Motor Eléctrico

Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica. Mantiene por tanto una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos. Por la ley de Faraday, al hacer girar una espira dentro de un campo magnético, se produce una variación del flujo de dicho campo a través de la espira y por tanto se genera una corriente eléctrica.

El la figura anterior, la espira rectangular rota dentro de un campo magnético, por lo que el flujo del campo a través de ella varía. Se crea una corriente que circula por la espira, por lo que entre los bornes (representados en verde) aparece una diferencia de potencial ΔV (fuerza electromotriz inducida).

En las centrales de generación de energía eléctrica (nucleares, térmicas, hidráulicas…) la energía mecánica que el generador transforma en energía eléctrica proviene del movimiento de una turbina, accionada dependiendo del tipo de central por vapor de agua, aire o agua. En la figura inferior se ha representado esquemáticamente el sistema de generación de energía eléctrica de una central hidráulica.

En la parte inferior de la figura se observan las palas de la turbina (accionada por agua) y las compuertas verticales que sirven para regular el caudal de agua que entra a la turbina. En la parte superior está representado el generador de energía eléctrica. Dicho generador consta de dos partes:

• El estátor, que es la parte estática del generador. Actúa como inducido.
• El rotor, que es la parte móvil conectada al eje de la turbina. Es el que actúa como inductor.

El rotor puede estar constituido por un imán permanente o más frecuentemente, por un electroimán. Un electroimán es un dispositivo formado por una bobina enrollada en torno a un material ferromagnético por la que se hace circular una corriente, que produce un campo magnético. El campo magnético producido por un electroimán tiene la ventaja de ser más intenso que el de uno producido por un imán permanente y además su intensidad puede regularse.

El estátor está constituido por bobinas por las que circulará la corriente. Cuando el rotor gira, el flujo del campo magnético a través del estátor varía con el tiempo, por lo que se generará una corriente eléctrica. En este enlace puede verse un esquema de una central hidráulica en funcionamiento.

Un motor eléctrico funciona de forma inversa a un generador. Convierte energía eléctrica en energía mecánica. El principio de funcionamiento de los motores eléctricos se muestra en la figura inferior.

Si se coloca una espira en un campo magnético y se hace pasar una intensidad de corriente a través de ella, el campo ejerce una fuerza sobre los lados de la espira, y estas fuerzas ejercen un momento de fuerzas. La espira empezará a rotar, por lo que se habrá transformado energía eléctrica en energía mecánica.

En función del tipo de corriente empleada, los motores pueden ser de corriente continua y de corriente alterna, y existen distintos tipos de cada uno de ellos.

Inducción Magnética

La inducción magnética es el proceso mediante el cual campos magnéticos generan  campos eléctricos. Al generarse un campo eléctrico en un material conductor, los portadores de carga se verán sometidos a una fuerza y se inducirá una corriente eléctrica en el conductor.

 

Cualquier dispositivo (batería, pila…) que mantiene diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito se llama fuente de alimentación.

La fuerza electromotriz ε (fem) de una fuente se define como el trabajo realizado por el dispositivo por unidad de carga, por lo que las unidades de fuerza electromotriz son los voltios. Cuando decimos que un campo magnético genera una corriente eléctrica en un conductor, nos referimos a que aparece una fem (llamada fem inducida) de modo que las cargas del conductor se mueven generando una corriente (corriente inducida).

Este hecho se observa fácilmente en el siguiente experimento:

si acercamos o alejamos un imán a un conductor que no está conectado a ninguna fuente de fuerza electromotriz, se detecta con un amperímetro que aparece una corriente eléctrica en el conductor. La corriente desaparece si el imán se mantiene en la misma posición, por lo que se llega a la conclusión de que sólo una variación del flujo del campo magnético con respecto al tiempo genera corriente eléctrica.

