Inducción electromagnética. Generadores de corriente eléctrica.
 
El experimento de Oersted mostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético en el espacio alrededor de ella. Los científicos de la época investigaron la posibilidad de que ocurriera un efecto inverso: obtener corrientes eléctricas derivadas de las acciones ejercidas por campos magnéticos. Alrededor de 1830, el físico inglés Faraday logró verificar que eso era posible y en qué condiciones se observaría el fenómeno.
 
 

Fig. 1 Michael Faraday.

 
Corriente inducida
 

El importante descubrimiento de Faraday puede entenderse analizando la Fig. 2.

  • La figura (a) muestra un imán colocado en el interior de un solenoide (conductor eléctrico en forma de hélice cilíndrica), cuyos extremos están conectados a un amperímetro. Faraday observó que si el imán se mantiene en reposo (en relación con la bobina), el amperímetro no indica paso de corriente eléctrica, es decir, en esas condiciones no ocurre el efecto buscado.
  • Cuando el imán se pone en movimiento, apartándose de la bobina, como en la figura (b), el amperímetro inmediatamente muestra el paso de la corriente en las espiras del solenoide. Sin embargo, si el movimiento del imán se interrumpe, la corriente deja de circular nuevamente.
  • Al ponerse en movimiento nuevamente el imán, pero ahora acercándose al solenoide, el amperímetro vuelve a indicar la presencia de una corriente en las espiras, ahora en sentido contrario a la situación anterior (Fig. 2 (c)).
 
 
 

Fig. 2 Descubrimiento de Faraday.

 
  • Los mismos efectos se observarían si el imán se mantuviera en reposo y la bobina se acercara o alejara de éste.

Por ello, Faraday percibió que realmente es posible obtener una corriente eléctrica con un imán en movimiento. En relación con esos efectos, se usan actualmente las siguientes denominaciones:

 
El fenómeno de la generación de una corriente eléctrica en un circuito, derivada de efectos magnéticos, se denomina inducción electromagnética, y la corriente así creada recibe el nombre de corriente inducida.
 
Veremos a continuación cómo Faraday logró llegar a una ley en la cual se establecen las condiciones generales para que suceda la inducción electromagnética.
 
Flujo magnético
 

Para entender mejor la ley de Faraday de la inducción electromagnética, estudiaremos inicialmente (de manera simplificada) un concepto muy importante denominado “flujo magnético”.

Para eso, consideremos la Fig. 3 (a) que muestra las líneas de inducción de un campo magnético y una superficie plana colocada perpendicularmente a esas líneas.

Advierte que hay cierto número de líneas de inducción “atravesando” esa superficie.

 
 

Fig. 3 Campo magnético.

 

En esas condiciones, decimos que hay un flujo magnético a través de la superficie.

Supón que esa misma superficie se coloca en un campo magnético más intenso, como lo muestra la Fig. 3 (b). Por ese motivo las líneas que representan ese campo están, como sabemos, más juntas unas de otras que las de la Fig. 3 (a). Por tanto, tenemos un mayor número de líneas atravesando la superficie y decimos que el flujo magnético es mayor que el del caso anterior. Podemos concluir:

 
El flujo magnético a través de una superficie será más grande cuanto mayor sea el número de líneas de inducción que “atraviesan” esa superficie.
 
Se debe observar que, cuando una superficie se coloca en un campo magnético que tiene un determinado valor fijo, el valor del flujo magnético a través de ella sufrirá variaciones si se hace girar la superficie como se muestra en la figura II.19.4.
 
 

Fig. 4 Al hacer girar una superficie dentro de un campo magnético, ocurre una variación en el flujo magnético a través de ella.

 
  • En la figura (a), cuando la superficie es perpendicular a las líneas de inducción, tenemos un flujo máximo a través de ella (el mayor número posible de líneas “atravesando” la superficie).
  • En la figura (b), después de que la superficie sufre cierta rotación, el número de líneas que pasa a través de ella es menor, o sea, el flujo magnético sufrió una reducción.
  • En la figura (c), la superficie alcanzó una posición en que se encuentra paralela a las líneas. En esa situación, ninguna línea “atraviesa” la superficie y, así, el flujo magnético a través de ella es nulo.
  • Si continuamos girando la superficie, el flujo magnético a través de ella continuará sufriendo variaciones, ya sea aumentando o disminuyendo.
 
