En el capítulo anterior vimos que un campo magnético ejerce una fuerza lateral sobre los electrones que se mueven sobre un cable. Y esa fuerza se transmite al cable, ya que los electrones no pueden salir de él. De esta forma, estudiaremos el comportamiento de un hilo conductor que está conduciendo una corriente eléctrica y se encuentra bajo la influencia de un campo magnético.

    por Corriente Eléctrica

La observación de Ampère sobre las fuerzas magnéticas entre hilos conductores atravessados por corriente eléctrica, nos lleva a un estudio más analítico de este fenómeno. Como primer paso, encontraremos la fuerza ejercida por un campo magnético uniforme sobre un hilo conductor recto a través del cual fluye una corriente eléctrica I. Para mayor claridad, analizaremos dos casos diferentes: primero, cuando el campo y la corriente tienen la misma dirección y sentido; segundo, cuando la corriente y el campo son ortogonales entre sí.

En la Figura 76-01 vemos la representación de las dos situaciones mencionadas anteriormente. Según la regla de la mano derecha , cada carga de la corriente eléctrica experimenta una fuerza de módulo igual a q v B, dirigida hacia la izquierda. En consecuencia, toda la longitud del cable dentro del campo magnético experimenta una fuerza orientada hacia la izquierda que es simultáneamente perpendicular a la dirección del campo y la dirección de la corriente.

Si, en la Figura 76-01, invertimos la dirección del campo magnético B o, el sentido de la corriente eléctrica, la fuerza ejercida sobre el cable cambiará de dirección y se dirigirá hacia la derecha.

Note la diferencia entre la fuerza eléctrica y la fuerza magnética: la fuerza eléctrica es siempre paralelo al campo eléctrico, mientras que la fuerza magnética es siempre ortogonal al campo magnético.

Si queremos determinar el módulo de la fuerza, debemos relacionar la corriente I en el cable conductor con la carga q que lo atraviesa. Supongamos un segmento del hilo conductor, de longitud L, por el que circula una corriente I. Definimos esta corriente como la relación entre la cantidad de carga q que se mueve en este segmento y el tiempo Δt transcurrido durante el trayecto a través del segmento. Vea la Figura 76-02.

Obviamente, el tiempo transcurrido viene dado por Δt = L / v . Usando esa relación y sabiendo que q = I Δt, fácilmente concluimos que:

Podemos definir el vector L^→ que tiene la orientación de v^→, con módulo L. Así que obtengamos la siguiente relación: I L^→ = q v^→. Sustituyendo esta relación en eq. 74-01 encontramos la fuerza, en su forma vectorial, que experimenta un hilo conductor cuando está bajo la acción de un campo magnético, es decir:

Podemos escribir la eq. 76-02 en forma escalar, considerando θ como el ángulo entre los vectores L^→ y B^→, obedecer la regla de la mano derecha.

En sus experimentos, Ampère hizo un arreglo con dos alambres paralelos, a y b, que pasaban a través de corrientes eléctricas, que llamaremos I_a y I_b, como se muestra en Figura 76-03 . Para nuestro análisis, consideraremos dos situaciones: las corrientes fluyen en el mismo sentido o las corrientes fluyen en senidos opuestos.

Supongamos que los cables conductores están separados por una distancia d entre sí. Además, considere una longitud L de ellos. Comencemos asumiendo que las dos corrientes fluyen en la misma dirección, como se muestra en la Figura 76-03 . Tenga en cuenta que la corriente I_a, que fluye a través del cable a, produce un campo magnético en la posición donde el cable b, mirando hacia abajo, según la regla de la mano derecha.

Este campo magnético, B_a^→ generado por I_a, produce una fuerza de atracción en el cable b representado por F_ab^→ en la figura anterior. Dado que los dos cables están en paralelo, el campo magnético generado por el cable a ciertamente será constante a lo largo de toda la longitud del cable b. Con eso, podemos partir de la ecuación que permite calcular el campo magnético generado por un cable muy largo y, como estudiamos en el capítulo 74, la eq. 74-17 proporciona:

Si trabajamos en forma escalar, podemos usar la eq. 76-03, estudiado en el ítem anterior, recordando que θ = 90° y por tanto sen 90° = 1 . De esta forma, sustituyendo los valores respectivos y considerando el campo producido por el alambre a, la fuerza de atracción vendrá dada por:

Si trabajamos en forma vectorial, debemos dar a los ejes orientaciones adecuadas respecto a la Figura 76-03.

