Física de primaria y secundaria · Grades 1–9

69De la central a casa: el alternador

Un año entero de kilovatios-hora ha pasado por tus auditorías — pero ¿de dónde vienen? Sigue el cable que sale de la casa, por debajo de la calle, a lo largo de las torres, y terminará en una máquina que gira en un gran salón: el alternador. Su secreto es la sorpresa más bonita de la electricidad de este libro: el descubrimiento del año pasado de que la corriente fabrica magnetismo, funcionando al revés.

69.1 La inducción: el efecto invertido

Proposición 69.1 (Inducción electromagnética)

Mueve un imán cerca de un circuito cerrado — o mueve el circuito cerca del imán — y, mientras dure el movimiento, aparece una tensión que mueve una corriente: electricidad inducida por un magnetismo que cambia. Las reglas, del banco de trabajo:

solo el cambio induce: un imán quieto junto a la bobina, nada — por muy fuerte que sea el imán;
movimiento más rápido, imán más fuerte, más vueltas de bobina: tensión inducida mayor;
invierte el movimiento e invertirás la corriente inducida — acercarse y alejarse mueven desfiles opuestos.

El año pasado una corriente fabricaba magnetismo; este año un magnetismo que se mueve fabrica una corriente. Los dos efectos son una sola moneda, leída por sus dos caras — y la segunda cara alimenta a la civilización.

Método 69.2 (La inducción en el banco)

Una bobina de muchas vueltas, un imán de barra y un aparato sensible con el cero en el centro:

conecta el aparato a la bobina; sujeta el imán quieto dentro de ella: la aguja duerme en el cero — la fuerza sola no induce nada;
mete el imán de golpe: la aguja da una patada hacia un lado — y vuelve al cero en el instante en que se para el movimiento;
sácalo: una patada igual, hacia el otro lado;
métele más rápido: una patada mayor. Menea el imán rítmicamente hacia dentro y hacia fuera, y la aguja oscilará a la izquierda, a la derecha, a la izquierda — estás fabricando a mano una corriente alterna.

La inducción en el banco: solo un imán en movimiento despierta a la bobina — y la patada de la aguja se invierte con el movimiento. — La inducción en el banco: solo un imán *en movimiento* despierta a la bobina — y la patada de la aguja se invierte con el movimiento.

69.2 El alternador

Definición 69.3 (Alternador)

Un alternador es la inducción hecha incansable: un imán que gira sin pausa junto a una bobina fija (o una bobina que gira dentro de un campo magnético). Cada media vuelta acerca un polo a la bobina y después se lo lleva — cambio, renovado sin fin —, así que la tensión inducida oscila positiva, negativa, positiva: alterna, por construcción, trazando exactamente la sinusoide suave del capítulo del osciloscopio. Hazlo girar a cincuenta vueltas por segundo y la salida alternará a $50\,\mathrm{Hz}$ : la frecuencia de la red es una velocidad de rotación, mantenida en sincronía por todas las centrales de la red.

Ejemplo 69.4 (La dinamo de tu rueda)

La dinamo de bicicleta es un alternador de bolsillo: la rueda hace girar un imancito dentro de una bobina fija, y la lámpara se enciende — más brillante y con más frecuencia cuanto más fuerte pedaleas, exactamente como prometen las reglas del banco (y parpadeando cuando vas a paso de tortuga, como observaba el capítulo de la corriente alterna). Su precio también es honrado: la dinamo frena — encender la lámpara le cuesta a tus piernas un esfuerzo real. La inducción no regala energía; convierte movimiento en electricidad, julio a julio, menos el impuesto del rozamiento.

Una central hidroeléctrica: el agua elevada se precipita, hace girar las turbinas y los alternadores mandan la energía lejos por los cables.

69.3 Todas las centrales son una sola máquina

Proposición 69.5 (El núcleo común)

Casi toda la electricidad del mundo, se anuncie como se anuncie, se fabrica de la misma manera: algo hace girar una turbina — un molino robusto de aspas — y la turbina hace girar un alternador. Las centrales solo se diferencian en qué empuja las aspas:

las centrales térmicas hierven agua quemando carbón o gas — los chorros de vapor mueven la turbina;
las centrales nucleares hierven el agua con el calor de partir átomos — vapor otra vez;
las presas hidroeléctricas dejan caer un lago de montaña a través de las aspas — la cadena de la presa de la infancia, completada;
los aerogeneradores se saltan al intermediario: el viento es el empujón de las aspas, con un alternador en cada góndola.

Una excepción confirma la regla: los paneles solares fabrican electricidad sin ningún giro — por un efecto de la luz que pertenece a los años de universidad.