Ley de Faraday
 
Al analizar un número grande de experimentos realizados por él (semejantes al de la Fig. 2), Faraday logró deducir que el surgimiento de la corriente inducida en un circuito está siempre relacionado con la variación de flujo magnético a través de ese circuito. Estas conclusiones fueron sintetizadas por él en la siguiente ley, la cual es uno de los principios fundamentales del electromagnetismo y se le llama ley de Faraday de la inducción electromagnética:
 
Siempre que ocurre una variación de flujo magnético a través de un circuito cerrado, se establecerá en ese circuito una corriente inducida. Cuando el flujo está aumentando, la corriente tiene sentido contrario al que presenta cuando el flujo está disminuyendo.
 
 

Entonces, tú puedes analizar el experimento mostrado en la Fig. 2, verificando que el hecho de que aparezca la corriente inducida está de acuerdo con la Ley de Faraday:

  • En la figura (a), existe un flujo magnético a través de la bobina, pero dicho flujo no está variando (el imán está parado). Por tanto, no hay corriente inducida en las espiras.
  • En la figura (b), al alejar el imán, el flujo magnético a través de la bobina disminuye, y esta variación de flujo hace aparecer una corriente inducida, que indica el amperímetro.
  • En la figura (c), al acercar el imán a la bobina, el flujo a través de ella aumenta y la corriente inducida aparece en sentido contrario a la situación anterior, como está indicado en el amperímetro
 
El generador de corriente alterna
 

La ley de Faraday, además de ser un principio fundamental de la Física, causó una verdadera revolución tecnológica en la producción y uso de la energía eléctrica en todo el mundo a partir del siglo antepasado.

Antes de los descubrimientos de Faraday, la única manera de obtener corriente eléctrica era por medio de pilas y baterías, que proporcionaban cantidades relativamente pequeñas de energía.

A continuación describiremos un generador de corriente alterna cuyo funcionamiento está basado en la ley de Faraday. Este dispositivo constituye el modelo de los grandes generadores, existentes en las centrales eléctricas de todos los países, capaces de proporcionar enormes cantidades de energía eléctrica, indispensable para realizar prácticamente todas las actividades del mundo moderno.

Básicamente, un generador de corriente está constituido por un imán fijo y por una espira que se coloca entre los polos de dicho imán, Fig. 5. La conexión de la espira con el circuito que va a alimentar (una lámpara, por ejemplo) se hace por medio de escobillas (como en el caso de un motor), que hacen contacto con anillos ligados a los extremos de la espira.

 
 

Fig. 5 Un generador de corriente alterna muy simple constituido por una sola espira.

 

La espira está sumergida en un campo magnético y cuando se pone en rotación habrá variación de flujo magnético a través de ella. Esa variación de flujo hace, entonces, que se establezca una corriente inducida en la espira que, a través de las escobillas, pasa al circuito externo (la lámpara se enciende). Con el movimiento de rotación continuo de la espira, el flujo estará tanto aumentando como disminuyendo y, así, la corriente inducida tendrá periódicamente su sentido invertido.En otras palabras:

 
La corriente que se genera en el dispositivo mostrado en la Fig. 5 es una corriente alterna. Por lo tanto, ese dispositivo es un generador de corriente alterna, también denominado “alternador”. Observa que el generador transforma la energía mecánica, usada para mantener la rotación de la espira, en energía eléctrica que alimenta al circuito.
 
 
Plantas generadoras de energía eléctrica
 

Las centrales eléctricas, que proporcionan energía a los centros consumidores, generan potencias elevadísimas (millares de kW). Sin embargo, sus generadores funcionan, en principio, de manera idéntica al alternador que acabamos de analizar.