En la Figura 76-04 vemos cómo se orientaron los ejes. Tenga en cuenta que el eje x está en la dirección de la fuerza. El eje y está en la dirección de la longitud del cable, mientras que el eje z está en la dirección del campo magnético. Para determinar la fuerza F_ab usaremos eq. 76-02, estudiado en el ítem anterior. Nota que esta ecuación requiere el producto cruzado entre el vector L^→ y el vector B_a^→.

Reescribamos la eq. 76-02, adaptándolo al caso que estamos analizando y haciendo que la nomenclatura sea compatible con Figura 76-04. Así:

De acuerdo con la Figura 76-04, es importante notar que las corrientes apuntan en la dirección positiva del eje y. A su vez, el campo magnético apunta en la dirección negativa del eje z. Entonces, colocando las señales correctamente en el producto cruzado, obtenemos:

Observe que reemplazamos el vector B_a como el producto entre su módulo y el versor k. Dado que el campo apunta en la dirección negativa del eje z, utilizamos el versor - k. Para el caso del vector L también usamos el producto entre su módulo y el versor J. Por otro lado, sabemos que el producto cruzado entre el j y k es igual a j x k = i. En base a este resultado, podemos escribir el producto que nos interesa, o j x (- k) = - i . Luego, pudimos determinar la fuerza magnética que el cable a ejerce sobre el cable b, en módulo, dirección y sentido, es decir:

Nota el signo negativo en eq. 76-07 indica que la fuerza apunta en la dirección negativa del eje x y es una fuerza de atracción. Cabe mencionar que si invertimos la dirección de una de las corrientes, la fuerza estará apuntando en la dirección positiva del eje x, lo que indica que hay una fuerza de repulsión entre los cables conductores.

Ya hemos utilizado el concepto de fuerza magnética para describir el comportamiento de algún tipo de conductor, conductor que está cubierto por una corriente eléctrica cuando se sumerge en un campo magnético. Ahora, estudiemos el concepto de par, también conocido como momento, que se produce cuando se aplica una fuerza a cuerpos que pueden girar alrededor de algún punto.

Torque es la acción de girar o torcer con una fuerza, F. Cuando aplicamos fuerza a un objeto, con alguna herramienta, para hacer que el objeto gire, estamos aplicando un torque.

La unidad del torque en SI es el newton . metro. Sin embargo, tenga en cuenta que en SIel trabajo también tiene newton.metro como unidad, que equivale a 1 joule. Pero el torque nunca se puede expresar en joule. El torque está representado por la letra griega "tau", τ.

El torque puede considerarse positivo o negativo. Será positivo si el cuerpo gira en sentido antihorario al aplicar fuerza. Y será negativo si el cuerpo gira en sentido horario al aplicar fuerza.

En la Figura 76-05 vemos tres discos fijos en su centro C, con libertad para rotar alrededor de su eje. Nota que en el dibujo de la izquierda, la fuerza se aplica exactamente en la línea que pasa por el centro del disco. Esta fuerza no provocará un movimiento de rotación.

Sin embargo, en el dibujo del centro vemos que la fuerza se aplica al disco de tal manera que su línea de acción pasa a la izquierda del eje de rotación. Esto hará que el disco tenga tendencia a girar en el sentido de las agujas del reloj. Esto es posible porque creamos un torque, es decir, la acción de hacer girar el disco. Asimismo, en el dibujo de la derecha de Figura76-05 , la fuerza se aplica al disco de tal manera que su línea de acción pasa a la derecha del eje de rotación. En este caso, el disco tendrá tendencia a girar en sentido antihorario.

El torque o momento de fuerza de un objeto se define como el producto de la fuerza aplicada al objeto por la distancia más corta entre la línea de acción de la fuerza y ​​el eje de rotación del objeto. En la Figura 76-06 mostramos cómo una fuerza aplicada al disco se desplaza a la derecha de la línea de acción que pasa por el eje de rotación. El torque generado hará que el disco gire en sentido antihorario . Observe que el ángulo θ se define como el ángulo entre la línea de acción de la fuerza y ​​la línea de la extensión del radio del disco.

