tiene efecto.
Fíjate como cambia la dirección del sentido de la corriente según el conductor corte hacia arriba o hacia abajo las líneas de campo magnético generadas por el imán.
Cómo Funcionan los Generadores Eléctricos
Cómo Funcionan los Generadores Eléctricos
Este descubrimiento fue lo que dio lugar a los generadores eléctricos electromagnéticos, llamados dinamos o alternadores, en función del tipo de corriente que generaba, las dinamos corriente continua y los alternadores corriente alterna.
También se suelen llamar "Generador Electromagnético" porque mezcla el magnetismo con la electricidad.
Partiendo del primer caso (cable fijo, campo en movimiento), si en lugar de un conductor colocamos un espira girando dentro del campo magnético, ahora tenemos dos conductores cortando el campo magnético.
Fíjate en la espira de la figura de más abajo.
Por un lado de la espira la corriente que se genera es en un sentido y en el otro lado es en el sentido contrario (una parte de la espira sube por el campo magnético y la otra baja) es decir generamos una corriente eléctrica que circula alrededor de la espira.
Cuando la espira está justo en el medio del campo magnético, la espira (los dos lados o conductores de la espira) no corta líneas de campo, y esto hace que en ese punto no se genere corriente.
Ahora según se va moviendo va cortando cada vez más líneas de campo magnetico hasta llegar al máximo cuando la espira está en vertical.
Ahora sigue su movimiento cortando cada vez menos hasta llegar a su estado horizontal.
Aqui la corriente vuelve a ser cero, pero al avanzar el sentido de la corriente cambia, porque los lados de la espira están cortando líneas de campo en sentido contrario que antes (el lado por el que entraba la corriente de la espira, ahora es por donde sale y viceversa).
La gráfica de una vuelta completa de la espira generaría una onda senoidal o sinusoidal con la siguiente señal eléctrica:
Como vemos se genera una onda de corriente alterna, cambia el sentido de la corriente y además la intensidad es variable (no siempre es la misma).
Si somos capaces de unir los extremos de la espira a un receptor tendremos un generador de corriente eléctrica, en este caso de corriente alterna (alternador).
En España los alternadores de las centrales eléctricas giran 50 veces por segundo, es decir la frecuencia de la corriente eléctrica es de 50 Hz (hertzios).
Se repite la misma onda 50 veces cada segundo.
Según esta velocidad de los alternadores podríamos deducir las tensiones y las intensidades instantáneas (en cada momento).
La onda senoidal que genera el alternador tiene en cada instante el mismo valor que la proyección sobre el eje Y del punto donde se encuentra la espira.
Como verás a continuación, por trigonometría podemos deducir los valores instantáneos.
La onda de intensidad y de tensión tiene la misma forma (senoidal) pero cambian los valores máximos y pueden cambiar los ángulos. En definitiva estos valores instantáneos podemos decir que valen:
i = Io x seno ρ
v = Vo x seno ρ
El ángulo ρ puede cambiar en función del receptor que pongamos en el circuito de salida, pero esto ya no es del tema de generadores, sino de circuitos eléctricos.
Si quieres saber más: Circuitos de Corriente Alterna.
Veamos ahora más detalladamente el funcionamiento de una dinamo y un alternador.
Dinamo Para Generar Electricidad
Dinamo Para Generar Electricidad
Para conseguir sacar la corriente generada en la espira, colocamos unos colectores que giren con cada uno de los extremos de la espira y unas escobillas fijas por donde sacamos la corriente (ver imagen de mas abajo).
Si nos fijamos en los colectores estos están cortados.
El motivo es para que por fuera de la espira la corriente siempre vaya en el mismo sentido (corriente continua).
Giremos mentalmente la espira y analicemos que si los colectores fueran anillos completos (sin cortar) la corriente por fuera de la espira saldría por la escobilla (fija sin moverse) en un sentido y cuando la espira gira media vuelta saldría por el sentido contrario.
Es decir, estaríamos generando corriente alterna y no sería una dinamo sería un alternador (generador de corriente alterna).
Esto lo podemos ver en el dibujo de abajo en alternador.
Esquema de la dinamo:
Gracias al colector por fuera de la espira la corriente siempre tiene el mismo sentido generando corriente continua.
En esta animación puedes ver la dinamo de una espira en movimiento generando electricidad: Dinamo de una Espira
El Alternador Eléctrico
El Alternador Eléctrico
Esquema del alternador (igual pero los colectores sin cortar)
La misma escobilla cambiaria de polaridad (polo + a -) en cada vuelta completa de la espira:
Y por último si en lugar de una espira construimos un bobinado, es decir muchas espiras, tendremos una dinamo que produce mas corriente o mayor tensión en sus extremos y además constantemente.
Hay que darse cuenta que con una sola espira cuando está perpendicular al campo (o fuera de el) los conductores de la espira no cortan el campo y por lo tanto no producen corriente.
Esto se evita poniendo más espiras en todos los ángulos.
Hay que recordar que si no conectamos nada en los extremos, aunque no tengamos corriente, si que se genera un tensión od.d.p., que es la que hará que al conectar un receptor comience a circular corriente eléctrica por él.
En este enlace puedes ver un alternador de una espira: Alternador de una Espira
Esta es la diferente onda que crea un generador dinamo (corriente continua) de un generador alternador (corriente alterna):
Puedes ver la diferencia entre dinamo y alternador respecto a la onda que generan.
Tipos de Generadores Electricos
Tipos de Generadores Electricos
Como hemos visto tenemos dos tipos de generadores eléctricos, la dinamo y el alternador.
Generador y alternador son dos dispositivos que convierten la energía mecánica en energía eléctrica.
Ambos tienen el mismo principio de la inducción electromagnética.
La diferencia básica entre generadores o alternadores de corriente alterna (alternadores) y generadores de corriente continua o dinamos, es la ausencia de anillos partidos (conmutador) en los alternadores.
Ya sea en alternadores o dinamos, la corriente inducida en la bobina es generada por inducción electromagnética, pero en los generadores de corriente continua o dinamos, la adición de anillos partidos crea la rectificación de la corriente alterna en corriente continua en el circuito externo.
En este video podemos ver como es el funcionamiento de la dinamo y el motor eléctrico:
En este otro video podemos ver el funcionamiento y las partes de un alternador:
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