Física de generadores y motores
Con la invención de la pila (Allessandro Volta, 1800), la generación de un campo magnético a partir de la corriente eléctrica (Hans Christian Oersted, 1820) y el electroimán (William Sturgeon, 1825) se sentaron las bases para construir motores eléctricos. En aquella época aún estaba abierto si los motores eléctricos debían ser máquinas rotativas o reciprocantes, es decir, simular el vástago de una máquina de vapor.
En todo el mundo, muchos inventores trabajaban en paralelo en esta tarea: era un problema de “moda”. Casi a diario se descubrían nuevos fenómenos. Los inventos en el campo de la ciencia eléctrica y sus aplicaciones estaban en el aire.
A menudo los inventores no se conocían entre sí y desarrollaban soluciones similares de forma independiente. Las historias nacionales se configuran en consecuencia hasta el día de hoy. Lo que sigue es un intento de ofrecer una imagen completa y neutral.
Después de muchos otros intentos más o menos exitosos con aparatos rotatorios y recíprocos relativamente débiles, el prusiano de habla alemana Moritz Jacobi creó en mayo de 1834 el primer motor eléctrico rotatorio real que realmente desarrolló una notable potencia mecánica de salida. Su motor estableció un récord mundial que fue mejorado sólo cuatro años después, en septiembre de 1838, por el propio Jacobi. Su segundo motor era lo suficientemente potente como para conducir un barco con 14 personas a través de un ancho río. No fue hasta 1839/40 cuando otros desarrolladores de todo el mundo consiguieron construir motores de prestaciones similares y, posteriormente, también superiores.
Física del motor eléctrico
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Un campo magnético circular se genera alrededor de un conductor portador de corriente. Para calcular la dirección de esta fuerza circular, utilizamos la regla de la mano derecha. Recordemos que los puntos representan un campo magnético fuera de la página, y las cruces representan un campo magnético dentro de la página.
Dado que un conductor de corriente genera su propio campo magnético, este campo magnético puede interactuar con un campo magnético externo para ejercer una fuerza sobre el conductor. Para calcular la dirección de la fuerza experimentada, utilizamos la regla de la palma de la mano derecha (F en la palma, B en los dedos, I en el pulgar). Esta regla también se puede utilizar para determinar la fuerza sobre un haz de cargas en movimiento.
De la ecuación se desprende que la fuerza sobre el conductor portador de corriente es directamente proporcional a la intensidad del campo magnético externo, a la magnitud de la corriente y a la longitud correspondiente del conductor. No existirá una fuerza sobre el conductor si éste es paralelo al campo magnético (es decir, ). En caso contrario, la mayor fuerza sobre el conductor se produce cuando el ángulo entre la corriente y el campo magnético es de 90°.
Similitudes del motor eléctrico y el generador cerebral
El primer aparato de Faraday que se conserva, que data de 1822, demuestra su trabajo sobre la rotación magnética. Faraday utilizó este baño de mercurio para transformar la energía eléctrica en energía mecánica, creando el primer motor eléctrico.
El científico británico autodidacta Michael Faraday (1791 – 1867) fue el primero en comprender lo que implicaban estos descubrimientos. Si se podía aislar un polo magnético, éste debía moverse constantemente en círculo alrededor de un hilo conductor de corriente.
El motor cuenta con un cable rígido que cuelga en un recipiente de cristal que tiene una barra magnética fijada en el fondo. A continuación, el recipiente de cristal se llena parcialmente de mercurio (un metal que es líquido a temperatura ambiente y un excelente conductor). Faraday conectó su aparato a una batería, que envió electricidad a través del cable creando un campo magnético a su alrededor. Este campo interactuaba con el campo que rodeaba al imán y hacía que el alambre girara en el sentido de las agujas del reloj.
Este descubrimiento llevó a Faraday a contemplar la naturaleza de la electricidad. A diferencia de sus contemporáneos, no estaba convencido de que la electricidad fuera un fluido material que fluyera por los cables como el agua por una tubería. En cambio, pensó en ella como una vibración o fuerza que se transmitía de alguna manera como resultado de las tensiones creadas en el conductor.
Cómo funciona un motor eléctrico
Salvo el comportamiento debido a la fuerza de la gravedad, casi todos los sucesos de la vida cotidiana tienen su origen en la fuerza electromagnética. Es la responsable de las interacciones entre los átomos y del flujo entre la materia y la energía. Las otras fuerzas fundamentales son la fuerza nuclear débil y la fuerte, que rigen la desintegración radiactiva y la formación de los núcleos atómicos.
La electricidad es el fenómeno asociado a las cargas eléctricas estacionarias o en movimiento. La fuente de la carga eléctrica puede ser una partícula elemental, un electrón (que tiene carga negativa), un protón (que tiene carga positiva), un ion o cualquier cuerpo mayor que tenga un desequilibrio de carga positiva y negativa. Las cargas positivas y negativas se atraen entre sí (por ejemplo, los protones se atraen a los electrones), mientras que las cargas similares se repelen (por ejemplo, los protones repelen a otros protones y los electrones a otros electrones).
Algunos ejemplos familiares de electricidad son los rayos, la corriente eléctrica de un enchufe o una batería y la electricidad estática. Las unidades comunes del SI para la electricidad incluyen el amperio (A) para la corriente, el culombio (C) para la carga eléctrica, el voltio (V) para la diferencia de potencial, el ohmio (Ω) para la resistencia y el vatio (W) para la potencia. Una carga puntual estacionaria tiene un campo eléctrico, pero si la carga se pone en movimiento, también genera un campo magnético.