Así, la distancia d desde el punto de aplicación de la fuerza en relación con el eje de rotación del disco viene dada por d = r sen (180° - θ) = r sen θ, utilizando las propiedades de la trigonometría. Considerando r un vector que apunta desde el eje de rotación al punto de aplicación de la fuerza y F como la fuerza aplicada, entonces el torque se puede expresar por

Recordemos que el producto vectorial obedece a la convención dextrógira, es decir, la regla de la mano derecha. Entonces, en referencia a la Figura 79-06, el torque en sentido antihorario apunta hacia arriba, dejando la página, mientras que el torque horario apunta hacia abajo, entrando en la página.

Cabe señalar que el componente F sen θ en la eq. 76-09, representa la componente de la fuerza F en la dirección perpendicular al vector de posición r. En otras palabras, la fuerza de torsión también se puede interpretar como el producto de la distancia desde el punto de aplicación al origen, r, por la componente perpendicular de la fuerza. El par producido por la fuerza se debe únicamente a la componente perpendicular de la fuerza.

Hay un caso particular de fuerzas que actúan sobre un punto. Consiste en un par de fuerzas F^→ y - F^→, iguales y opuestos, con líneas de acción paralelas, como se muestra en la Figura 76-07 . Estas fuerzas se denominan binarias y no tienen la capacidad de producir traducción, solo rotación . Tenga en cuenta que para determinar el par debemos usar el hecho de que r = r_PQ sen θ . Con eso, volvemos a caer en la eq. 76-08.

La relación entre el par y la aceleración viene dada por la ley de rotación de Newton, que se puede describir mediante la eq. 76-10

En el movimiento rectilíneo, el trabajo se define como el producto de una fuerza aplicada que recorre una cierta distancia. En el movimiento de rotación, el trabajo se define como el producto de un momento de inércia, J, aplicado por un cierto ángulo, θ . Considerando el torque constante, el trabajo se puede describir por

Si el torque no es constante con la variación del ángulo, entonces debemos integrarlo en relación al ángulo.

Por otro lado, la potencia es la tasa de producción de trabajo o el aumento de trabajo por unidad de tiempo. Según esta definición, la potencia viene dado por

En general, la unidad de medida de la potencia es joule por segundo o, que es equivalente, vatios. Pero también se pueden utilizar 1 HP = 746 vatios  o  1 CV = 735 vatios.

Basado en la eq. 76-12 , y asumiendo un torque constante podemos determinar la potencia en un sistema con movimiento de rotación dado por

Esta ecuación (eq. 76-13) será la relación correcta entre potencia, torque y velocidad angular si la potencia se mide en vatios, el torque en newton-metro y la velocidad angular en radianes por segundo.

Cabe señalar que la eq. 76-13 es muy importante en el estudio de máquinas eléctricas, ya que puede describir la potencia mecánica en el eje de un motor o generador.

En los ítems anteriores estudiamos qué se entiende por torque, aceleración en rotación, etc ... y ahora vamos a aplicar estos conceptos para calcular el torque o momento de fuerza que sufre una espira cuando una corriente eléctrica, I, circula por él y está bajo la acción de un campo magnético uniforme, B. En la Figura 76-08 presentamos una representación esquemática de un sistema que nos ayudará a comprender su funcionamiento.

Nota que se está utilizando un sistema de imanes permanentes para producir un campo magnético uniforme. Una corriente eléctrica I circula en sentido contrario a las agujas del reloj. La espiral, de forma rectangular, cuyo lado mayor está representado por a y el lado menor por b, tiene una area dada por el producto de las dimensiones de sus lados, es decir, A = a . b

En el medio del lado más pequeño, hay dos soportes que mantienen la espira en su lugar. Aplicando la regla de la mano derecha, notamos que la fuerza resultante, F, en el lado del bucle cerca del polo norte del imán, apunta hacia arriba, como se muestra en la figura. Y hacia el lado del bucle cerca del polo sur del imán, la fuerza - F apunta hacia abajo. Con estas dos fuerzas, tenemos como resultado un momento de fuerzas que se aplican al bucle y, como resultado, obtenemos un torque que hará que gire en el sentido de las agujas del reloj. Se trata de un análisis cualitativo que permite comprender cómo se procesan los fenómenos electromagnéticos involucrados en este dispositivo. Ahora, hagamos un análisis cuantitativo del sistema.

