Introducción
Las funciones del cobre
El cobre es un excelente conductor eléctrico. Por esto se usa en muchas aplicaciones eléctricas - incluidos los motores eléctricos.
Usamos motores eléctricos en casa, en el jardín y en el trabajo. Estos son algunos de los sitios en los que usamos motores eléctricos:
• Un ascensor eléctrico: Un motor eléctrico mueve el ascensor arriba y abajo. El otro hace funcionar las puertas.
• Un coche: Los coches tienen varios motores eléctricos. El motor de arranque hace girar el motor de gasolina para ponerlo en marcha. Otros motores hacen funcionar los limpiaparabrisas. Algunos coches tienen motores eléctricos para hacer funcionar las ventanillas e incluso los retrovisores laterales.
• Un tren eléctrico: Un tren eléctrico tiene un potente motor para impulsarlo.
En esta sección, veremos cómo funcionan los motores eléctricos y cómo pueden ser eficientes.
¿Qué hace girar un motor?
Desde dentro
Podemos desmontar un motor para ver cómo está hecho. Dentro encontraremos los siguientes componentes:
• Bobina: La bobina está hecha de alambre de cobre - porque es un conductor excelente. Está bobinado en una armadura. La bobina se convierte en un electroimán cuando pasa por ella la corriente.
• Armadura: La armadura apoya la bobina y puede ayudar a hacer el electroimán más fuerte. Esto hace que el motor sea más eficiente.
• Imanes permanentes: Hay dos imanes permanentes. Producen un campo magnético estable de modo que la bobina dé vueltas cuando pasa la corriente. Algunos motores tienen electroimanes en vez de imanes permanentes. Éstos están hechos de más bobinas de alambre de cobre.
• Conmutador: Cada extremo de la bobina está conectado a una de las dos mitades del conmutador. El conmutador cambia los contactos cada media vuelta.
• Cepillos: Los cepillos presionan en el conmutador. Mantienen contacto con el conmutador aunque gire. La corriente fluye dentro y fuera del motor a través de los cepillos.
• Matriz de acero: La matriz hecha de material magnético une los dos imanes permanentes y, en efecto, los convierte en un solo imán en forma de herradura. Los motores comerciales usan a menudo un imán de herradura.
¿Cómo funciona?
El motor se conecta a una batería. Cuando el conmutador está cerrado, la corriente empieza a fluir y la bobina se convierte en un electroimán. En este caso, la corriente fluye en el sentido contrario al de las agujas del reloj en la parte superior de la bobina. Esto hace que la parte superior sea un polo norte. Este polo norte es atraído al polo sur a la izquierda. De modo que la parte superior de la bobina gira hacia la izquierda. Obsérvese que el fondo de la bobina es un polo sur y es atraído al imán de la derecha.
Cuando la bobina se pone en posición vertical, no hay ninguna fuerza de giro porque el electroimán de la bobina está alineado con los imanes permanentes. Si la corriente de la bobina fuera constante, la bobina se pararía en esta posición. Pero, para hacerla seguir girando, el conmutador rompe el contacto en esta posición. De modo que la corriente se para durante un instante. El ímpetu de la bobina la mantiene en movimiento y los contactos se reconectan. Pero, ahora lo hacen por la otra dirección. De este modo, el lado de la bobina que era un polo sur es ahora un polo norte.
El conmutador seguirá cambiando los contactos cada media vuelta (cuando la bobina está en posición vertical). De esta manera, el motor sigue girando.
El efecto motor
El efecto de motor eléctrico es lo que hace que gire. Lo podemos ver trabajar en una sola pieza de alambre de cobre.
Catapulta eléctrica
Véase la imagen. Muestra una pieza suelta de alambre de cobre en algunos raíles. La pieza suelta de alambre está entre los polos de un imán. Los raíles están unidos a un suministro eléctrico.
¿Qué pasará si conectamos el voltaje?
El alambre es catapultado a la derecha. El campo magnético lo hizo moverse, pero sólo cuando había una corriente eléctrica en el alambre.
¿En qué dirección se encaran?
El campo magnético señala del polo norte del imán a su polo sur. Obsérvese que el campo es perpendicular a la corriente. Este sistema produce una gran fuerza y hace que el alambre se mueva.
Una corriente en un alambre perpendicular a un campo magnético produce una fuerza en el alambre.
¿En qué dirección se mueve?
El alambre se mueve perpendicularmente tanto al campo magnético como a la corriente. Podemos recordar en qué dirección se mueve utilizando la Regla de Motor de Mano Izquierda de Fleming. Coloque la mano izquierda como la que hay en el diagrama. Los tres dígitos representan las tres cantidades tal como se muestra.
• Dedo índice = Campo
• Dedo corazón = Corriente
• Pulgar = Movimiento
Hacerlo girar
Podemos entender un motor del mismo modo. Cuando la corriente fluye por la bobina:
• un lado de la bobina siente un empuje ascendente
• el otro lado siente un empuje descendente.
Juntas, estas dos fuerzas hacen que la bobina gire en su eje.
Cuándo cambiar la corriente
Cuando la bobina está en la posición vertical, no hay ninguna fuerza de giro que trate de empujarla. Las dos fuerzas tratan de tirar de los dos lados de la bobina hacia fuera. Es en este punto que el conmutador cambia los contactos.
Si la bobina ya gira, su ímpetu la llevará a esta posición vertical. Cuando los contactos son reconectados, el conmutador ha invertido la corriente. De modo que el lado de la bobina que estaba siendo levantado está siendo ahora bajado. Y viceversa.
Por lo tanto, la bobina sigue girando en la misma dirección.
Sacar el máximo provecho posible de la energía
Los motores eléctricos se calientan con el uso. Esto es un despilfarro de energía. Queremos motores que muevan las cosas; ¡no los usamos como calentadores!
Transferencias de energía
Suministramos energía eléctrica a un motor eléctrico. Un motor eficiente transfiere la mayor parte de esta energía como energía cinética (trabajo útil). Sólo una pequeña fracción se gasta cuando calienta el entorno. Podemos mostrar esto en un diagrama de Sankey. El tamaño de las flechas representa la cantidad de cada tipo de energía.
La energía se pierde cuando la corriente eléctrica fluye por las bobinas del motor. Las bobinas de alambre tienen resistencia eléctrica; cuanto mayor es la resistencia, más difícil es para la corriente fluir y más energía se gasta.
El cobre es un buen metal de uso para las bobinas de un motor porque:
• tiene menos resistencia que casi cualquier otro metal
• se pueden hacer fácilmente alambres
• no es demasiado caro
• puede sobrevivir a una alta temperatura
• puede ser fácilmente reciclado cuando se sustituye el motor.
