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Inducción electromagnética. Generadores
de corriente eléctrica. |
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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. |
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Corriente inducida |
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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)).
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Fig. 2 Descubrimiento de Faraday.
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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: |
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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. |
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Veremos a continuación cómo
Faraday logró llegar a una ley en la cual se establecen las
condiciones generales para que suceda la inducción electromagnética. |
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Flujo magnético |
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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.
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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:
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El flujo
magnético a través de una superficie será más
grande cuanto mayor sea el número de líneas de inducción
que “atraviesan” esa superficie. |
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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. |
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Fig. 4 Al hacer girar una superficie dentro
de un campo magnético, ocurre una variación en el
flujo magnético a través de ella.
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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).
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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.
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Si continuamos girando la superficie, el
flujo magnético a través de ella continuará
sufriendo variaciones, ya sea aumentando o disminuyendo.
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Ley de Faraday |
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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: |
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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. |
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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
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El generador de corriente alterna |
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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.
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Fig. 5 Un generador de corriente alterna muy
simple constituido por una sola espira.
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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:
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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. |
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Plantas generadoras de energía eléctrica |
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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.
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Fig. 6 En la estación hidroeléctrica,
la energía mecánica de la caída de agua se
transforma en energía eléctrica.
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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.
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Fig. 7 En la estación termoeléctrica,
la energía liberada por el combustible se transforma en
energía eléctrica.
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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.
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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.
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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: |
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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. |
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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).
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El transformador |
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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. |
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Fig.10 Usando un transformador, es posible aumentar
o reducir el valor del voltaje de una corriente alterna.
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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. |
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Fig. 11 Transformador del tipo usado en laboratorios
de enseñanza.
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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: |
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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. |
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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:
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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.
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Fig. 12 Las líneas de transmisión
de energía eléctrica tienen muchos kilómetros
de longitud.
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Transmisión y distribución
de la energía eléctrica |
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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:
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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). |
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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.
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Fig. 13 Mientras la energía
eléctrica se transporta desde la estación hasta las
casas habitación, suceden varios cambios de voltaje. |
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