El Generador Eléctrico: Teoría y Práctica

Prof. Mario Signoret Programa MSP21 Universidad Interamericana de Puerto RicoImagen: www.nrc.gov Recinto de Bayamón

Contenido Temático  ¿Qué es la Electricidad?  El Átomo  Partículas subatómicas: Protones, Neutrones y Electrones  El átomo en equilibrio, Iones y cationes  Flujo de electrones, conductores y aisladores  Electricidad estática  Energía química y las baterías  Principios de los generadores eléctricos  Michael Faraday y el electromagnetismo  El Experimento de inducción electromagnética de Faraday  La ley Faraday-Lenz

¿Qué es la Electricidad? • Propiedad fundamental de la materia que se manifiesta por la atracción o repulsión entre sus partes, originada por la existencia de electrones, con carga negativa, o protones, con carga positiva. (Real Academia Española, 2015)

El Átomo • Toda la materia está compuesta de átomos y los átomos están formados por partículas más pequeñas.

• Las tres partículas principales que componen un átomo son: – Protón- Carga Positiva – Neutrón –No tienen carga – Electrón –Carga Negativa Imagen: www.tecnopraves.wikispaces.com

• Hay muchos tipos diferentes de átomos, uno para cada tipo de elemento. Hasta el presente, existen 119 diferentes elementos conocidos.

El Átomo en Equilibrio • Cada átomo tiene un número específico de electrones, protones y neutrones. • En un átomo equilibrado, el número de electrones debe ser igual al número de protones. • Un átomo que pierde electrones, tiene más protones que electrones y se carga positivamente. • Un átomo que gana electrones, tiene más partículas negativas y se carga negativamente. Un átomo "cargado" se llama un “ión”.

Imagen: www.ebah.com.br

Movimiento de Electrones (Electricidad) • Los electrones pueden pasar de un átomo a otro. • Cuando los electrones se mueven entre los átomos, se crea una corriente de electricidad.

Imagen: http://feramos.es.tl

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• Debido a que todos los átomos quieren ser equilibrados, el átomo que ha sido "desequilibrado" buscará un electrón libre para llenar el lugar del que se fue. Decimos que este átomo desequilibrado tiene una "carga positiva" (+) porque tiene demasiados protones. Imagen: http://winking-falcon.com/engineering

Conductores Vs Aisladores •

La electricidad es conducida en diferentes capacidades a través de los distintos tipos de materiales.

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Los conductores son materiales que permiten a los electrones fluir libremente de partícula en partícula. Un objeto hecho de un material conductor permitirá a la carga ser transferida a través de toda la superficie del objeto.

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Los aisladores son materiales que impiden el libre flujo de los electrones de átomo en átomo y de molécula a molécula. Si la carga es transferida a un aislador , en un lugar determinado, la carga se mantendrá en el entorno inicial de carga.

Imagen: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

Electricidad Estática • Electricidad estática es un desequilibrio de cargas eléctricas dentro o sobre la superficie de un material. La carga permanece hasta que sea capaz de liberarse por medio de una descarga eléctrica o corriente eléctrica.

Imagen: http://www.school-for-champions.com/

• Dos materiales en contacto, pueden mover electrones de un material a otro, esto deja un exceso de carga positiva en un material y una carga negativa igual en el otro. Cuando se separan los materiales se retiene este desequilibrio . Imagen: http://www.middleschoolchemistry.com/

Baterías (Energía Química) • Energía química es el potencial de una sustancia de liberar energía tras sufrir una transformación luego de una reacción química . • La Energía absorbida o emitida a partir de una reacción química proviene de romper o hacer enlaces químicos.

Imagen: http://www.doitpoms.ac.uk

• Dentro de la batería, se lleva a cabo una reacción entre las sustancias químicas. Pero la reacción ocurre solamente si hay un flujo de electrones. Imagen: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/

Generador Eléctrico •

Un generador es un dispositivo que convierte energía mecánica en energía eléctrica para su uso en un circuito.

• Los generadores Inducen una fuerza electromotriz (F.E.M.) haciendo girar una bobina en un campo magnético. • Posibles fuentes de energía mecánica incluyen: una turbina de vapor, agua cayendo a través de una turbina, un motor de combustión interna, un aerogenerador, una manivela, aire comprimido o cualquier otra fuente de energía mecánica

Imagen:"Generator-" by Peter Van den Bossche

Imagen: http://www.alanantich.com

Michael Faraday (22 de septiembre de 1791 – 25 de agosto de 1867) •

Fue un científico inglés que contribuyó a los campos de electromagnetismo y la electroquímica.

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Sus principales descubrimientos incluyen los de electrólisis, diamagnetismo e inducción electromagnética.

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Ley de Faraday de inducción electromagnética. –

Esta ley explica el principio de funcionamiento de la mayoría de los motores eléctricos, generadores, transformadores eléctricos y bobinas.

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La ley Faraday muestra la relación entre un circuito eléctrico y un campo magnético.

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Para llegar a su conclusión Faraday realizo un experimento con un imán y una bobina. Durante este experimento, encontró cómo la “FEM”: es inducida en la bobina como consecuencia de los cambios en el flujo magnético

Imagen: Thomas Phillips, 1842

Experimento de Inducción Electromagnética de Faraday •

El experimento requiere : un imán y una bobina con un galvanómetro conectado en los extremos.

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Cuando el imán está en reposo, no hay ninguna desviación en el galvanómetro. La aguja del galvanómetro está en el centro o posición cero.

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Cuando el imán se mueve hacia la bobina, la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección. Cuando el imán se mantiene estacionario en esa posición, la aguja del galvanómetro vuelve a cero.