La ley que explica esta interacción entre la fuerza electromotriz inducida y el campo magnético es la Ley de Faraday:

En donde Φ_m es el flujo del campo mágnetico. Por tanto, para que aparezca una fuerza electromotriz (fem) inducida debe variar el flujo del campo magnético a través de la superficie delimitada por el conductor. De la definición de flujo:

se deduce que hay tres formas de variar el flujo del campo magnético: variar el módulo del campo, la superficie que lo atraviesa o el ángulo que forman ambos.

En la siguiente animación se muestra un ejemplo: la superficie delimitada por la espira rectangular va aumentando o disminuyendo al desplazarse la varilla; se produce entonces una variación del flujo magnético con lo que se genera una corriente. El sentido de la corriente generada es tal que tiende a compensar la variación de flujo que la ha originado.

Cuando el lado móvil de la espira deja de moverse no hay variación del flujo del campo magnético, por lo que desaparece la corriente.

Ley de Ampere

La corriente eléctrica es una fuente de campo magnético. Entendemos a corriente eléctrica como movimiento de cargas por unidad de tiempo. Sabemos que al hacer circular una corriente por un alambre se genera un campo  magnético alrededor de el.

                                                       André M. Ampere (1775-1836) Matemático y Físico Francés.

Ampere propuso la siguiente relación:

Si se toma una trayectoria cerrada alrededor de la corriente de manera arbitraria como en  la figura, podemos decir que esa trayectoria esta constituía por segmentos de longitud ∆l. Estos segmentos se multiplican por la magnitud del campo paralelo a la trayectoria y si se hace la sumatoria de estos segmentos tenemos:

Por lo tanto la ley de Ampere nos relaciona el campo magnético con la corriente eléctrica de una manera directa.

Una aplicación de la ley e ampere son los solenoides que es un alambre conducto en forma de bobina helicoidal apretada que se enrolla muchas veces. Si se hace circular una corriente por el alambre se producirá un fuerte campo magnético.

Gracias a éste fenómeno funcionan algunos timbres, por ejemplo, imaginemos que tenemos un circuito con un solenoide y un botón que activa el paso de corriente por el circuito. Cano se activa el paso e corriente la bobina produce una fuerza magnética capaz de atraer algún metal, en este caso la varilla de hierro que golpeará la campana el timbre.

Espira – Momento Mágnetico

Un conductor cerrado plano se llama espira. Si una espira se coloca en una región del espacio en la que existe un B uniforme, se ve sometida a una fuerza dada por la expresión para la fuerza sobre un conductor no rectilíneo obteniendo en este caso que:

ya que la suma de todos los vectores dl sobre una trayectoria cerrada es nula. Es decir:

.

La fuerza neta ejercida por un campo B uniforme sobre un circuito cerrado de corriente es nula.

Sin embargo la espira no permanece en reposo ya que el momento ejercido por las fuerzas magnéticas es distinto de cero. Según la ecuación de la dinámica de rotación, este hecho provoca un giro en la espira de modo que la aceleración angular adquirida sea paralela al momento de las fuerzas.

Analizamos como ejemplo el movimiento de una espira rectangular.

Espira rectangular

Sea una espira rectangular de lados a y b situada en un campo magnético B uniforme, contenido en el plano de la espira. Calculamos la fuerza neta que ejerce el campo sumando la fuerza sobre cada uno de los lados. La fuerza es nula sobre cada uno de lados a, por ser el campo paralelo al conductor.

Aplicamos la expresión para la fuerza sobre un conductor rectilíneo para cada lado b (lado 1 y lado 2):

El resultado es un par de fuerzas, (igual módulo y sentido opuesto), que ejercen un momento (τ) con respecto al centro del lado a, tal y como se muestra en la imagen frontal de la espira. Como los momentos ejercidos por ambas fuerzas tienen el mismo sentido, el módulo del momento resultante vendrá dado por la expresión:

donde A es el área de la espira.

Debido al momento resultante de las fuerzas la espira adquiere una aceleración angular paralela a dicho momento y se produce una rotación.

Pasemos a generalizar este resultado cuando el campo B no está contenido en el plano de la espira.