Para comenzar, expliquemos por qué no aparecen fuerzas en los lados más pequeños del ciclo. Debemos notar que los lados más pequeños del bucle, como se muestra en Figura 76-08, son paralelos a las líneas de fuerza en el campo magnético. Entonces, el ángulo entre el vector L^→ y el vector B^→o haga 0°, o 180° y, en estos dos casos, el seno de estos ángulos es igual a cero y, informando a eq. 76-02, concluimos que la fuerza resultante es nula. Cuando el bucle gira desde un ángulo θ, aparecerán fuerzas en los lados más pequeños del bucle, pero serán del mismo módulo y sentidos opuestos. Como las dos fuerzas actúan en la misma línea (el eje de rotación del bucle), se cancelan entre sí y no hay contribución al par.

Por otro lado, en los lados más grandes del bucle hay dos fuerzas del mismo módulo y dirección, pero en sentidos opuestos. Además, las dos fuerzas no actúan en la misma línea, haciendo que aparezca el binario (estudiado en 4.1.1). Este par hace que un torque actúe sobre el bucle que hará que el bucle gire en sentido horario. Sabemos que el módulo de fuerza en el lado a del bucle viene dado por F = I a B. Para calcular el torque, debemos encontrar la distancia desde el lado del bucle hasta el eje de rotación del mismo. En la posición donde está el bucle en Figura 76-08, la distancia es simplemente b/2. Pero debemos tener en cuenta que el bucle gira y, por lo tanto, debemos considerar la contribución de este lado en función del ángulo, θ, al girar. Por lo tanto, la contribución debe escribirse como (b/2) senθ . De esa manera podemos escribir el par relativo a la fuerza F, como

Este cálculo consideró solo la fuerza F. Sin embargo, debemos agregar la contribución de la fuerza - F. En módulo, los dos valores son iguales. Por lo tanto, agregando b/2 + b/2 = b y la ecuación final mostrará el producto en ambos lados del ciclo (a. b), que es exactamente el área del bucle. Entonces podemos escribir el torque total en el bucle como

Además, tenga en cuenta que este cálculo se realizó considerando que el bucle se construyó con un solo bucle de cable conductor. Por supuesto, para fines prácticos siempre usamos más de un bucle para formar lo que llamamos la bobina. Por lo tanto, cuando usamos N vueltas, simplemente multiplique el valor de eq. 76-15 por el número de vueltas de la bobina, o simplemente

El producto N I A se denomina momento magnético de la bobina y siempre es perpendicular al plano formado por el área de la bobina. Representamos el momento magnético por μ y su unidad de medida es el amperio metro cuadrado. Entonces, eq.76-16 se puede escribir como

Observe que, de nuevo, esta ecuación se puede escribir en forma de un producto cruzado, como podemos ver en eq.76-18.

En algunas aplicaciones prácticas es interesante tener la posibilidad de controlar el campo magnético de un imán. Por ejemplo, hacer que el campo varíe de cero a un valor determinado. Usar imanes permanentes es una tarea ardua. Sin embargo, a partir del aprendizaje del electromagnetismo, surge la idea de construir el llamado electroimán.

¿Qué es un electroimán?

En la Figura 76-09 vemos la figura de un electroimán, que como ves son unas espirales enrolladas alrededor de un material ferromagnético. Este material, al tener una permeabilidad magnética de 2.000 a 6.000 veces la permeabilidad magnética del aire, nos permite crear un campo magnético muy intenso y con su magnitud controlada, a través del valor de la corriente eléctrica, I, que pasa por el solenoide. De esta forma, es posible encender y apagar el campo magnético con una llave.

Naturalmente, existe la necesidad de una fuente de energía para alimentar el electroimán, como se muestra en la figura anterior. Y así, con esta técnica es posible construir una inmensa variedad de equipos eléctricos. Como ejemplo, podemos mencionar los relés, que son muy utilizados en los automóviles para controlar las más variadas funciones, como encender y apagar faros, limpiaparabrisas, flecha de dirección, señalización, aire acondicionado, etc.