Conforme al tipo de energía que se usa para hacer girar la espira (o el imán) del generador, podemos tener, entre otras, las estaciones hidroeléctricas, termoeléctricas y nucleoeléctricas.

  • Estación hidroeléctrica, Fig. 6: en esas estaciones, la energía potencial del agua, almacenada en una presa, se transforma en energía cinética durante su caída por los tubos. Esa energía se usa para hacer girar una turbina (máquina que convierte en energía mecánica la de un fluido mediante el movimiento giratorio que éste imprime a una o más ruedas o paletas) y su movimiento de rotación se transmite al generador, produciendo corriente eléctrica.
 
 

Fig. 6 En la estación hidroeléctrica, la energía mecánica de la caída de agua se transforma en energía eléctrica.

 
  • Estación termoeléctrica, Fig. 7: la energía utilizada en esas estaciones, es la energía térmica, obtenida por la combustión de madera, carbón o petróleo (combustóleo). Como vemos en la figura II.19.7, la energía térmica o calor desprendido en la combustión provoca la vaporización del agua contenida en una caldera. Ese vapor a alta presión hace girar una turbina y esa rotación se transmite al generador.
 
 

Fig. 7 En la estación termoeléctrica, la energía liberada por el combustible se transforma en energía eléctrica.

 
  • Estación nucleoeléctrica, Fig. 8: las estaciones nucleares, como la de Laguna Verde en Veracruz, funcionan de manera semejante a una estación termoeléctrica, pero el calor utilizado para producir el vapor a alta presión proviene de las reacciones nucleares que ocurren en un reactor atómico (fisión de los núcleos de algunos elementos como el uranio, por ejemplo). Observa con atención el diagrama presentado en la Fig. 18 y lee atentamente el texto al pie.
 
 

Fig. 8 Esquema de funcionamiento de una estación nuclear. La gran cantidad de calor liberado por las reacciones nucleares que ocurren en el reactor provoca el sobrecalentamiento del agua
que circula en él. Esta agua se usa para producir el vapor que va a accionar las turbinas.
Observa que el agua sobrecalentada que circula en el reactor se mantiene en circuito
aislado, sin contacto directo con cualquier otra parte del conjunto,
para evitar contaminación radioactiva.

 
Se debe observar que todas las centrales eléctricas funcionan de manera muy semejante, difiriendo sólo en el tipo de energía que usan para accionar el generador. En los casos examinados tuvimos las transformaciones siguientes:
 
 
Como la utilización de energía eléctrica es cada día más intensa, en varios países se han empleado otras formas de energía para accionar las centrales eléctricas Por ejemplo, energía eólica de los vientos, Fig. 9, energía de las mareas, energía solar, energía geotérmica, etcétera.
 
 

Fig. 9 Este dispositivo que se denomina “turbina de viento” acciona un generador de energía electrica de 3 000 kW. Por tanto, transforma la energía mecánica del viento (energía eólica)
en energía eléctrica (cada lámina del “pesca viento” tiene 30 m de longitud).

 
El transformador
 
La energía eléctrica proporcionada por las grandes compañías se lleva a los consumidores por medio de corriente alterna. La razón principal para utilizar ese procedimiento está en la facilidad con la que el voltaje de la corriente alterna puede aumentarse o disminuirse, empleando un dispositivo, denominado transformador, que analizaremos a continuación.
 
 

Fig.10 Usando un transformador, es posible aumentar o reducir el valor del voltaje de una corriente alterna.

 

Un transformador, como lo muestra la Fig. 10, está constituido básicamente por tres partes:

  • Un núcleo de fierro.
  • Una bobina, denominada primaria del transformador, enrollada alrededor del núcleo, que está conectada a la fuente de voltaje, cuyo valor deseamos transformar (por ejemplo, una toma de corriente eléctrica).
  • Otra bobina denominada secundaria del transformador, también enrollada alrededor del núcleo, constituyendo un nuevo circuito (sin contacto eléctrico con la primaria).

