El primer generador

 

1. El primer generador

El funcionamiento de los convertidores electromecánicos (máquinas que transforman energía mecánica en eléctrica y viceversa) se sustentan en tres principios  fundamentales, como son:

a. — Que la corriente eléctrica, al circular por un conductor, puede hacer que el hierro o el acero se comporten como un imán.

b. — Que las corrientes eléctricas son capaces de ejercer fuerzas, a distancia, unas sobre otras.

c. — Que al moverse un conductor en el seno de un campo magnético se producen (Inducen) sobe él corrientes eléctricas.

Estas observaciones tan importantes en la génesis de los generadores y motores eléctricos, en particular, y para la Física en general, son debidas al trabajo y talento de tres grandes hombres de ciencia: Arago, Ampére y Faraday. Los tres nacidos en el siglo XVIII (Siglo de la Razón) pero que llegaron a su plenitud intelectual durante el XIX (Siglo de la Ciencia).

Los dos primeros principios enunciados por los franceses Dominique François, Jean Arago y André Marie Ampére, respectivamente, eran conocidos en el primer cuarto de siglo del XIX. Pero, sin duda, el principio definitivo fue el tercero, descubierto por el Inglés Michael Faraday, que marcó el punto de partida para la construcción de máquinas capaces de generar electricidad, que hasta entonces sólo era posible obtener a partir de procesos químicos en la conocida como "pila de Volta", descubierta en 1800 por el Italiano Alexandro Giuseppe Volta.

Aceptando que el descubrimiento de la "ley de la inducción" puede considerarse como el punto de partida para la creación del generador eléctrico, la fecha en que fue dada a conocer puede tomarse como el inicio de esta Historia de las Máquinas Eléctricas. 1831.

1.1. — LA INDUCCIÓN ELECTRO-MAGNÉTICA

Las investigaciones sobre electricidad realizadas por Michael Faraday entre 1831 y 1838, y publicadas en la revista Philosophical  Transactions, fueron recopiladas por el mismo científico en un volumen de alrededor de 600 páginas y editado bajo el título "Experimental Recherches in Electricity" en el año 1831. La obra, dividida en varias partes o series, describe un gran número de experiencias. La primera serie, leída el 24 de noviembre de 1831, se ocupa de los fenómenos de inducción electromagnética. En estos fenómenos se basa el principio de funcionamiento de las máquinas  eléctricas, motivo por el que se transcriben a continuación los apartados donde Faraday explica cómo llegó al importante descubrimiento de la inducción. Es interesante aclarar, como el mismo autor hace, que: "me propongo describir estos resultados, no como fueron obtenidos, sino en forma tal de dar la más concisa visión de conjunto".

1. — Inducción de corrientes eléctricas

* 6. Se arrollaron aproximadamente veintiséis pies de alambre de cobre de un vigésimo de pulgada de diámetro alrededor de un cilindro de madera, formando una hélice, intercalando un delgado hilo para impedir que las diferentes espiras se tocaran. Se cubrió esta hélice con tela de algodón y luego se aplicó un segundo alambre de la misma manera. En esta forma se superpusieron doce hélices conteniendo cada una una longitud promedio de alambre de veintisiete pies y todos en el mismo sentido. La primera, tercera, quinta, séptima, novena y undécima de estas hélices se unieron por sus terminaciones, extremo con extremo, de manera de formar una única hélice. Las otras se conectaron de forma análoga y así se obtuvieron dos hélices principales, estrechamente intercaladas, que tenían el mismo sentido, que no se tocaban en ninguna parte y que contenían cada una ciento cincuenta y cinco pies de longitud de alambre.

* 7. Una de estas hélices se conectó con un galvanómetro. La otra con una batería voltaica de diez pares de placas de cuatro pulgadas cuadradas, con chapas dobles y bien cargadas; sin embargo no pudo observarse la más ligera desviación de la aguja del galvanómetro.

* 8. Se construyó una hélice compuesta similar, formada por seis trozos de alambre de cobre y seis de alambre de hierro dulce. La hélice de hierro contenía doscientos catorce pies de alambre y la de cobre doscientos ocho pies; pero ya fuera que la corriente de la cubeta pasara por la hélice de hierro o la de cobre, ningún efecto podía percibirse en la otra, a través del galvanómetro.

* 9. En estos y en otros experimentos similares no aparecía diferencia de ningún tipo entre el hierro y otros metales.