En la Figura 76-10, a la izquierda, mostramos el diseño interno de un relé. Tenga en cuenta que los terminales B1 y B2 son los terminales que dan acceso al devanado del solenoide que forma el relé. El terminal identificado con el número 3 es el terminal donde se conecta el contacto móvil, resaltado en rojo en la figura. Tenga en cuenta que al no aplicar ningún voltaje de comando al relé, a través de los terminales B1 y B2, el contacto fijo 1 se conecta al terminal móvil 3, mediante armadura fija. Cuando se aplica un voltaje de control a los terminales B1 y B2, el solenoide se energizará y el contacto móvil será atraído por el solenoide. Como resultado, tendremos el contacto móvil rompiendo la conexión con el contacto fijo 1 y quedando conectado al contacto fijo 2. Para volver a la situación anterior, simplemente retire el voltaje de los terminales B1 y B2 y la fuerza de atracción del solenoide cesará. Como resultado, el resorte de reinicio cambia la forma de la conexión entre los contactos 1 y 3.

Los generadores de electricidad son muy habituales en nuestra vida diaria. Los hay que se ubican en centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleares, etc ... Son generadores de alta potencia cuya finalidad es suministrar energía a las grandes ciudades. Por lo general, estos generadores son del tipo corriente alterna. Su uso también es muy común en vehículos de motor para suministrar energía al vehículo. Naturalmente, los vehículos de motor utilizan corriente continua, basada en una batería. Por tanto, para poder utilizar este tipo de generador en vehículos, debemos rectificar la tensión alterna y transformarla en corriente continua. En los capítulos 62, 63 se estudió cómo hacer esto. En la literatura técnica, cuando se trata de utilizar generadores de CA en vehículos de motor, se denominan alternadores .

Otro tipo de generador es el que proporciona corriente continua en su salida. Este tipo de generador se ha utilizado mucho en el pasado y se le ha denominado dynamo. Los estudiaremos por separado.

El principio básico de un generador de energía se basa en el hecho de que un hilo conductor que se mueve bajo la influencia de un campo magnético, desarrolla una tensión inducida en sus extremos como ya se ha estudiado. En la Figura 76-11 presentamos un esquema básico de un generador basado en este principio. Aquí el alambre toma una forma geométrica rectangular, con lados representados por a y b, su área está dada por A = a . b.

Para que el generador funcione debe girar bajo la acción de una fuerza externa, por ejemplo, una hélice acoplada al eje que gira bajo la acción del viento, un motor de explosión o cualquier otro dispositivo. El lazo se conecta al entorno externo a través de un dispositivo formado por un par de escobillas y un conmutador. A las escobillas están conectadas a los cables conductores que conducirán la energía a la carga, esto no se muestra en la figura.

Nota que la función del interruptor es mantener la misma polaridad que el voltaje inducido en la carga. En la Figura 76-12 vemos la forma de onda en la salida del generador. El voltaje de salida es cero cuando el lazo está en horizontal.

Además, cuando el lazo es horizontal, las escobillas cortocircuitan el conmutador, cortocircuitando los extremos del lazo y asegurando que el voltaje de salida sea cero. Tan pronto como el bucle gira un pequeño ángulo, el corto se rompe y la tensión en la salida comienza a aumentar hasta que alcanza su máximo cuando el bucle está en vertical. Después de llegar al máximo, con el giro continuo del bucle, la tensión comienza a disminuir hasta llegar a su punto nulo, es decir, cuando el bucle vuelve a ser horizontal. Y así, el ciclo se repite.

Está claro que la forma de onda en la salida del generador sigue la forma trigonométrica, representada por la función sinusoidal. Vea la similitud de esta forma de onda con la salida de un rectificador de onda completa, estudiado en el capítulo 63. Por lo tanto, el interruptor tiene la función de rectificar la tensión alterna generada por el lazo en onda completa y producir una tensión de corriente continua o, comúnmente conocida como DC, en la salida. En el pasado, este tipo de generador se conocía como dínamo y era muy común utilizarlo en aerogeneradores especialmente diseñados para su uso en zonas rurales, donde no había electricidad suministro por empresas eléctricas. Los vehículos de motor de la época también utilizaban dínamos como fuente de energía para su funcionamiento.

