Imagen recreativa del disco de Faraday

INTRODUCCION

El generador eléctrico elemental nació principalmente del descubrimiento hecho por Michael Faraday entre los años de 1831 y 1832 cuando hiso pasar un conductor eléctrico por un campo magnético y noto que se generaba una diferencia de potencial. Aprovechando esto construyo el primer generador electromagnético conocido como “El disco de Faraday”, este era un generador homopolar que constaba de un disco de cobre que giraba entre los extremos de un imán con forma de herradura generando una pequeña corriente eléctrica. Nace entonces el primer generador eléctrico.

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Imagen recreativa del disco de Faraday

En base al descubrimiento de Faraday se desarrollaron los primeros sistemas de generación eléctrica a mediados del siglo XVIII, el uso que se le dio a estos primeros generadores fue en la máquina de Wimshurst y el generador de van de Graaff, este ultimo tendría grandes aplicaciones en la química.

Posteriormente, y gracias a los avances en la teoría eléctrica y del magnetismo, se lograron crear generadores más eficientes. Sus orígenes se les atribuyen a Anyos Jedlik, quien crearía los primeros dispositivos rotantes a través de dispositivos electromagnéticos. Hoy en día se le conoce a este dispositivo como los dínamos de Jedliks, aunque él nunca lo patento, y no fue sino hasta tiempo después que Charles Wheatstone y Ersnt von Siemens los patentarían.

El principio del dínamo

El dínamo es un dispositivo que emplea imanes permanentes junto con electroimanes para generar un campo magnético y provocar así la rotación. La parte central del dispositivo, el eje, es llamado rotor.

El posterior desarrollo de los dinamos traería consigo el descubrimiento del principio de autoexcitación, que posteriormente traería grandes avances en el desarrollo de motores eléctricos más eficientes.

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EL GENERADOR ELECTRICO ELEMENTAL

Un generador eléctrico es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica haciendo girar una espira dentro de un campo magnético para producir una variación del  flujo de dicho campo a través de la espira y por tanto mantiene una diferencia de potencial entre dos puntos denominados polos.

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Generador eléctrico básico

Ahora ya sabemos que se puede producir electricidad haciendo que un conductor atraviese un campo magnético. Este principio es el que se aplica para la producción de corriente de cualquier generador dinamo-eléctrico.

Al generador elemental lo componen una espira de alambre colocada de manera que pueda girar dentro de un campo magnético fijo y que produzca una tensión inducida en la espira, para después conectar esta mediante contactos deslizantes a un circuito exterior y aprovechar la f.e.m. (fuerza electro-motriz) inducida.

Las piezas polares son los polos norte y sur del imán que suministra el campo magnético. La espira de alambre que gira a través del campo magnético se le llama inducido o armadura.

Los cilindros a los cuales están conectados los extremos del inducido de denominan anillos rozantes o de contacto los cuales giran junto con el inducido.

Unas escobillas van rozando los anillos de contacto para recoger la electricidad producida en la armadura y transportarla al circuito exterior.

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Diagrama del generador eléctrico elemental

En la figura inferior, la espira rectangular gira dentro de un campo magnético, por lo que el flujo del campo a través de esta varía. Se crea entonces una corriente que circula por la espira por lo que  entre los bornes (puntos al en los extremos de la espira) aparece una diferencia de potencial ΔV o f.e.m. (fuerza electromotriz inducida).

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A medida que la espira va pasando de la posicion 0 grados a la pocision 90 grados la espira atravieza mas lineas de fuerza hasta que en la pocision 90 grados corta la maxima cantidad de lineas de fuerza y alcanza la fuerza electromotriz inducida maxima. La f.e.m. inducida en los dos conductores se suma por estar en serie  y el voltaje resultante en las escobillas es esta suma.

La intensidad en el circuito varia de la misma forma que la f.e.m. y es cero en 0 grados. El sentido del voltaje y tension tambien varia con la f.e.m. y es positivo de 0 a 180 grados y negativo de 180 a 0 grados. Una representacion del este sistema se puede ver abajo.

