Generador de corriente alterna

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Generador de corriente alternaEl generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energa mecnica en energa elctrica. El generador ms simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magntico uniforme. El movimiento de rotacin de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroelctrica, o por un chorro de vapor en una central trmica. En el primer caso, una parte de la energa potencial agua embalsada se transforma en energa elctrica; en el segundo caso, una parte de la energa qumica se transforma en energa elctrica al quemar carbn u otro combustible fsil.Cuando la espira gira, el flujo del campo magntico a travs de la espira cambia con el tiempo. Se produce una fem. Los extremos de la espira se conectan a dos anillos que giran con la espira, tal como se ve en la figura. Las conexiones al circuito externo se hacen mediante escobillas estacionarias en contacto con los anillos.Si conectamos una bombilla al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescente, y emite tanta ms luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magntico.

Con este ejemplo, completamos las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magntico a travs de una espira, =BS, como producto escalar de dos vectores, el vector campo B y el vector superficie S. Cuando el campo cambia con el tiempo. Cuando el rea de la espira cambia con el tiempo. Cuando el ngulo entre el vector campo B y el vector superficie S cambia con el tiempo. Situacin que se discute en esta pgina.Ley de Faraday y ley de Lenz

Supongamos que la espira gira con velocidad angular constante . Al cabo de un cierto tiempo t el ngulo que forma el campo magntico y la perpendicular al plano de la espira es t. El flujo del campo magntico B a travs de una espira de rea S es =BS=BScos( t)La fem en la espira es

La fem V vara sinusoidalmente con el tiempo, como se muestra en la figura. La fem alcanza su valor mximo en valor absoluto cuando t=/2 3/2, cuando el flujo es mnimo (el campo magntico est en el plano de la espira), y es nula cuando t=0 , cuando el flujo es mximo (el campo magntico es perpendicular al plano de la espira).

Sentido de la corriente inducidaAplicando la ley de Lenz podemos determinar el sentido de la corriente inducida. El sentido viene determinado por el movimiento de portadores de cargas positivos representados por puntos rojos. Fuerza sobre los portadores de carga El sentido de la corriente inducida lo podemos determinar a partir de la fuerza sobre un portador de carga positivo imaginariamente situado en el lado a de la espira. Como ya hemos estudiado la fuerza fm que ejerce un campo magntico B sobre un portador de carga positivo que se mueve con velocidad v es el producto vectorial

En la figura, se ha dibujado el vector velocidad cuyo mdulo es v=b/2. y el vector campo B en la posicin que ocupa un portador de carga positivo representado por un punto de color rojo.

Como v y B forman el ngulo t, el mdulo de la fuerza es fm=q (b/2)Bsen( t). El campo En =fm/q que impulsa las cargas (fuerza por unidad de carga positiva) es En= (b/2)Bsen( t)La fem V es

Como puede verse en la figura, En es paralelo a los lados de longitud a de la espira, pero es perpendicular a los lados de longitud b y por tanto, el producto escalar Endl en estos dos lados es nulo.El sentido de la corriente inducida es el mismo que el sentido de fm o de En (fuerza sobre la unidad de carga positiva).Hemos obtenido la fem y el sentido de la corriente inducida por dos procedimientos distintos. La ley de Faraday para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la corriente inducida. Y La fuerza sobre los portadores de carga positivos situados en la espira.

CONCEPTO CORRIENTE ALTERNALas mquinas de corriente alternadas fueron utilizadas posteriormente a las de continua. La tcnica fue dirigida hacia la obtencin de corriente continua, para lo que se enderez la corriente inducida en las espiras mediante el colector o conmutador. Con el progreso de la ciencia se aportaron nuevas ideas de utilizacin de la corriente alternada, sus ventajas en la economa del transporte y en el costo de generadores y motores.El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energa mecnica en energa elctrica. El generador ms simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magntico uniforme.Un generador producir una corriente elctrica que cambia de direccin a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisin de potencia elctrica, por lo que la mayora de los generadores elctricos son de este tipo. En su forma ms simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en slo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura estn sacados a los anillos colectores slidos sin segmentos del rbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua ms que con el generador en s. Los generadores de corriente alterna de baja velocidad se fabrican con hasta 100 polos, para mejorar su eficiencia y para lograr con ms facilidad la frecuencia deseada. Los alternadores accionados por turbinas de alta velocidad, son a menudo mquinas de dos polos. A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras giratorias no son prcticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallas mecnicas que podran causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un nmero de imanes de campo.PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO

El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de induccin de voltaje en un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magntico. Este generador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magntico y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las lneas de fuerza de dicho campo. Los mismos funcionan colocando una espira dentro de un campo magntico y se la hace girar, sus dos lados cortarn las lneas de fuerzas del campo, inducindose una fem, esta verificada en los extremos del conductor que forma la espira. La fem inducida es de carcter alternado. Cerrando el circuito esta fem da origen a una corriente elctrica, tambin alternada. Si conectamos una lmpara al generador veremos que por el filamento de la bombilla circula una corriente que hace que se ponga incandescente, y emite tanta ms luz cuanto mayor sea la velocidad con que gira la espira en el campo magntico.

El inductor est constituido por el rotor R, dotado de cuatro piezas magnticas, las que para simplificar son imanes permanentes, cuya polaridad se indica, y el inducido o estator con bobinas de alambre arrolladas en las zapatas polares.Las cuatro bobinas a-b, c-d, e-f y g-h, arrolladas sobre piezas de una aleacin ferromagntica, se magnetizan bajo la accin de los imanes del inductor. Dado que el inductor est girando, el campo magntico que acta sobre las cuatro zapatas cambia de sentido cuando el rotor gira 90 (se cambia de polo N a polo S), y su intensidad pasa de un mximo, cuando estn las piezas enfrentadas, a un mnimo cuando los polos N y S estn equidistantes de las piezas de hierro.Son estas variaciones de sentido y de intensidad del campo magntico las que inducirn en las cuatro bobinas una diferencia de potencial (voltaje) que cambia de valor y de polaridad siguiendo el ritmo del campo.La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales A-B se obtiene multiplicando el nmero de vueltas por segundo del inductor por el nmero de pares de polos del inducido (en este caso 2), y el voltaje generado depender de la fuerza de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de alambre de las bobinas y de la velocidad de rotacin.

La corriente que se genera mediante los alternadores descriptos, aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que est diseada la mquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofsica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90 una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirn dos ondas de corriente, una de las cuales estar en su mximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifsica. Si se agrupan tres bobinas de armadura en ngulos de 120, se producir corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifsica.Siendo lo mismo girar la espira o a los campos, ser mejor girar aquella parte que conduzca menor corriente porque los contactos deslizantes debern dejar paso a corrientes ms pequeas. Esto se hace con los alternadores y motores reversibles.

Como la fem es proporcional a las variaciones del flujo magntico y al nmero de espiras estos alternadores suelen llevar una bobina con muchas espiras.La ley de Faraday se utiliza para obtener la fem y la ley de Lenz para determinar el sentido de la corriente inducida.

Ley de Faraday

La Ley de Faraday establece que la corriente inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magntico que lo atraviesaLa induccin electromagntica fue descubierta en 1830. La induccin electromagntica es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador elctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.

Es decir, la fem es inducida en un circuito cuando el flujo magntico a travs de un circuito vara en el tiempo.

Ley de LenzLa Ley de Lenz nos