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Ahora , cuando el imán se mueve lejos de la bobina,(trayectoria contraria) se experimenta una desviación en la aguja, pero en dirección opuesta. Cuando el imán para su movimiento con respecto a la bobina, la aguja del galvanómetro vuelve a la posición cero.

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Del mismo modo, si el imán se mantiene estacionario y la bobina se mueve hacia el imán, el galvanómetro muestra desviación de manera similar.

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También se observa que, mientras más rápido es el cambio en el campo magnético, mayor es la FEM inducida en la bobina.

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Conclusión: Faraday llegó a la conclusión de que cuando hay movimiento relativo entre el conductor y un campo magnético, la interacción del cambio en campo magnético con la bobina induce un voltaje en la bobina.

Fuente: www.electrical4u.com

Ley de Inducción de Faraday •

Experimentos de Faraday demostraron que la FEM inducida por un cambio en el flujo magnético depende de sólo unos pocos factores: – d ΦB = Cambio en fuerza del flujo magnético (BxA) – N= número de vueltas en la bovina – Dt= tiempo en el que ocurre el cambio en el flujo magnético

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En primer lugar, la FEM es directamente proporcional al cambio de fuerza en el flujo magnético ΔΦB.

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En segundo lugar, la FEM es mayor cuando el cambio en el tiempo Δt es más pequeño- (es inversamente proporcional )

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Por último, si una bobina tiene N vueltas, se producirá una FEM que es N veces mayor -( N es un multiplicador)

Ley Faraday-Parte 1: Efecto Angular del Flujo Magnético

Ley Faraday – Parte 2: Calcular el Voltaje Inducido

Dirección de la Corriente Eléctrica

Imagen: www.macao.communications .museum.

Imagen: www.train. Army. Mil

¿Alguna Pregunta?

!Vamos a la Práctica!

Construcción del Rotor

1. Corte las esquinas del cartón (triangulo aprox. ½’’) para formar los cojines de los imanes. Figura 1 2. Coloque estos sobre una cinta adhesiva a ambos lados del eje (palito de pincho) Figura 2 3. Coloque el imán sobre la cinta adhesiva. Figura 3

Construcción del Rotor

1. Coloque los imanes en el lado opuesto del eje. Figura 1 2. Cubra con cinta adhesiva ambos lados del rotor. Figura 2 3. Mida el diámetro y el perfil del rotor. Figura 3

Construcción de la estructura 1.5’’

1’’

1’’

1’’

3’’

Construcción de la estructura

1. Haga un corte leve sobre las líneas solidas longitudinales. (asegúrese de no traspasar el material) Figura 2 2. Luego haga un leve corte sobre la línea entrecortada horizontal. (asegúrese de no traspasar el material) Figura 3 3. *NOTA: La línea entrecortada debe estar en la cara opuesta del cartón con relación a las líneas longitudinales

Construcción de la estructura

1. Doble el cartón por los cortes. Figura 1 2. Entrelace las dos mitades de la carcasa de manera alternada. Figura 2 3. Pegue uno de los extremos entrelazados de ambas mitades. Figura 3

Ensamblaje del generador

1. Haga un agujero en el centro de la cara de la carcasa donde se entrelazan las mitades. Figura 1 2. Luego haga lo mismo en la cara opuesta. Figura 2. (asegúrese que los extremos estén correctamente entrelazados. 3. Inserte el eje a través del agujero y deslice el imán hacia el extremo opuesto del eje. Figura 3

Ensamblaje del generador

1. Inserte el eje a través de los dos agujeros de la carcasa. Cierre y pegue el extremo abierto de la carcasa. Figura 1 2. Utilice cinta adhesiva para asegurar las uniones. Figura 2 3. Corte uno de los dobleces repetidos (dobles) en la parte inferior de la carcasa. Figura 3

Ensamblaje del generador 1. Aplique pega a los pliegues inferiores de la carcasa. Figura 1 2. Corte un pedazo de cartón con dimisiones 6’’ x 5’’. 3. Pegue la carcasa sobre el cartón. Figura 2

Embobinado del Generador 1. Extienda del carrete de cobre unas 12 a 18’’. Con cinta adhesiva pegue a la carcasa el extremo mas cercano al carrete. Figura 1 2. Con mucho cuidado, embobine alrededor de la carcasa el cable de cobre. Unas 300 vueltas serán suficiente. Figura 2 3. NOTA: No debe extenderse mas de ½ pulgada hacia ambos extremos del eje. También debe tener cuidado de no restringir el movimiento del mismo.

Construcción de la Turbina

1. Utilizando una superficie redonda, trace dos círculos sobre una cartulina. Figura 1 2. Luego corte los círculos. Figura 2 3. Pegue ambas mitades. Figura 3

Construcción de la turbina

1. Marque una línea cada 45 grados de rotación. Figura 1 2. Recorte y pegue los palitos sobre las líneas trazadas. Figura 2 3. Asegúrese que todos los palitos convergen perfectamente en el vértice y que este corresponde al centro del círculo. Figura 3

Construcción de la base y guías de rotación

1. Corte un pedazo de cartulina por lo menos de 18’’ x18’’. Luego haga una ranura a uno de sus extremo que supere el diámetro y perfil de la turbina. Figura 1 2. Mida la distancia del eje y su base en el generador. Corte unos palitos a esa distancia y haga una pequeña hendidura en el borde superior. Figura 2. 3. Luego pegue las guía de rotación a ambos lados de la ranura de rotación de la turbina. Figura 3

Ensamblaje Final 1. Pase el eje por el centro de a turbina. Asegúrese de pegar bien el eje y sus aspas. 2. Coloque el eje sobre las guías de rotación y haga los ajustes necesarios para asegurar que la turbina rote libremente. 3. Luego pegue la base del generador a la base de la maqueta.