Generador eléctrico

Un generador eléctrico transforma un movimiento mecánico en corriente eléctrica haciendo pasar un imán y una bobina de hilo uno frente al otro. Michael Faraday descubrió el principio en 1831, y casi toda la electricidad que se consume hoy sigue saliendo de máquinas basadas en él.

Qué es

Un generador convierte en corriente eléctrica un trabajo mecánico, el de una manivela, una rueda hidráulica, una máquina de vapor o una turbina. Necesita un imán, una bobina de hilo de cobre y un medio para hacer pasar uno frente a la otra.

Las pilas son caras y se agotan; los generadores produjeron electricidad en grandes cantidades a partir del carbón o de un salto de agua. Así funcionan las centrales, los alternadores de coche, las dinamos de bicicleta y los aerogeneradores.

Cómo funciona

El anillo de inducción de Faraday: la aguja solo se movía en el momento de conectar o desconectar la pila.

El principio es la inducción electromagnética. Cuando varía el flujo magnético que atraviesa una bobina (la cantidad de campo que pasa por ella), aparece una tensión entre sus extremos. Si el flujo no cambia, no hay tensión. Cuanto más deprisa varía el flujo y más espiras tiene la bobina, mayor es la tensión.

En la máquina de la lámina, construida por Hippolyte Pixii en 1832, una manivela mueve un eje vertical mediante dos engranajes cónicos. El eje lleva un imán permanente de herradura cuyos polos pasan justo bajo dos bobinas fijas con núcleo de hierro. Cuando un polo norte llega bajo una bobina, el flujo que la atraviesa aumenta y la corriente circula en un sentido. Cuando el polo se aleja, el flujo disminuye y la corriente se invierte. El polo sur repite luego el ciclo con el campo en sentido contrario, así que la máquina, sin más, produce corriente alterna.

Pixii añadió un conmutador, sugerido por André-Marie Ampère: un interruptor en el eje que intercambia las dos salidas cada media vuelta, justo cuando la corriente cambia de sentido. Sale entonces una corriente continua pulsante, capaz de cargar acumuladores o descomponer el agua.

El disco de Faraday, de 1831, daba una corriente continua pequeña e ininterrumpida.

En cuanto circula corriente, las bobinas se vuelven imanes y frenan el movimiento: la manivela se endurece al conectar una lámpara. La energía eléctrica obtenida es el trabajo aportado menos las pérdidas por rozamiento y calor.

Los imanes permanentes del siglo XIX eran débiles, así que las máquinas grandes usaban electroimanes. En una dinamo autoexcitada, los alimenta parte de la corriente de la propia máquina. El magnetismo residual del hierro genera una pequeña corriente, que refuerza el campo, que aumenta la corriente, hasta que la tensión se estabiliza en un nivel que fijan la velocidad y la saturación del hierro. Un generador moderno de central hace girar un electroimán dentro de devanados fijos; con dos polos gira a 3000 revoluciones por minuto para dar 50 hercios, o a 3600 para 60.

Cómo construirlo

Un pequeño alternador de manivela puede encender un LED o la bombilla de una linterna.

Hacer el rotor. Cortar un disco de contrachapado o madera dura de unos 15 cm de diámetro. Pegar en una de sus caras ocho imanes planos de disco (ferrita o neodimio), repartidos por igual cerca del borde, de modo que las caras que miran hacia fuera alternen norte, sur, norte, sur. Atarlos con cordel: a gran velocidad, un imán suelto sale despedido.

Bobinar. Arrollar ocho bobinas planas de hilo de cobre esmaltado de 0,3 a 0,5 mm, de unos cientos de espiras cada una y todas en el mismo sentido, sobre un molde del tamaño de un imán.

Montar el estátor. Fijar las bobinas en una tabla paralela al rotor, cada una frente a un imán, con una separación de pocos milímetros. Las bobinas vecinas quedan siempre frente a polos opuestos: conectarlas en serie invirtiendo una de cada dos, para que sus tensiones se sumen.

Multiplicar la velocidad. Una correa de una polea grande en la manivela a otra pequeña en el rotor multiplica la velocidad por cuatro o cinco.

Rectificar y probar. La salida es alterna. Cuatro diodos en puente la convierten en corriente continua pulsante. Encender un LED desde el puente a través de una resistencia de un kilohmio y medio vatio, que mantiene la corriente por debajo de unos 20 miliamperios mientras la salida no pase de unos 20 voltios; comprobar la tensión con un polímetro antes de girar con fuerza. Para cargar una batería hace falta un regulador de carga adecuado a su tipo, no basta con los diodos.

Sin imanes comprados, se imantan barras de acero dentro de una bobina alimentada durante unos segundos por una batería, con una bombilla de coche en serie para limitar la corriente. Una dinamo autoexcitada, que arranca con el magnetismo residual, no necesita imán permanente.

Seguridad. Las piezas giratorias atrapan dedos, pelo y ropa suelta: proteger la correa y el rotor. Los imanes de neodimio chocan con fuerza suficiente para pellizcar la piel y romperse; mantenerlos lejos de los marcapasos. La tensión sube con la velocidad y es peligrosa en las máquinas grandes. No conectar nunca un generador casero o portátil a la instalación de un edificio ni a la red eléctrica: la corriente devuelta a las líneas puede matar a los operarios que trabajan en ellas, y solo un electricista que instale un conmutador de transferencia adecuado debe hacer esa conexión.

Historia y evolución

En 1820 Hans Christian Ørsted demostró que una corriente eléctrica desvía la aguja de una brújula. Michael Faraday supuso que, a la inversa, el magnetismo podría producir electricidad. El 29 de agosto de 1831, en la Royal Institution de Londres, arrolló dos bobinas sobre un anillo de hierro y vio saltar la aguja de un galvanómetro al conectar o desconectar una pila en la otra bobina. Ese otoño hizo girar un disco de cobre entre los polos de un imán y obtuvo una corriente continua. Presentó sus resultados a la Royal Society el 24 de noviembre de 1831.

Al año siguiente, Pixii, fabricante parisino de instrumentos, construyó la máquina de manivela de la lámina. En 1866 y 1867, Samuel Alfred Varley, Werner Siemens y Charles Wheatstone anunciaron cada uno la dinamo autoexcitada, y Siemens llamó al principio «dinamoeléctrico». Hacia 1870, Zénobe Gramme construyó un inducido en anillo que daba una corriente regular.

El anillo de Gramme repartía el devanado por todo el inducido, de modo que la corriente apenas pulsaba.

El 4 de septiembre de 1882, la central de Thomas Edison en Pearl Street, Nueva York, empezó a suministrar corriente continua a 110 voltios con seis dinamos «Jumbo» movidas por vapor. La corriente alterna se impuso después para las largas distancias, porque los transformadores permiten elevar su tensión; en 1891 una línea trifásica llevó energía 175 km, de Lauffen am Neckar a Fráncfort. Charles Parsons acopló una dinamo a una turbina de vapor en 1884, y desde entonces los generadores movidos por turbinas abastecen la mayoría de las grandes centrales. En 1975 arrancó en la presa de Grand Coulee el primero de tres grupos de 600 MW, con un estátor de 22 metros de diámetro.