Otro tipo de generador que se puede construir es el que genera corriente alterna en su salida. Para esto debemos hacer un pequeño cambio en el conmutador.

En la Figura 76-13 tenemos un diagrama que muestra la modificación necesaria para transformar un generador CC en un generador AC. Tenga en cuenta la duplicación del conmutador. Cada uno de ellos tiene su propia escobilla para llevar la energía producida por el generador a la carga. De hecho, en las máquinas de CA es común utilizar el nombre de anillos colectores en lugar de interruptor.

En el campo técnico, a menudo se le llama colectores. Naturalmente, un extremo del bucle está conectado al colector 1, mientras que el otro extremo está conectado al colector 2, como se muestra en Figura 76-13

En la Figura 76-14 la forma de onda se muestra en la salida del generador de CA. Esta forma de onda está perfectamente descrita por la función trigonométrica seno. Y esta función caracteriza la corriente alterna, ya que tiene un pico positivo en la primera mitad del ciclo y un pico negativo en la otra mitad del ciclo. De esta forma, obtenemos una forma de onda que se alterna periódicamente.

Podemos determinar el valor de la tensión inducida en el lazo considerando que el flujo magnético al que está sometido el lazo viene dado por

Nota que usamos el hecho de que θ = ωt y recordando que ω = 2 π f, donde ω es la frecuencia angular con la que gira el bucle. Aquí tendremos en cuenta que el generador no solo tiene un bucle, sino N vueltas y usando la ley de Faraday, que se describe por eq. 75-13, podemos escribir eso

Luego, calculando la derivada de la función cos ωt, obtenemos

Recordando que el producto AB es igual al flujo magnético, podemos decir que

"El voltaje generado en la bobina es una sinusoide cuya amplitud es igual al producto del flujo magnético presente dentro de la máquina debido a la velocidad de rotación de la máquina y el número de vueltas que forman la bobina."

Esto también es cierto para máquinas AC reales. En general, el voltaje en cualquier máquina real dependerá de tres factores:

Como se indica al final de ítem 4.2 (Torque en un bucle conductor) y repitiendo aquí

Bueno, hay algunos tipos de alternadores en los que mantenemos el devanado fijo y hacemos que el campo magnético gire, de modo que haya variación en el flujo magnético de la máquina. Esto asegura un voltaje inducido en la bobina. Uno de estos tipos de alternadores son los que se utilizan en vehículos automotores. En la Figura 76-15 mostramos un modelo simplificado de este tipo de alternador

Lo primero que podemos notar de este alternador es que tiene tres devanados separados mecánicamente por un ángulo de 120°. En el centro, giratorio, hay un imán permanente por motivos didácticos. Por tanto, al girar el imán se produce un flujo variable en los devanados y, consecuentemente, aparece un voltaje inducido en estas bobinas. Ahora, debemos conectar correctamente los devanados para obtener un voltaje en la salida del generador.

En la Figura 76-16 vemos como los devanados se conectan al interior de un alternador para vehículos de motor. Reemplazamos los devanados con fuentes de voltaje para mayor claridad. Tenga en cuenta que los devanados están conectados en una configuración Y o estrella. Esta configuración se estudia en capítulo 81.

Para lograr esta configuración, debemos unir los cables de bobinado representados por u, v y w (Figura 76-15). Esta unión da lugar al terminal neutro, indicado en la Figura 76-16 por la letra N . Y los cables x, y y w , que es donde tenemos los voltajes inducidos están conectados directamente a los diodos. Como un vehículo de motor necesita una batería como fuente de energía y funciona con corriente continua, entonces es necesario rectificar la corriente alterna que sale del alternador. Este es el propósito de los tres diodos, conectados uno por fase, como se muestra en la figura anterior. Por lo tanto, en los terminales de salida del alternador, obtenemos una corriente continua, indicada en Figura 76-16 como V_cc.

Na Figura 76-17, en la parte superior, podemos ver la contribución de las tres fases a la formación de la tensión de salida del alternador. En verde, el terminal x (ver Figura 76-15) con fase 0°. En azul, el terminal y (ver Figura 76-15) con la fase -120° y en rojo, el terminal z (ver Figura 76-15) con la fase + 120°. Esta formación de voltaje en el generador es la que aparece ante los diodos.

