El generador de ca.

Un generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica. Hemos visto que se induce
una fem en un conductor cuando éste experimenta un cambio en el acoplamiento inductivo.
Cuando el conductor forma un circuito cerrado, se puede detectar en él una comente inducida. En
un generador, una bobina de alambre se hace girar dentro de un campo magnético, y la comente
inducida se transmite mediante alambres a grandes distancias del lugar donde se originó.
La figura 31.6 muestra la construcción de un generador simple. Básicamente está formado
por tres componentes: un imán inductor, una armadura y anillos colectores con escobillas.
El inductor puede ser un imán permanente o un electroimán. La armadura del generador de la
figura 31.6 consta de una sola espira de alambre suspendido entre los polos del imán inductor.
Un par de anillos colectores se conectan a los dos extremos de la espira; por tanto, dichos anillos
giran junto con la espira cuándo ésta gira en el campo magnético. La comente inducida se
extrae del sistema mediante escobillas de grafito que se montan sobre cada uno de los anillos.
La energía mecánica se suministra al generador al girar la armadura en el campo magnético. La
energía eléctrica se genera en forma de una corriente inducida.
 

 
La dirección de la corriente inducida debe obedecer la regla de Fleming de movimientoflnjo-
corriente. En la ñgura 31.6, el movimiento hacia abajo del segmento de alambre de la
izquierda cruza un flujo magnético dirigido de izquierda a derecha. La corriente inducida,
por tanto, tiene una dirección hacia los anillos colectores. Mediante un razonamiento similar
se demuestra que la corriente en el segmento de la derecha de la espira, que se mueve hacia
arriba, se alejará de los anillos colectores.
Para comprender cómo funciona un generador de ca, es necesario seguir el movimiento de la
espira durante una rotación completa, observando la corriente que se genera en el curso de dicha
rotación. La ñgura 31.7 muestra cuatro posiciones de bobina al girar y la dirección de la corriente
que se suministra a las escobillas en cada caso. Suponga que la espira se mueve en forma mecánica
en una contrasentido a las manecillas del reloj. En la figura 31.7a la espira está en posición
 


 

 
horizontal, con el lado M de cara al polo sur (S) del imán. En este punto se suministra una corriente
máxima en la dirección indicada. En la figura 31.7b, la espira está en posición vertical,
con el lado M hacia arriba. En este punto una comente máxima se libera en la dirección que se
señala. En la figura 31.7b la espira es vertical, con el lado M apuntando hacia arriba. Al llegar
a este punto no hay líneas de flujo que cortar, y la comente inducida desciende hasta cero.
Cuando la espira vuelve a la posición horizontal, como aparece en la figura 31.7c, el lado M
ve al polo norte (N) del imán. Por consiguiente, la corriente entregada al anillo colector R ha
cambiado de dirección. Una comente inducida fluye a través del resistor externo en dirección
opuesta a la que experimentó con anterioridad. En figura 31.7d la espira queda de nuevo en
posición vertical, pero ahora con el lado M hacia abajo. No se cortan líneas de flujo, y la corriente
inducida de nuevo es cero. Luego, la espira vuelve a su posición horizontal como en la
figura 31.7a y el ciclo se repite. Por tanto, la corriente suministrada por un generador de este
tipo alterna periódicamente, cambiando de dirección dos veces por cada rotación.
La fem generada en cada segmento de la espira giratoria debe obedecer la relación expresada
en la ecuación 31.6:
 
 

 
donde v es la velocidad de un segmento de alambre de longitud L en movimiento en un campo
magnético de densidad de flujo B. La dirección de la velocidad v respecto al campo B en
cada instante se indica mediante el ángulo 9. Considere el segmento M de la espira giratoria
cuando alcanza la posición que indica la figura 31.8. La fem instantánea en esta posición se
calcula por la ecuación (31.6). Si la espira gira en un círculo de radio r, la velocidad instantánea
v se puede determinar partiendo de:
 

 
donde co es la velocidad angular en radianes por segundo. Al sustituir en la ecuación (31.6)
se obtiene la fem instantánea:
 

 
Una fem idéntica se induce en el segmento de alambre opuesto M, y no se genera ninguna
fem neta en los otros segmentos. Esto significa que la fem instantánea total es igual al doble
del valor obtenido mediante la ecuación (31.7), por lo tanto,
 

 
pero el área A de la espira es:
 

 
 
y la ecuación (31.8) puede simplificarse aún más:
 

 
Donde JV es el número de espiras del alambre.
La ecuación (31.9) expresa un importante principio relacionado con el estudio de las
corrientes alternas:
 
Si la armadura gira con una velocidad angular constante en un campo magnetico
constante, la magnitud de la fem inducida varia en forma sinusoidal
respecto al tiempo.
 

 
Este hecho se ilustra en la ñgura 31.9. La fem varía de un valor máximo cuando 6 = 90° a un
valor cero cuando 6 = 0o. La máxima fem instantánea es, por tanto.
 


puesto que sen 90° = 1. Si se establece la ecuación (31.9) en términos de la fem máxima,
escribimos:
 

 
Para notar la variación explícita de la fem generada respecto al tiempo, debemos recordar
Que:
 

 
donde/es el número de rotaciones por segundo que realiza la espira. Es decir, podemos expresar
la ecuación (31.11) en la siguiente forma:
 
 

 

 
 
Puesto que la comente inducida es proporcional a la fem inducida, por la ley de Ohm, la
corriente inducida tambi.n variar. sinusoidalmente de acuerdo con:


 
La comente m.xima se presenta cuando la fem inducida es m.xima. La variaci.n sinusoidal
es similar a la representada en la gr.fica de la figura 31.9.
La unidad para la frecuencia en el SI es el hertz (Hz), que se define como un ciclo por
segundo.
 

 
Por tanto, una comente alterna de 60 ciclos por segundo tiene una frecuencia de 60Hz.