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Para ver de forma mas clara la direccion del movimiento del conductor y del campo magnetico asi como de la corriente que se produce en el voltaje inducido, se utiliza la regla de Fleming o de la mano derecha.

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La onda de voltaje de salida que produce un generado elemental  se llama “voltaje alterno” debido a que alterna periódicamente su polaridad de positivo a negativo. Como el flujo de corriente varia al mismo tiempo que el voltaje también es alterno, a este se le conoce como “corriente alterna”.  

   
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Como ya vimos, un generador elemental solo produce corriente alterna, aunque si bien esta tensión pulsatoria puede considerarse como corriente continua no tiene la suficiente constancia como para hacer funcionar artefactos eléctricos de corriente continua y por lo tanto se debe modificar el generador para que produzca este tipo de corriente, a esto se le conoce como conmutación.

En el generador elemental la corriente en la armadura circula en un sentido durante la mitad de cada revolución y en el otro sentido durante la otra mitad. Para producir corriente en un sentido o continua  se utiliza un conmutador, un anillo de metal partido montado sobre el eje de una armadura. Las dos mitades del anillo se aíslan entre si para que funcionen como bornes de la bobina.

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Las escobillas fijas de metal o de carbón se mantienen  en contacto con el conmutador, que al girar conecta eléctricamente la bobina a los cables externos.

Cuando la armadura gira, cada escobilla entra en contacto de forma alternativa con las mitades del conmutador, cambiando la posición en el momento en el que la corriente invierte su sentido dentro de la bobina de la armadura.

Así se produce un flujo de corriente de un sentido en el circuito exterior, este flujo tiene la forma que se ve en la imagen inferior.

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Esta corriente tiene una onda mucho mas rectificada que la onda producida por el generador básico pero aun así la corriente sigue siendo pulsatoria y aun no es lo suficientemente constante para hacer funcionar aparatos de CC.

Esta se puede linearizar si se agregan mas bobinas de conductor dispuestas en ángulos iguales y dividiendo el anillo para cada bobina de la misma forma descrita arriba, esto hace que la f.e.m producida por una bobina se sume a otra en el momento en el que va terminando el ciclo, la corriente será mas lineal mientras mas bobinas tenga el motor. la suma de las f.e.m. se pueden ver mas claramente en la imagen de la pagina siguiente.

Resultando una corriente parecida a la imagen de abajo que aunque tiene pequeñas pulsaciones ya se considera corriente continua y puede utilizarse para hacer funcionar aparatos que utilizan este tipo de corriente.

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Los generadores modernos de corriente continua utilizan armaduras de tambor, que suelen estar formadas por un gran número de bobinas agrupadas en hendiduras longitudinales dentro del núcleo de la armadura y conectadas a los segmentos adecuados de un conmutador múltiple.

Si una armadura tiene un solo circuito de cable, la corriente que se produce aumentará y disminuirá dependiendo de la parte del campo magnético a través del cual se esté moviendo el circuito.

Un conmutador de varios segmentos usado con una armadura de tambor conecta siempre el circuito externo a uno de cable que se mueve a través de un área de alta intensidad del campo, y como resultado la corriente que suministran las bobinas de la armadura es prácticamente constante.

Los campos de los generadores modernos se equipan con cuatro o más polos electromagnéticos que aumentan el tamaño y la resistencia del campo magnético.

En algunos casos, se añaden interpolos más pequeños para compensar las distorsiones que causa el efecto magnético de la armadura en el flujo eléctrico del campo.

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Generador eléctrico comercial

EXITACION EN GENERADORES

El campo magnético de un generador eléctrico puede ser producido por imanes permanentes o por bobinas de campo. En el caso de una máquina con bobinas de campo, lo normal es que el campo magnético esté creado por bobinas inductoras dispuestas en el estator alrededor de los polos principales, de lo contrario ninguna energía se transfiere a o desde el rotor. El proceso de generación de un campo magnético por medio de una corriente eléctrica se llama excitación.

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