Cuando la corriente alterna se establece en la bobina primaria, el núcleo se imanta, creando un campo magnético variable, cuyas líneas pasan a través de la bobina secundaria. La variación de flujo en esta última bobina hace aparecer en ella una corriente inducida, en la Fig. 10, ese hecho se evidencia porque el foco está encendido.

 
 

Fig. 11 Transformador del tipo usado en laboratorios de enseñanza.

 
Es fácil percibir que si la bobina primaria fuera conectada a una fuente de corriente continua (como una batería, por ejemplo), habrá un flujo magnético en la secundaria (el núcleo se imanta) pero, como ese flujo no varía, no habrá corriente inducida en la bobina secundaria. En resumen:
 
Para obtener corriente inducida en la bobina secundaria de un transformador, se debe aplicar un voltaje alterno en la bobina primaria. El transformador no funciona (no hay corriente en la bobina secundaria) cuando aplicamos un voltaje continuo a la bobina primaria.
 

Veamos ahora cómo se debe proceder para obtener una elevación o una reducción del voltaje alterno, por medio de un transformador. Consideremos que:

  • N1 es el número de espiras en la bobina primaria.
  • N2 es el número de espiras en la bobina secundaria.
  • V1 es el voltaje aplicado en la bobina primaria.
  • V2 es el voltaje inducido en la bobina secundaria.

Se puede mostrar que entre esas cantidades existe la siguiente relación:

De esta ecuación, deducimos fácilmente que:

  • Si N2 > N1, tenemos V2 > V1 es decir, el transformador se está usando para proporcionar un voltaje mayor del aplicado a la bobina primaria.
  • Si N2 < N1, tenemos V2 < V1. es decir, el transformador se está usando para proporcionar un voltaje menor del aplicado a la bobina primaria.
 
 

Fig. 12 Las líneas de transmisión de energía eléctrica tienen muchos kilómetros de longitud.

 
Transmisión y distribución de la energía eléctrica
 

La energía generada en las grandes centrales eléctricas se lleva a los centros consumidores, por medio de líneas de transmisión o cables que, normalmente, tienen una extensión de varios kilómetros, como las que se muestra en la Fig 12. Cuando la corriente eléctrica recorre esas líneas, una parte considerable de la energía generada se disipa por el Efecto Joule, transformándose en energía térmica. Como esa energía no se aprovecha, los centros consumidores reciben sólo una fracción de la energía eléctrica generada en las estaciones.

Para reducir las pérdidas en la transmisión por el Efecto Joule, los ingenieros electricistas saben que la corriente en la línea debe ser la menor posible. Como la potencia generada se da por la ecuación P = i VAB, para que no haya una reducción de potencia de la estación, la disminución de i debe compensarse por una elevación de voltaje VAB. Llegamos así a la siguiente conclusión:

 
Para reducir las pérdidas por el Efecto Joule en las líneas de transmisión de energía eléctrica, ésta debe ser hecha con baja corriente y alto voltaje (alta tensión).
 
 

Por eso, el voltaje generado en una estación eléctrica antes de la transmisión tiene su valor elevado a varios millares de voltios (alta tensión), y antes de distribuirse a los consumidores, ese alto voltaje debe, por cuestiones de seguridad, tener un valor bajo. Esos cambios de voltaje pueden hacerse con relativa facilidad, usando transformadores porque, como ya se dijo, en las centrales eléctricas siempre se generan corrientes alternas. Si los generadores fueran de corriente continua, esas transformaciones de voltaje no podrían hacerse y la transmisión de energía eléctrica a grandes distancias no sería viable, debido a las enormes pérdidas que ocurrirían en las líneas por el Efecto Joule.

Analiza cuidadosamente la Fig. 13, que muestra algunas etapas de la transmisión de la energía eléctrica generada en una estación, hasta el consumidor doméstico. En ésta figura vemos un transformador de poste de la calle, que realiza la última disminución de voltaje en las cercanías de tu casa.

 

 
Fig. 13 Mientras la energía eléctrica se transporta desde la estación hasta las casas habitación, suceden varios cambios de voltaje.