En la parte inferior de la Figura 76-17 , vemos el voltaje en la salida del generador después de ser rectificado por los tres diodos. Tenga en cuenta que cuando uno de los voltajes está hacia abajo, la siguiente fase es hacia arriba. Esto significa que la tensión en la salida del generador no cae por debajo de un valor mínimo, indicado en la figura por la franja naranja. De esta forma, obtenemos un voltaje con polaridad positiva en la salida, donde los diodos eliminaron la parte negativa del voltaje de fase del alternador. Por lo tanto, este voltaje positivo en la salida del alternador está conectado al polo positivo de la batería del vehículo. El polo negativo de la batería está conectado al chasis del vehículo, donde también se conecta el cable del alternador indicado con la letra N. Todo este conjunto forma el sistema que proporciona la energía eléctrica necesaria para el perfecto funcionamiento del vehículo.

Por otro lado, debemos entender que la batería de un vehículo solo proporciona energía cuando arrancamos el motor de combustión. Una vez que el motor de combustión está en funcionamiento, el alternador suministrará electricidad al vehículo, dejando la batería en régimen de "carga flotante", es decir, recibe una pequeña corriente (del orden de 1 amperio) del alternador para que su electricidad se mantiene la carga. Para que esto suceda, la tensión del alternador tiene un valor superior al valor de la batería en la salida. Para un sistema de 12 voltios, el voltaje en la salida del alternador debe estar entre 13,8 voltios y 14,20 voltios, según las especificaciones del fabricante.

Cuando un vehículo está en movimiento, hay una variación muy grande en la velocidad de rotación del motor de combustión, al cual el alternador está interconectado mecánicamente, a través de una correa. Esto crea un problema para el sistema eléctrico del vehículo, ya que se basa en eq. 76-21 , verificamos que el voltaje de salida del alternador varía linealmente con la velocidad angular, ω. Como no podemos cambiar el número de vueltas del alternador, ni el área del bucle, ya que son características de su construcción, solo tenemos la opción de cambiar el valor del campo magnético del sistema. ¿Y como hacer eso? Recordemos lo estudiado en el capítulo 74, en el ítem 4.2 - Campo magnético producido por un solenoide, más específicamente, revisando eq. 74-23, que se repite aquí para una mayor comprensión.

Observe que esta ecuación aclara la relación lineal entre el valor del campo magnético y la corriente que fluye a través del solenoide. Por tanto, concluimos que para variar el campo magnético basta variar la corriente que circula por él. Esta es una de las razones por las que no podemos utilizar un imán permanente como generador de campo magnético. Entonces, debemos usar un solenoide para actuar como un electroimán.

En la Figura 76-18 muestra cómo se hace esto en un alternador real. Se utiliza un rotor fabricado en material ferromagnético, con una forma adecuada. Tenga en cuenta la posición del devanado dentro del rotor. Este devanado junto con la forma del rotor genera alternativamente los polos norte y sur necesarios para variar el flujo magnético en las vueltas fijas que forman las fases del alternador y están alojadas en el estator.

Para suministrar energía eléctrica al solenoide del rotor, hay dos colectores que giran con el rotor y un par de cepillos a los que están conectados a los cables de alimentación se adjunta. Los cepillos son dos contactos hechos con un tipo de carbono endurecido para mayor durabilidad. Y los colectores están hechos de una aleación de metales, llamada bronce . Por tanto, se utilizan dos materiales conductores: carbón y bronce.

En la Figura 76-19 muestra un estator del alternador real. Observe cómo se distribuyen las bobinas a lo largo de la circunferencia del estator. Muchas bobinas en serie forman una fase que está 120° mecánicamente desfasada con las otras dos. Hay alternadores que tienen solo tres cables en el estator. Cuando este es el caso, es necesario utilizar seis diodos para rectificar la señal. De esta manera, pudimos restaurar el cable neutro del alternador.

Nota - Hoy en día, debido al intenso uso de la electrónica incorporada en los vehículos de motor, es posible utilizar un rotor con imanes permanentes. Todo el control de la tensión de salida del alternador se realiza electrónicamente. Los alternadores de motocicleta, en general, tienen un estator fijo y un conjunto de imanes permanentes que giran alrededor del estator para generar la tensión inducida.