Momento magnético de una espira μ

Definimos una mueva magnitud, llamada momento magnético de la espira μ que es independiente del campo magnético y que sólo tiene en cuenta las características del conductor (intensidad de corriente y área). El vector área Atiene de módulo el área de la espira, dirección perpendicular al plano que la contiene y sentido el que da la regla de la mano derecha según el sentido de la corriente eléctrica:

Las unidades del μ en el S.I. son Am²

La expresión general para el momento de las fuerzas queda:

que coincide con el resultado obtenido en el ejemplo anterior cuando μ y B son perpendiculares.

El momento de las fuerzas, y por tanto, la aceleración angular dependerá del ángulo θ entre μ y B; si la espira está colocada con su momento paralelo al campo, es decir, el plano de la espira es perpendicular al campo, el momento de las fuerzas es nulo y por tanto la espira no sufre ninguna rotación.

Como resumen se puede enunciar que debido al momento de las fuerzas magnéticas:

una espira en un campo magnético B adquiere una aceleración angular, es decir, gira, de modo que su momento magnético μtiende a colocarse paralelo al campo magnético.

Este constituye el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.

Circuito RC

Los circuitos RC son circuitos que están compuestos por una resistencia y un condensador.

Se caracteriza por que la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador está descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula corriente, es por eso que se utiliza una resistencia.

Cuando el condensador se carga completamente, la corriente en el circuito es igual a cero.

• Carga del condensador:

       Condensador inicialmente descargado | Cargando el condensador

• Descarga del condensador:

Condensador inicialmente cargado | Descargando el condensador

 

Circuitos Corriente Continua

Existen tres maneras de conectar resistencias en un circuito: serie, paralelo y mixto. Dependiendo del tipo de conexión que presenten las resistencias será el comportamiento de la corriente y el voltaje en el circuito.

• Circuito en serie:

• Circuito en paralelo: Cuando las resistencias están dispuestas de tal forma que ninguna se interpone en el camino de otra para llegar a la fuente.

El voltímetro

La ddp y la fem se pueden medir conectando un voltímetro entre dos puntos de un circuito o entre los terminales de un generador. El voltímetro siempre se conecta en paralelo. La escala de un voltímetro viene expresada en voltios.

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo, esto es, en derivación sobre los puntos entre los que tratamos de efectuar la medida. Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión. Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras, con lo que con poca intensidad de corriente a través del aparato se consigue la fuerza necesaria para el desplazamiento de la aguja indicadora.

El amperímetro

La medición de la corriente que fluye por un circuito cerrado se realiza por medio de un amperímetro o un mili-amperímetro, según sea el caso, conectado en serie en el propio circuito eléctrico.

La intensidad de circulación de corriente eléctrica por un circuito cerrado se puede medir por medio de un amperímetro conectado en serie con el circuito o mediante inducción electromagnética utilizando un amperímetro de gancho. Para medir intensidades bajas de corriente se puede utilizar también un multímetro que mida miliamper (mA).
El ampere como unidad de medida se utiliza, fundamentalmente, para medir la corriente que circula por circuitos eléctricos de fuerza en la industria, o en las redes eléctricas doméstica, mientras que los submúltiplos se emplean mayormente para medir corrientes de poca intensidad que circulan por los circuitos electrónicos.

Reglas de Kirchhoff

Las leyes de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son utilizadas para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía.

Primera Ley de Kirchhoff (Ley de Nodos)

La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo son iguales a la suma de las corrientes salientes. La carga se conserva en cada punto del circuito.

 

Al haber una intersección entre nodos tenemos que:

Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Mallas)

En un circuito cerrado, la suma de las tensiones de batería que se encuentran al recorrerlo siempre serán iguales a la suma de las caídas de tensión existente sobre los resistores. El campo eléctrico es conservativo, el trabajo que realiza a través de cualquier camino cerrado es nulo.

Este es implementado en un circuito que posee mas de una batería y varios resistores de carga, debido a que ya no resulta tan claro como se establecen la corrientes por el mismo.

