The Last Codex
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Tema

Idioma

Motor eléctrico

La corriente convertida en giro

Fecha
1834
Época
Era industrial
Etapa
IV Ciencia e industria
Dificultad

Lámina

Leyenda
  1. 1Imán de campo (inductor)
  2. 2Devanado del inducido
  3. 3Conmutador
  4. 4Escobilla
  5. 5Eje y polea
  6. 6Pila

Anatomía

SFFN−+
Bobina del inducido; los ángulos siguen el sentido de la corrienteFuerza F = N·B·I·L sobre cada lado de la bobina; la flecha crece con la corrienteLíneas de campo, del polo norte al polo surUn motor de demostración visto de cerca. Una sola bobina rectangular de 100 espiras, de 70 mm de largo y 50 mm de ancho, gira sobre su eje entre un polo norte arriba y un polo sur abajo, donde el campo es de unos 0,08 T. La corriente entra por dos escobillas de lámina de cobre que rozan un conmutador de dos mitades de cobre, cada una unida a un extremo de la bobina. En cada lado largo, la corriente cruza el campo y recibe un empuje lateral F = N·B·I·L. Los dos lados llevan la corriente en sentidos opuestos, así que uno es empujado hacia usted y el otro hacia atrás, y la bobina gira. Cada vez que la bobina queda perpendicular al campo, las ranuras del conmutador pasan bajo las escobillas y la corriente se invierte en la bobina, de modo que el empuje la sigue haciendo girar en el mismo sentido. Durante unos 6° a cada lado de ese punto ninguna escobilla toca el cobre y no pasa corriente: la bobina sigue por su inercia. Al girar, la bobina actúa también como generador: produce una tensión contraria a la alimentación, la fuerza contraelectromotriz, que crece con la velocidad. Con 6 V la bobina toma 1,7 A al arrancar y unos 0,5 A cuando ya gira a su velocidad. La fuerza contraelectromotriz es mínima cuando la bobina está casi perpendicular al campo, así que la corriente y la fuerza sobre cada lado crecen justo antes de cada punto muerto, mientras el par baja, porque el empuje apunta entonces casi hacia el eje. Una bobina única que se detiene en un punto muerto no puede volver a arrancar sola; la figura la gira entonces a mano. Los valores son los de una maqueta escolar elegida para la figura, y la lectura da promedios sobre una vuelta. La bobina se dibuja girando 100 veces más despacio que en la realidad, y gana o pierde velocidad 15 veces más despacio.

Un motor eléctrico convierte la corriente en giro: una bobina con corriente situada entre los polos de un imán recibe un empuje lateral, y un conmutador o un campo giratorio mantiene ese empuje en el mismo sentido. El motor de Moritz Jacobi, en 1834, daba mucha más potencia que todos los anteriores; hoy los sistemas accionados por motor consumen cerca de la mitad de la electricidad del mundo.

Qué es

Un motor eléctrico transforma la corriente eléctrica en giro. Mueve ventiladores, bombas, ascensores, tranvías y máquinas herramienta. La plataforma Electric Motor Systems del programa 4E de la Agencia Internacional de la Energía calcula que los sistemas accionados por motor consumieron cerca del 53 % de la electricidad mundial en 2023.

La lámina muestra un motor de corriente continua de finales del siglo XIX alimentado por una pila.

Cómo funciona

Un hilo que lleva corriente dentro de un campo magnético recibe un empuje lateral, perpendicular a la corriente y al campo. En una bobina colocada entre dos polos, los dos lados largos llevan corriente en sentidos opuestos: uno es empujado hacia arriba, el otro hacia abajo, y la bobina gira.

Un inducido con un conmutador de cobre de dos segmentos y dos escobillas apoyadas en lados opuestos Conmutador de dos segmentos: las escobillas cambian de mitad en cada media vuelta.

Por sí sola, la bobina giraría hasta que su plano quedara perpendicular al campo, oscilaría un poco y se detendría ahí. El conmutador lo impide. Es un anillo montado en el eje y dividido en segmentos aislados, cada uno unido a la bobina; dos escobillas fijas rozan sobre él y llevan la corriente. En su forma más simple, de dos segmentos, las escobillas pasan al otro segmento en cada media vuelta, la corriente de la bobina se invierte y el par sigue actuando en el mismo sentido.

El inducido de una máquina lleva muchas bobinas repartidas alrededor de un tambor de hierro, cada una unida a sus propios segmentos, y así el par es regular. Ese hierro se forma con chapas finas aisladas, porque en un núcleo macizo circularían corrientes parásitas que malgastan energía en calor. El campo procede de imanes permanentes en muchos motores pequeños, y de electroimanes en la mayoría de las máquinas del siglo XIX, como la de la lámina.

Un inducido que gira funciona también como generador. Sus bobinas producen una tensión opuesta a la de la alimentación, la fuerza contraelectromotriz, que crece con la velocidad. Al arrancar no existe, y la corriente puede ser varias veces la de régimen. Cuando el motor acelera, esa tensión aumenta y la corriente baja hasta que el par iguala a la carga. Si se hace girar a mano, con el campo excitado y una carga conectada, la misma máquina entrega corriente: motor y generador son un mismo aparato usado en sentidos opuestos.