Todas las centrales, una cadena: algo hace girar la turbina, la turbina hace girar el alternador y la inducción hace el resto. Lo único que cambia de una central a otra es la primera casilla.

Ejemplo 69.6 (Cadenas, auditadas)

Escribe cada central como una cadena de energía de la infancia, ahora con vocabulario profesional. La presa: reserva de altura $\to$ movimiento del agua que cae $\to$ rotación $\to$ electricidad — y el Sol, recuerda, subió ese lago por evaporación: la hidroelectricidad es luz del Sol aplazada en forma de lluvia. La central de carbón: reserva química $\to$ calor $\to$ movimiento del vapor $\to$ rotación $\to$ electricidad — con calorcito escapándose en todas las flechas, como confiesan los penachos de las torres de refrigeración. El viento: aire en movimiento (removido por el Sol) directo a la rotación. A las fuentes que la naturaleza rellena — el agua, el viento, la luz del Sol — se las llama renovables; las reservas quemadas y partidas se gastan para siempre en las escalas de tiempo humanas.

Observación 69.7 (Por qué zumban las torres a 400000 voltios)

Vence la última promesa del capítulo de la corriente alterna. Un pueblo necesita, digamos, cien millones de vatios. Por $P = U I$ , esa potencia puede viajar como una corriente enorme a una tensión modesta — o como una corriente modesta a una tensión enorme. Pero los cables se calientan con la corriente (el viejo efecto calorífico), y cada grado de calentamiento de las torres es energía pagada y perdida a favor de los cuervos. Así que la red transporta a tensiones sobrecogedoras — cientos de miles de voltios, corrientes minúsculas, pérdidas mínimas — y baja la tensión, barrio a barrio, hasta los mansos $230\,\mathrm{V}$ de tu pared. La máquina que la escalona, el transformador, son dos bobinas y otra vez inducción — y solo funciona con corriente que alterna: toda la red habla CA porque el transformador lo hace.

69.4 Ejercicios

Ejercicio 69.1 ★

Enuncia las tres reglas de banco de la inducción. ¿Qué induce un imán fuerte en reposo?

Solución

Solución de Ejercicio 69.1.

Solo induce el cambio; un movimiento más rápido, un imán más fuerte y más vueltas dan más tensión; invertir el movimiento invierte la corriente. Un imán en reposo, por fuerte que sea, no induce exactamente nada.

Ejercicio 69.2 ★

¿Por qué es alterna la salida de un alternador? Ata los cambios de signo a la rotación.

Solución

Solución de Ejercicio 69.2.

Cada media vuelta del rotor acerca un polo a la bobina (induciendo hacia un lado) y después se lo lleva (induciendo hacia el otro): la tensión tiene que cambiar de signo en cada media rotación — la alternancia está incorporada al giro.

Ejercicio 69.3 ★

¿A qué velocidad de rotación alimenta un alternador a una red de $50\,\mathrm{Hz}$ ? ¿En qué tienen que ponerse de acuerdo por tanto todas las centrales de la red?

Solución

Solución de Ejercicio 69.3.

Cincuenta vueltas por segundo (para la máquina sencilla de dos polos). Todas las centrales tienen que mantener exactamente el mismo ritmo de rotación — toda la red gira en sincronía, compartiendo una sola frecuencia.

Ejercicio 69.4 ★

Nombra las dos casillas universales de todas las centrales, y la única casilla que cambia entre el carbón, el átomo, la presa y el viento.

Solución

Solución de Ejercicio 69.4.

La turbina y el alternador. Lo único que cambia es quien empuja las aspas: el vapor de la llama, el vapor del átomo, el lago que cae o el viento.

Ejercicio 69.5 ★

Escribe la cadena hidroeléctrica del lago de montaña a tu lámpara — y nombra la máquina celeste que llenó el lago.

Solución

Solución de Ejercicio 69.5.

Altura almacenada del lago $\to$ movimiento del agua que cae $\to$ rotación de la turbina $\to$ electricidad del alternador $\to$ transformador y red $\to$ lámpara. El Sol llenó el lago: la evaporación subió el mar y la lluvia lo entregó en las montañas.

Ejercicio 69.6 ★

¿Por qué cuesta más pedalear en el instante en que se enciende la lámpara de la dinamo? ¿Qué principio prohíbe que sea de otra manera?

Solución

Solución de Ejercicio 69.6.

La energía de la lámpara tiene que venir de algún sitio, y la única reserva que hay en una bicicleta es el ciclista: la dinamo convierte el trabajo de las piernas en luz, así que los julios de la lámpara aparecen como un frenado extra. La energía se convierte, no se conjura nunca — la ley más antigua del curso.

Ejercicio 69.7 ★

Clasifica en renovables y no renovables: el viento; el carbón; el lago de la presa; el uranio; la luz del Sol. ¿Qué define la clasificación?

