Motores y generadores

Un cable de 5 cm por el que circulan 20 A, colocado transversalmente en un campo de 1.5 T, recibe una fuerza de 1.5 N; aplica esa idea a una espira que gire y tendrás un motor.

Un campo magnético ejerce fuerza sobre una corriente

La unidad 4 mostró que una corriente produce un campo magnético. En cierto sentido, también ocurre lo contrario: un campo magnético ejerce fuerza sobre una corriente. La fuerza sobre un cable recto de longitud l por el que circula una corriente I en un campo uniforme B es F = I l B sin θ, donde θ es el ángulo entre el cable y el campo. La fuerza es máxima cuando el cable es perpendicular al campo y cero cuando es paralelo. Su dirección es perpendicular tanto al cable como al campo; la regla de la mano derecha 1 de OpenStax indica su sentido.

OpenStax resuelve un ejemplo con un campo intenso: B = 1.50 T, un cable de 5.00 cm de largo y una corriente de 20.0 A. Como sin 90° = 1, F = 20.0 × 0.0500 × 1.50 = 1.50 N, aproximadamente el peso de una manzana de 150 g. Es una fuerza apreciable sobre un trozo corto de cable. También muestra de dónde viene el tesla: 1 T es el campo en el que 1 A que circula por 1 m de cable experimenta 1 N.

De una fuerza a un giro: el motor eléctrico

Coloca una espira rectangular de cable entre los polos de un imán y haz circular corriente por ella. En un lado, la corriente va en un sentido y en el opuesto, en el contrario, de modo que ambos reciben fuerzas opuestas. La espira gira. Si nada cambiara, oscilaría hasta detenerse orientada con el campo, por lo que un motor invierte la corriente cada media vuelta. En un motor de corriente continua, un conmutador de anillo partido y las escobillas hacen esa tarea, y la espira sigue girando en el mismo sentido mientras circula corriente. El efecto de giro aumenta con el número de espiras: OpenStax calcula que una bobina cuadrada de 100 espiras y 10.0 cm de lado, con 15.0 A en un campo de 2.00 T, experimenta un torque máximo de 30.0 N·m, suficiente para resultar útil en un motor. La tabla de eficiencias de OpenStax atribuye a los motores eléctricos alrededor del 98 por ciento, muy por encima de los motores que queman combustible.

Convertir el movimiento de nuevo en electricidad

Si una corriente en un campo puede producir movimiento, ¿puede el movimiento en un campo producir corriente? Michael Faraday dedicó años a esta pregunta. El 29 de agosto de 1831, en su laboratorio del sótano de la Royal Institution de Londres, enrolló dos bobinas en lados opuestos de un anillo de hierro. Al conectar una pila a una bobina, una aguja conectada a la otra se desvió un instante y después se estabilizó. Al desconectar la pila, se desvió en sentido contrario. Una corriente constante en la primera bobina no producía ningún efecto en la segunda; solo lo hacía un cambio. La Royal Institution, que aún conserva el anillo, lo describe como el primer transformador eléctrico.

Esto es la inducción electromagnética: un campo magnético variable que atraviesa una bobina produce un voltaje llamado fem inducida. Introduce un imán de barra en una bobina y el medidor conectado a ella se desviará en un sentido; retíralo y se desviará en el contrario; mantenlo quieto y marcará cero. Si lo mueves más rápido, la lectura aumenta. OpenStax define la magnitud clave como flujo magnético, Φ = B A cos θ: el campo multiplicado por el área de la espira que atraviesa. Cualquier cambio de flujo induce una fem, ya sea porque cambia el campo, cambia el área o gira la espira.

Un generador convierte este principio en una máquina. Una bobina gira entre imanes, por lo que el ángulo θ y, por tanto, el flujo cambian continuamente, y aparece un voltaje alterno entre sus extremos. Un generador se construye casi igual que un motor: en el motor, la energía eléctrica se convierte en rotación; en el generador, la rotación se convierte en energía eléctrica. Las turbinas movidas por vapor, agua que cae o viento hacen girar los generadores que suministran la mayor parte de la electricidad de nuestros hogares.