* 10. Se arrolló un alambre de cobre de doscientos tres pies de longitud alrededor de un largo trozo de madera; se intercalaron otros doscientos tres pies del mismo alambre como una espiral entre las vueltas de la primera bobina, impidiendo con hilos el contacto metálico en todas partes. Una de estas hélices se conectó con un galvanómetro y la otra con una batería de cien pares de placas de cuatro pulgadas cuadradas con chapas dobles y bien cargadas. Al establecer el contacto se produjo un repentino y ligero efecto en el galvanómetro y también se produjo un ligero efecto similar cuando se interrumpió el contacto con la batería. Pero mientras la corriente voltaica continuaba pasando a través de una de las hélices, no pudo percibirse ninguna desviación galvanométrica ni ningún otro efecto semejante a la inducción sobre la otra hélice, aunque se probó que el poder activo de la batería era grande por el calentamiento de la totalidad de su propia hélice y por el brillo de la descarga cuando se hacía a través de carbón.

* 11. La repetición de los experimentos con una batería de ciento veinte pares de placas no produjo otros efectos; pero se confirmó tanto en esta oportunidad como en la anterior que la desviación de la aguja, la pequeña desviación, producida en el momento de completar la conexión, era siempre en un sentido y la igualmente pequeña desviación producida cuando se interrumpía el contacto era en el otro y también que estos efectos se producían cuando se usaron las primeras hélices (6, 8).

* 12. Los resultados que hasta ese momento había obtenido con imanes me llevaron a pensar que la corriente de la batería a través de un alambre inducía efectivamente una corriente similar a través del otro alambre, pero que continuaba sólo por un instante y participaba más de la naturaleza de la onda eléctrica que se produce por la descarga de una botella de Leyden común, que de la corriente proveniente de una batería voltaica y por lo tanto podía magnetizar una aguja de acero aunque apenas afectaba al galvanómetro.

Fig. 1. Reproducción de las 29 figuras, realizadas por el mismo Michael Faraday, en la primera serie de su “Experimental Recherches in Electricity” publicada en 1839.

2. — Producción de electricidad a partir del magnetismo

* 27. Con una barra redonda de hierro dulce se construyó un anillo soldado siendo el metal de siete octavos de pulgada de espesor y el anillo de seis pulgadas de diámetro externo. Se arrollaron tres hélices alrededor de una parte de este anillo; cada una contenía aproximadamente veinticuatro pies de alambre de cobre de un vigésimo de pulgada de espesor; estaban aisladas del hierro y entre sí, y superpuestas de la manera descrita anteriormente (6) ocupando aproximadamente nueve pulgadas de longitud sobre el anillo. Se podían usar separadamente o en forma conjunta; se indica el grupo con la letra A (fig. 1). De la misma manera se aplicaron sobre la otra parte del anillo alrededor de sesenta pies de alambre de cobre similar en dos trozos formando una hélice B, que tenía el mismo sentido común a las hélices de A pero que estaba separada de aquéllas en cada extremo por aproximadamente media pulgada de hierro sin cubrir.

* 28. Se conectó la hélice B por medio de alambres de cobre con un galvanómetro colocado a tres pies del anillo. Se conectaron las hélices de A extremo con extremo de manera de formar una hélice común cuyas terminaciones se unieron a una batería de cien pares de placas de cuatro pulgadas cuadradas. El galvanómetro fue inmediatamente afectado y en un grado mucho mayor que el descrito cuando, con una batería de potencia diez veces mayor, se utilizaron hélices sin hierro (10); pero aunque el contacto continuó el efecto no fue permanente puesto que la aguja volvió al reposo en su posición natural como si fuera completamente indiferente al dispositivo electromagnético conectado con ella. Al interrumpir el contacto con la batería, la aguja fue de nuevo fuertemente desviada en sentido contrario al inducido en primera instancia.

* 29. Disponiendo el aparato de modo que B quedara fuera de uso se conectó el galvanómetro con uno de los tres alambres de A (27) y los otros dos se unieron para formar una hélice a través de la cual se hizo pasar la corriente de la cubeta (28). Se produjeron efectos similares pero más fuertes.

Lo que Faraday había descubierto era algo tan sencillo como importante, a saber: La corriente eléctrica al circular por un conductor crea en sus proximidades un campo magnético. Al variar esta corriente (conectando o desconectando la batería), también varía el campo magnético creado. Esta variación de campo "induce" sobre un conductor sumergido en él, una corriente eléctrica.

El principio de los generadores, motores y transformadores estaba servido. La Ingeniería Eléctrica era ya posible.

Los resultados negativos en las experiencias (7), (8) y (9) se debieron, sin lugar a dudas, a la falta de observación en el instante de conectar la batería al primer bobinado. En ese momento debió de producirse una corriente inducida en el segundo devanado, como se comprobó en las experiencias (10), (11) y (12).