Solución

Solución de Ejercicio 69.7.

Renovables: el viento, el lago (la lluvia lo rellena) y la luz del Sol. No: el carbón y el uranio — gastados para siempre en las escalas de tiempo humanas. La clasificación pregunta: ¿rellena la naturaleza la reserva al ritmo al que la vaciamos?

Ejercicio 69.8 ★

¿Por qué transporta la red su potencia a cientos de miles de voltios? Nombra la fórmula que ofrece la elección y el efecto que la decide.

Solución

Solución de Ejercicio 69.8.

$P = U I$ permite que una misma potencia viaje como tensión alta con poca corriente; el efecto calorífico hace que las pérdidas de los cables crezcan con la corriente. Poca corriente, cables frescos, energía salvada — así que la red transporta alto y escalona hacia abajo en la puerta de casa.

Ejercicio 69.9 ★★

Un alternador de demostración accionado a mano despacio enciende su lámpara débilmente y con parpadeo visible; accionado rápido, con brillo y sin parpadeo. Da cuenta de los dos cambios con las reglas del banco y con el capítulo de la frecuencia.

Solución

Solución de Ejercicio 69.9.

Accionamiento lento: tensión inducida pequeña (regla dos) — lámpara débil — y con pocos ciclos por segundo: parpadeo visible, por debajo del ritmo de fusión del ojo. Accionamiento rápido: tensión mayor — brillante — y una frecuencia que el ojo funde en algo constante. Dos mandos, una sola manivela.

Ejercicio 69.10 ★★

Una central entrega $1 \times 10^{8}\,\mathrm{W}$ . Compara las corrientes necesarias a $230\,\mathrm{V}$ y a $400\,000\,\mathrm{V}$ (en notación científica). ¿Cuál podrían llevar unos cables reales?

Solución

Solución de Ejercicio 69.10.

A $230\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 230 \approx 4.3 \times 10^{5}\,\mathrm{A}$ — cuatrocientos mil amperios: no hay cable así en la Tierra. A $400\,000\,\mathrm{V}$ : $I = 1 \times 10^{8} \div 4 \times 10^{5} = 250\,\mathrm{A}$ — un cable de transporte corriente. El caso del transformador, cerrado.

Ejercicio 69.11 ★★

Las centrales térmicas y las nucleares son, en el fondo, hervidores sofisticados. Defiende el eslogan con sus cadenas — y localiza el único eslabón en el que se diferencian.

Solución

Solución de Ejercicio 69.11.

Las dos cadenas dicen: reserva $\to$ calor $\to$ agua hirviendo $\to$ movimiento del vapor $\to$ rotación $\to$ electricidad — hervidores sofisticados que alimentan turbinas. Las cadenas se diferencian en un solo eslabón: qué fabrica el calor — la química del carbón que arde o la partición de los núcleos de uranio.

Ejercicio 69.12 ★★★

La gran gira, recorrida al revés: esta noche tu lámpara luce a $230\,\mathrm{V}$ . Sigue su energía aguas arriba por todas las casillas — transformador, torres, alternador, turbina y una reserva primaria que elijas —, nombrando la forma de energía en cada etapa y las fugas del camino. Después responde a la pregunta de la infancia con una frase de noveno curso: ¿de dónde viene en última instancia la luz de tu habitación?

Solución

Solución de Ejercicio 69.12.

Aguas arriba: los $230\,\mathrm{V}$ de la pared llegaron por el transformador del barrio (tensión escalonada hacia abajo), a lo largo de torres a cientos de kilovoltios (forma de transporte: CA de alta tensión, perdiendo un poco de calorcito), desde un alternador (rotación convertida en electricidad por inducción) movido por una turbina (movimiento del vapor o del agua) alimentada por una reserva — digamos el lago elevado de la presa, elevado por la evaporación del Sol. Y de ahí la frase de noveno curso: la luz de tu habitación es luz del Sol — almacenada, caída, girada y transportada.

69.5 Problema: turno de noche en la central

Problema 69.1

Problema de fin de semana — turno de noche en la central hidroeléctrica; inducción, sincronía y la tormenta; el diario del ingeniero

Acompañas como sombra a la ingeniera de noche en la presa del valle — el lago arriba, el pueblo abajo y los alternadores zumbando en medio.

Parte I — La sala de máquinas.

La ingeniera abre una compuerta: el agua truena por la turbina tres y los aparatos de su alternador despiertan. Escribe la cadena de energía del lago a la barra colectora.
Dentro del alternador, ¿qué se mueve y qué se queda quieto — y por qué tiene que moverse algo?
La red va a $50\,\mathrm{Hz}$ . La ingeniera vigila una esfera que mantiene la turbina tres exactamente en la rotación que le corresponde. ¿Qué se estropea a la velocidad equivocada? (¿Qué haría la frecuencia de su tensión?)
Un aprendiz pregunta si un imán más fuerte en el rotor daría potencia extra “gratis”. Corrige el sueño con el precio honrado de la dinamo.