Los motores de inducción, alimentados con corriente alterna, no tienen conmutador. Unos devanados fijos recorridos por corrientes desfasadas crean un campo magnético giratorio. Este induce corrientes en las barras de cobre o aluminio del rotor, que gira algo más despacio que el campo.

Cómo construirlo

El motor escolar necesita una pila de 1,5 V (tipo D o AA), alrededor de un metro de hilo de cobre esmaltado de 0,5 a 0,8 mm, dos clips grandes, un imán de disco de ferrita o neodimio, una goma elástica resistente y lija fina.

Bobinar. Enrollar el hilo de 10 a 20 vueltas alrededor de un rotulador, dejando 4 o 5 cm rectos en cada extremo. Dar dos vueltas con cada extremo alrededor del haz para sujetarlo. Los dos extremos deben salir por lados opuestos, alineados con el centro de la bobina: son el eje.

Primer plano de un eje de hilo de cobre apoyado en el ojal de un clip doblado, con el esmalte raspado solo en la mitad superior del hilo El conmutador del motor de clips: cobre desnudo arriba, esmalte debajo; la corriente solo pasa durante la media vuelta en que el lado desnudo se apoya en el clip.

Hacer el conmutador. En un extremo, lijar todo el esmalte. En el otro, sostener la bobina en vertical, tal como quedará montada, y quitar el esmalte solo de la mitad superior del hilo. Ese extremo conduce durante media vuelta y aísla durante la otra, de modo que la bobina nunca recibe un empuje hacia atrás; pasa la media vuelta muerta por inercia.

Montar los soportes. Doblar cada clip en forma de soporte, con un pie plano abajo y un pequeño ojal arriba. Tensar la goma a lo largo de la pila, por encima de los dos pies, para que apriete cada clip contra un borne. Colocar el imán en el costado de la pila, debajo de los ojales: queda sujeto a la carcasa de acero. Apoyar la bobina en los ojales, a pocos milímetros del imán.

Ponerlo en marcha. Dar a la bobina un ligero impulso. Si solo oscila, darle la vuelta de extremo a extremo o volver a lijar el lado pelado.

Hacerlo más grande. Un imán más fuerte da más par; más vueltas también ayudan, mientras el hilo más largo no reduzca demasiado la corriente. Un motor de taller reúne varias bobinas sobre un núcleo de hierro laminado, con un conmutador de muchos segmentos y escobillas con muelle, como en la lámina.

Seguridad. Usar solo una o dos pilas corrientes de 1,5 V: nunca la red eléctrica, una batería de coche ni una batería de iones de litio. La bobina es casi un cortocircuito, y esas fuentes pueden dar corriente suficiente para quemar la piel, fundir el hilo o provocar un incendio. Incluso una pila pequeña se calienta, gire o no el motor: hacer pruebas cortas y vigiladas, y desconectar la pila en cuanto ella o el hilo se entibien, antes de ajustar o lijar, y al terminar. Los imanes de neodimio se juntan con tanta fuerza que pellizcan la piel y pueden romperse. Mantenerlos lejos de marcapasos y otros implantes médicos, y fuera del alcance de los niños pequeños: dos imanes tragados pueden atraerse a través de la pared del intestino.

Historia y evolución

Un hilo colgado que se sumerge en una copa de mercurio y gira alrededor de un imán de barra vertical La rotación de Faraday (1821): el extremo libre del hilo gira alrededor del imán.

En 1820 Hans Christian Ørsted vio desviarse la aguja de una brújula junto a un hilo con corriente. El 3 de septiembre de 1821 Michael Faraday hizo girar alrededor de un imán un hilo sumergido en mercurio, y en 1822 Peter Barlow hizo girar una rueda en forma de estrella entre los polos de un imán. Eran demostraciones de potencia casi nula. Los campos intensos llegaron con el electroimán, que William Sturgeon construyó a mediados de la década de 1820, y hacia 1832 William Ritchie y Sturgeon construyeron máquinas giratorias con conmutador.

En mayo de 1834, en Königsberg, Moritz Hermann Jacobi terminó un motor con ocho electroimanes de herradura que daba unos 15 vatios. Esta lámina toma 1834 como fecha: Faraday mostró el principio y la pequeña máquina de Sturgeon ya hacía girar un asador, pero la máquina de Jacobi era mucho más potente, y ningún otro constructor la igualó antes de 1839 aproximadamente. La patente estadounidense de Thomas Davenport llegó en 1837.

Las pilas hacían caros estos motores hasta que el generador trajo corriente barata. En 1873 se vio que una dinamo de Zénobe Gramme giraba como motor si otra la alimentaba. Galileo Ferraris, en Turín, estudió el campo giratorio desde 1885 y lo publicó en marzo de 1888; Nikola Tesla, que trabajaba por su cuenta en Nueva York, obtuvo su patente del motor de inducción el 1 de mayo de 1888. Hoy, motores de imanes permanentes controlados por electrónica mueven drones y coches eléctricos.

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