Ley de Lenz. Generador de ca y cd
Introducción
Hola, mucho gusto en saludarte en nuestro curso de Electromagnetismo. Comenzamos una nueva sesión.
Estudiaremos en esa ocasión la teoría acerca de la corriente o fem inducida por un conductor que se mueve a través de un campo magnético. Aprenderemos también a explicar y aplicar la ecuación para calcular la fem inducida en cierta longitud de un de alambre que se mueve con una velocidad v dirigida con un ángulo respecto a un campo magnético B conocido. Aprenderemos los principios del funcionamiento del generador de corriente alterna para comprender la expresión que nos permite calcular la fem inducida en un generador de corriente alterna. Conoceremos también el generador de corriente directa y la modificación fundamental para cambiar un generador de ca a cd.
¡Listos para continuar nuestra aventura a través del electromagnetismo! ¡Vamos! ¡Continuemos!
Desarrollo del tema
Ley de Lenz
Para comenzar, nos apoyaremos en el principio de conservación de la energía, ampliamente conocido por todos ustedes en varias áreas del conocimiento: “no puede haber una fem sin una causa”. La ley de Lenz dice:
Una corriente inducida fluirá en una dirección tal que por medio de su campo magnético se opondrá al movimiento del campo magnético que la produce. (Tippens, 2011:606).
En la figura al acercarse el imán a la bobina se genera en ésta un campo magnético N-S tal que el polo norte de ésta se rechaza con el polo norte del imán. La corriente en la bobina de la figura genera un campo magnético en cada espira de tal manera que, sumados los campos de cada espira, la bobina se asemeja ahora a un imán de barra en el que el polo norte se opone al avance del imán de la derecha. Entonces, se puede utilizar la ley de Lenz para determinar la dirección de la corriente inducida en un conductor que se mueve a través de un campo magnético. Sin embargo, de una manera más fácil se puede determinar la dirección de la corriente usando la regla de Fleming.
Fig. 14.2 Regla de Fleming para determinar la dirección de la corriente inducida.
Ésta consiste en una modificación de la regla de la mano derecha que consiste en (ver fig. 14.2) apuntar el dedo índice en la dirección del campo magnético, a 90º el dedo pulgar apunta en el mismo sentido del movimiento y el dedo medio se dobla 90º hacia la palma de la mano, apuntando así en dirección de la corriente. Te puedes ayudar asociando las letras m-f-c a los dedos pulgar, índice y medio de la mano derecha para señalar que cada uno de ellos se orienta al movimiento-flujo-corriente, respectivamente.
La regla de Fleming resultará de una fácil y práctica aplicación para estudiar las corrientes inducidas en un generador eléctrico.
Te presento un video del cálculo de la fem inducida en un conductor en movimiento.
Generador de corriente alterna
Un generador eléctrico convierte la energía mecánica en eléctrica. Como hemos visto hasta ahora, un conductor en movimiento en un campo magnético induce una corriente a través de un conductor. En un generador se hace girar una bobina, compuesta de una cantidad N de espiras, dentro de un campo magnético y la corriente inducida es transmitida a través de largas distancias hasta los puntos donde será utilizada. El generador está constituido básicamente por 3 componentes fundamentales: el imán inductor (estator), una armadura (rotor) y los anillos colectores con escobillas. El siguiente video te ilustrará acerca de las partes principales del generador.
Funcionamiento del generador de ca.
En la figura 14.3 aparece una representación esquemática de un generador eléctrico de ca. La corriente es generada en cada vuelta y cambia dos veces de dirección por cada vuelta. En cada media vuelta pasa de un valor cero a un máximo y nuevamente a cero debido al comportamiento sinusoidal de la fem inducida. En la figura 14.4 se muestra la mitad de una espira en su posición de rotación; el ángulo
es el ángulo que forman la normal a la espira y la velocidad tangencial con el vector B.
El video expuesto a continuación exhibe como trabaja un generador de ca.
Generador de ca.
Fig. 14.4 Cálculo de la fem inducida. (Tippens, 2011:609).
La fem instantánea total inducida se puede calcular con la fórmula:
Si la armadura gira con una velocidad angular constante en un campo magnético constante, la magnitud de la fem inducida varía en forma sinusoidal respecto al tiempo.
Fig. 14.5 Variación sinusoidal de la fem en función del tiempo.
Te incluyo enseguida un video del cálculo de la fem inducida en un generador de corriente alterna.
El generador de corriente directa
En un generador de corriente directa se han sustituido los anillos colectores por un conmutador de anillo partido; el conmutador invierte las conexiones de las escobillas dos veces por cada revolución y de esta manera la corriente pulsa pero nunca cambia de dirección.
Fig. 14.6 Generador de cd simple (Tippens, 2011:611)
Fig. 14.7 Fem pulsante producida por un generador de cd. (Tippens, 2011:611)
El siguiente video explica el funcionamiento de un generador de cd.
Generador de corriente directa.
Conclusión
Hemos llegado al final de nuestra lección y estimo que ha resultado interesante.
Aprendimos a calcular la fem inducida en un conductor que se mueve a través de un campo magnético, tomando incluso que la velocidad del alambre conductor forme un ángulo diferente a los 90º.
Estudiamos la operación del generador de corriente alterna y aprendimos que la fem inducida en cualquier momento, llamada fem instantánea, se calcula en función del número de espiras que contiene la bobina del rotor, la magnitud del campo magnético, el área de la espira y de la velocidad angular de rotación del rotor en radianes por segundo. Sabemos también que para calcular la velocidad angular en rad/s, debemos verificar que las unidades de la frecuencia sean Hz o ciclos/s.
También estudiamos las características fundamentales de operación de un generador de corriente directa en comparación con el generador de corriente alterna.
Te exhorto cumplir con la entrega en tiempo y forma de la consigna de esta clase digital 14. Te dejo un archivo en las fuentes de información; te recomiendo su estudio para ampliar tu conocimiento. Si surgen dudas no vaciles en consultar a tu asesor.
Te saludo con gusto. Espero te sientas bien.
Te espero con entusiasmo y energías renovadas en la siguiente sesión. ¡Saludos!
Fuentes de información
Tippens, P. (2011). Inducción electromagnética. En Edamsa Impresiones (Ed.), Física Conceptos y aplicaciones, (p.606-611). Mc Graw Hill.
https://drive.google.com/file/d/1z-dedgJvSDbnQf0frk5YK5RsjNWmZ3ky/view?usp=sharing