Fundamentos Físicos del Generador de Corriente Alterna y Ley de Faraday
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Generador de corriente alterna
Enunciado (s18): Generador de corrientes alternas sinusoidales (alternador)
El experimento de Oersted demostró que una corriente eléctrica genera un campo magnético. A partir de ahí, surgió el planteamiento contrario: generar una corriente eléctrica a partir de un campo magnético. Este fenómeno quedó demostrado por las experiencias de Faraday, quien dedujo que lo que produce la corriente eléctrica en esos casos es la variación del flujo magnético.
El flujo magnético
El flujo magnético, Φ, a través de una superficie es una medida del número de líneas de inducción que atraviesan dicha superficie, y es igual al producto escalar Φ = B⃗ · S⃗, de modo que:
Φ = B · S · cos α
Donde α es el ángulo entre el vector inducción magnética y el vector superficie. El flujo magnético se mide en webers (Wb) en el SI. Así, para que se produzca una variación de flujo, es necesario que varíe B⃗, S⃗ o α. De acuerdo con las experiencias de Faraday-Henry, la inducción electromagnética se produce por la variación del flujo magnético. Este es el fundamento físico del generador de corriente alterna.
Funcionamiento del alternador
El alternador consiste en una espira plana que se hace girar mecánicamente a una velocidad angular ω constante en un campo magnético uniforme B⃗ creado por imanes permanentes. A medida que la espira gira en el campo, el flujo magnético que la atraviesa varía y, por tanto, se induce una fem en la espira que hace circular una corriente eléctrica en el circuito exterior.
La espira gira con una velocidad angular constante ω. Por tanto, el ángulo θ entre los vectores inducción y superficie puede describirse como θ = ωt. Así, el flujo magnético que atraviesa la espira es:
Φ = B · S · cos(ωt)
Según la ley de Faraday, la fuerza electromotriz inducida es la siguiente, donde ε₀ = B · S · ω es la fuerza electromotriz inducida máxima:
ε = -dΦ / dt = B · S · ω · sen(ωt) = ε₀ · sen(ωt)
Como puede apreciarse, la fem varía en el tiempo de forma sinusoidal. Es decir, es periódica y cambia alternativamente de polaridad. La frecuencia de la fuerza electromotriz inducida coincide con la del movimiento de la espira y viene dada por:
f = ω / 2π