 

Al haber un lazo cerrado en la malla tenemos que:

• Criterio de signos

 

 

 

 

 

Diodo

El diodo es un componente electrónico que solo permite el flujo de la electricidad en un solo sentido, debido a esto su funcionamiento se parece a un interruptor el cual abre o cierra los circuitos. Este dispositivo esta conformado por dos tipos de materiales diferentes los cuales se traducen a dos terminales, un ánodo (+) y un cátodo (-).

Composición de materiales de un diodo

El diodo esta construido por dos tipos de materiales un “P” y un “N”

Material tipo P

Este material se obtiene a través de un proceso de dopado, en el cual se añaden átomos al semiconductor para aumentar el número cargas positivas o huecos.

Material tipo N

Este material también se obtiene llevando a cabo  un proceso de dopado, en este proceso también se añaden átomos al semiconductor, pero con la diferencia que se aumenta el número de cargas negativas o electrones.

 

¿Como funciona un diodo?

Al tener dos terminales podemos polarizar de dos formas (directa e inversa) diferentes a los diodos y su funcionamiento depende mucho del tipo de polarización que le ponga.

 

Polarización Directa:

El ánodo se conecta al positivo de la fuente de voltaje y el cátodo se conecta al negativo, con esta configuración el diodo actúa como un interruptor cerrado. Una consideración importante dentro de esta configuración es que el diodo provoca una caída de voltaje de 0.6 a 0.7v.

Polarización Inversa:

El ánodo se conecta al negativo de la fuente de voltaje y el cátodo al positivo, en esta configuración la resistencia del diodo aumenta en grandes cantidades y esto hace que actué como un interruptor abierto.

Tipos y Aplicación de un diodo.

Diodo LED

Los diodos emiten una luz cuando la corriente eléctrica pasa a través de ellos. Pero para que estos puedan encender deben de polarizarse de manera directa. Una forma fácil de identificar el ánodo y el cátodo en un led es observar las terminales y siempre la mas corta es el cátodo.

Diodos rectificadores (grandes corrientes) 

Los diodos rectificadores son utilizados en las fuentes de voltaje para poder convertir la corriente alterna(CA) en corriente directa (CD). También son usados en circuitos en los cuales han de pasar grandes corrientes a través del diodo.

Todos los diodos rectificadores están hechos de silicio y por lo tanto tienen una caída de tensión directa de 0,7 V

Puentes rectificadores 

Dentro de los puentes rectificadores existen los de media y de onda completa, para lograr construirlos necesitamos ya sea 1 o 4 diodos rectificadores según el tipo de onda que se vaya a utilizar. Actualmente podemos encontrar encapsulados especiales que contienen los cuatro diodos requeridos. Tienen cuatro pines o terminales: los dos de salida de DC son marcados con + y -, los de entrada de AC están rotulados con el símbolo ~.

Diodos zener 

Los diodos zener se usan para mantener un voltaje fijo. Están diseñados para trabajar de una forma confiable de manera que pueden ser utilizados en polarización inversa para mantener fijo el voltaje entre sus terminales.

se les puede distinguir de los diodos comunes por su símbolo y su código ya que suelen ser BZX o BZY, su tensión inversa de ruptura esta grabada con la letra V en lugar del punto decimal 4V7 = 4.7V

Diodos de señal 

Los diodos de señal son usados en los circuitos para procesar señales eléctricas débiles, por lo que solo son requeridos para pasar pequeñas corrientes de hasta 100 mA.

Diodo de protección para relés 

Esta aplicación se basa en la protección de transistores y circuitos integrados. La bobina del revelador genera un campo magnético constante cuando esta energizada, cuando deja de circular corriente el campo cae y se genera un breve pero alto voltaje, el cual es muy probable que dañe los transistores y circuitos integrados.

Con la implementación de este diodo el campo magnético se desvanece mucho más rápido ya que la corriente circula por la bobina y el diodo de protección. Esto previene que el voltaje que se genera  sea lo suficiente alto como para causar algún daño a los dispositivos.