Esta y las siguientes secciones estarán dedicadas a generadores y motores . No me preocuparé, y de hecho no conozco, el diseño de ingeniería o los detalles prácticos de generadores o motores reales, sino solo los principios científicos involucrados. Los “generadores” y “motores” de este capítulo serán conceptos abstractos altamente idealizados que tendrán poca semejanza obvia con las cosas reales. ¿Necesita un estudiante de ingeniería, entonces, prestar atención a esto? Bueno, por supuesto, todos los generadores y motores reales obedecen y están diseñados en torno a estos principios muy científicos, y no funcionarían a menos que sus diseñadores y constructores tuvieran un conocimiento y una comprensión muy claros de los principios básicos.
La varilla que se deslizaba sobre rieles en un campo magnético descrito en la Sección 10.2 era, de hecho, un generador DC (corriente continua). Ahora describo un generador de corriente alterna (corriente alterna).
( text {FIGURA X.5} )
En la figura X.5 tenemos un campo magnético ( textbf {B} ), y dentro del campo tenemos una bobina de área ( textbf {A} ) (sí, el área es un vector) y N gira. La bobina está siendo girada físicamente en sentido antihorario por una agencia externa a una velocidad angular ( omega ) radianes por segundo. No me preocupa quién, qué o cómo se está volviendo físicamente. Por lo que sé, podría ser girado por un hombre pequeño que gira una manivela, o por una turbina de vapor impulsada por una planta de carbón o petróleo, o por un reactor nuclear, o podría ser impulsado por una turbina de agua de una planta generadora hidroeléctrica, o se puede encender haciendo que algo roce contra el borde de la rueda de su bicicleta. Todo lo que me interesa es que se está girando mecánicamente a una velocidad angular ( omega ). A medida que la bobina gira, el flujo a través de ella cambia, y una corriente fluye a través de la bobina en una dirección tal que el momento magnético generado para la bobina está en la dirección indicada para el área ( textbf {A} ) en la Figura X .5, y también indicado por los símbolos ( bigodot text {y} bigotimes ). Esto dará como resultado una oposición a la rotación de la bobina; quien sea o lo que sea que esté causando que la bobina gire experimentará cierta oposición a sus esfuerzos y tendrá que trabajar. También puede deducir la dirección de la corriente inducida considerando la dirección de la fuerza de Lorentz sobre los electrones en el cable de la bobina.
En el instante ilustrado en la Figura X.5, el flujo a través de la bobina es (AB cos θ ), o (AB cos omega t ), si suponemos que (θ = 0 texto {at} t = 0 ). La tasa de cambio de flujo a través de la bobina en este instante es la derivada temporal de esto, o (- AB omega sin omega t ). La magnitud de la EMF inducida es, por lo tanto,
[ label {10.5.1} V = NAB omega sin omega t = hat {V} sin omega t, ]
donde ( hat {V} ) (” (V ) – peak”) es el EMF máximo o máximo, dado por
[ label {10.5.2} hat {V} = NAB omega. ]
¿Te sorprende que el pico EMF sea proporcional a (N )? A (A )? Para (B )? ¿A ( omega )? Verifique que (NAB omega ) tenga las dimensiones correctas para ( hat {V} ).
El pico EMF ocurre cuando el flujo a través de la bobina está cambiando más rápidamente; esto ocurre cuando (θ = 90 ^ circ ), momento en el cual la bobina es horizontal y el flujo a través de ella es cero.
Los cables de la bobina se pueden conectar a un circuito externo a través de un par de anillos colectores a través de los cuales pueden suministrar corriente al circuito.
El diseño físico real de un generador está más allá del alcance de este capítulo y de mi experiencia, aunque todo depende de los principios físicos aquí descritos. En el “diseño” (tal como es) que he descrito, la bobina en la que se induce el EMF es el rotor mientras que el imán es el estator , pero esto no necesita siempre sea así, y de hecho los diseños son perfectamente posibles en los que el imán es el rotor y la bobina el estator. En mi diseño, también, asumí que solo hay una bobina, pero podría haber varias en diferentes planos. Por ejemplo, puede tener tres bobinas cuyos planos forman ángulos de (120 ^ circ ) entre sí. Cada uno genera un voltaje sinusoidal, pero la fase de cada uno difiere en (120 ^ circ ) de las fases de los otros dos. Esto permite la entrega de energía a tres circuitos. En una disposición común, estos tres circuitos no son independientes, pero cada uno está conectado a una línea común. El EMF en esta línea común se compone de tres ondas sinusoidales que difieren en fase por (120 ^ circ ):
[ label {10.5.3} V = hat {V} [ sin omega t + sin ( omega t + 120 ^ circ) + sin ( omega t + 240 ^ circ )]. ]
Hay varias formas de ver cómo es esto. Por ejemplo, podría calcular esta expresión para numerosos valores de (t ) y trazar la función como un gráfico. O podría expandir las expresiones (V = sin ( omega t + 120 ^ circ) ) y (V = sin ( omega t + 240 ^ circ) ), y reunir los diversos términos para ver lo que obtienes (Recomiendo probar esto). O simplemente puede agregar los tres componentes en un diagrama de fase :
( text {FIGURA X.6} )
Entonces resulta obvio que la suma es cero , y esta línea es la línea neutral , siendo las otras tres líneas vivas .