Parte II — La demanda del pueblo.

A las 03:00 el pueblo absorbe $2 \times 10^{7}\,\mathrm{W}$ . Con los $200\,000\,\mathrm{V}$ de la línea de transporte, ¿qué corriente sale de la central?
Esa misma potencia a $230\,\mathrm{V}$ necesitaría ¿qué corriente — y qué dice la comparación sobre el oficio del transformador?
A las 07:00 despiertan los hervidores y las estufas: la demanda se dobla. ¿De qué tiene que darles más a las turbinas la ingeniera, y qué le pasaría a la frecuencia de la red si les diera demasiado poco? (Las máquinas se frenan bajo carga, como un ciclista en una cuesta.)
La central hermana — un parque eólico en la cresta — se cae al morir el viento. ¿Qué casilla de su cadena falló, y qué casillas se quedaron completamente sanas?

Parte III — La tormenta.

Un rayo secciona una línea de transporte; saltan los automáticos. La ingeniera redirige la potencia por las líneas vecinas. ¿Qué propiedad de la red — una gran malla en paralelo — hace posible el desvío?
Durante el apuro, las luces de una nave se ponen marronáceas durante un minuto. Interpreta: ¿qué flaqueó y de qué se quedaron brevemente mal alimentados los motores y las lámparas de la nave?
Amanece: el diario tiene que explicarles a los aprendices por qué la electricidad de toda la noche era, en su origen, luz del Sol. Redacta la explicación en dos líneas (lago, evaporación, lluvia).
Última línea del diario, por tradición: la física de la noche en una sola frase — con el movimiento, el magnetismo y el hervidor mañanero del pueblo dentro.

Solución

Solución de Problema 69.1.

1. Altura del lago $\to$ movimiento impetuoso del agua $\to$ rotación de la turbina $\to$ tensión alterna inducida en el alternador $\to$ barra colectora de la central. 2. El imán del rotor gira; las bobinas se quedan fijas. Sin movimiento no hay cambio del magnetismo a través de las bobinas — y sin cambio, la inducción no da absolutamente nada. 3. La frecuencia de la tensión copia a la rotación: velocidad equivocada, frecuencia equivocada — y una máquina fuera de compás con los $50\,\mathrm{Hz}$ de la red se pelea con todos los demás alternadores de la malla en vez de ayudarles. 4. Un imán más fuerte en el rotor sí induce más — y la turbina se pone al instante a trabajar más duro para mantenerlo girando contra el frenado magnético más tieso: más electricidad fuera exige más agua dentro, julio a julio. Paga el lago, no el imán. 5. $I = 2 \times 10^{7} \div 2 \times 10^{5} = 100\,\mathrm{A}$ . 6. $I = 2 \times 10^{7} \div 230 \approx 8.7 \times 10^{4}\,\mathrm{A}$ — ochenta y siete mil amperios: un cable imposible. El oficio del transformador es exactamente ese cambio — tensión arriba, corriente abajo, potencia intacta. 7. Más agua por las compuertas. Mal alimentadas, las máquinas cargadas se frenan como un ciclista en una cuesta — y la frecuencia de la red flaquea por debajo de cincuenta: todos los relojes y las máquinas de la malla notan una red hambrienta. 8. Solo la primera casilla — el viento, el empujón de las aspas. La turbina, el alternador y el transformador se quedaron perfectamente sanos, en calma chicha. 9. La red es una gran malla en paralelo: muchas carreteras unen cada central con cada pueblo, así que la parte de una línea seccionada puede circular por las ramas supervivientes — independencia del paralelo, a escala nacional. 10. Las líneas desviadas y sobrecargadas dejan que la tensión entregada flaquee por debajo de la nominal durante un minuto: las lámparas de la nave perdieron brillo y sus motores giraron con pereza — mal alimentados, como tiene que estarlo cualquier aparato por debajo de su tensión nominal. 11. “Todos los vatios de esta noche vinieron del agua del lago al caer; el Sol evaporó el mar y la lluvia lo trajo a nuestras montañas. Aquí hacemos girar luz del Sol — almacenada en un lago, con el cielo de intermediario”. 12. Por ejemplo: “El movimiento junto a unos imanes fabricó todos los voltios de la noche — y a las siete, diez mil hervidores le pidieron al lago que cayera un poco más deprisa”.

Términos definidos en este capítulo

Alternador

Ver los 393 términos del glosario