El desarrollo matemático de los trabajos experimentales de Faraday dio lugar a la teoría de Maxwell, sintetizada en cuatro fórmulas clásicas. James Clerk Maxwell en el prólogo de su "A Teatrise on Electricity and Magnetism" puntualiza el origen de sus teorías y remarca con toda rotundidad la importancia de las investigaciones de Faraday. Es interesante el párrafo siguiente:

"En cuanto comencé con el estudio de Faraday, comprendí que su manera de concebir los fenómenos era también una forma matemática, aunque no la presentara de una forma convencional de los símbolos matemáticos. Encontré también que estos métodos podían ser expresados en las formas matemáticas ordinarias, y por tanto comparados con aquellos de los matemáticos.

Por ejemplo, Faraday, con los ojos de su imaginación ve líneas de fuerza atravesando el espacio donde los matemáticos ven centros de fuerza atrayendo a distancia; Faraday ve un medio donde ellos no ven más que distancias; Faraday busca un asiento de los fenómenos en acciones reales propagándose en el medio, ellos se satisfacen con encontrar...".

La primera memoria de Maxwell, basada en los trabajos de Faraday (1791-1867), fue publicada en el volumen 10 de Cambridge Transactions en el año 1856 todavía en vida de Michael Faraday.

1.2. — EL DISCO DE FARADAY

Faraday repitió los experimentos del físico danés Hans Christian Oesterd proponiéndose demostrar con ellos que a partir del magnetismo era factible producir electricidad. En el año 1831 conseguía lo que buscaba con la ayuda del sistema conocido como "Disco de Faraday". Recurriendo a sus propias palabras:

*85. Se montó sobre un soporte un disco de cobre de doce pulgadas de diámetro y aproximadamente un quinto de pulgada de espesor, fijo sobre un eje de bronce, en forma tal de permitirle girar ya sea vertical u horizontalmente, estando al mismo tiempo su borde más o menos introducido entre los polos magnéticos (fig. 7). El borde de la placa estaba bien amalgamado con el propósito de obtener un contacto bueno pero móvil y una parte alrededor del eje se preparó también de la misma manera.

* 86. Se construyeron conductores o colectores eléctricos de cobre y plomo de manera de ponerse en contacto con el borde del disco de cobre (85) o con otras formas de placa que se describirán más adelante (101). Estos conductores eran de alrededor de cuatro pulgadas de largo, un tercio de pulgada de ancho y un quinto de pulgada de espesor. Uno de los extremos estaba ligeramente acanalado para permitir una más exacta adaptación con el borde algo convexo de las placas y entonces era amalgamado. El otro extremo estaba unido con el galvanómetro por medio de un alambre de cobre de un dieciseisavo de pulgada de diámetro, enrollado en sus extremos de la manera corriente.

El disco de Faraday puede considerarse como el primer generador de energía eléctrica, electromecánico, del que se tiene noción. Debido a la simplicidad de la figura, en la obra de Faraday, se va a explicar el fenómeno generador en un montaje más complejo, representado en la figura 2.

El generador de Faraday está constituido por un disco de cobre que gira entre los polos de un imán permanente. En versiones mejoradas el imán fue sustituido por un electroimán (este es el caso que nos ocupa). El disco D gira solidario con su eje E, que a su vez es arrastrado por la manivela M. Sobre el eje se coloca una conexión por frotamiento (X) al igual que sobre la periferia del disco (Y).

Al accionar la manivela (y girar el disco) se inducía una tensión, perpendicular al eje de giro (y en consecuencia a la dirección del flujo de excitación). Por lo tanto entre X e Y se establece una diferencia de potencial que hace circular por los conductores una corriente eléctrica.

Este tipo de aparatos, aunque eran ya verdaderos generadores eléctricos, no pasaban de meros instrumentos de demostración.

Fig. 2. Disco de Faraday o primer generador eléctrico basado en el fenómeno de la inducción electro-magnética.

1.3. — EL PRIMER GENERADOR ELECTRICO

En el año 1832, tan sólo un año después de haberse descubierto la ley de la inducción, André Marie Ampére encargó al constructor parisino de instrumentos Hippolyte Pixii, que trabajaba para él, la construcción de un generador eléctrico. Este fue el primer generador de corriente continua, presentado por Ampére ese mismo año en la Academia de Ciencias de París.

Esta máquina, esquematizada en la figura 3, estaba constituida por un par de bobinas (B) conectadas en serie. En ellas se inducía una corriente cuando el imán, en forma de herradura I, giraba mediante el sistema de ruedas dentadas (R), accionadas por la manivela M. Las corrientes en las bobinas cambiaban constantemente de sentido, ya que los polos del imán afectaban alternativamente a una y otra bobina. Esta corriente (conocida hoy como corriente alterna) no se consideraba aceptable, sobre todo teniendo en cuenta que la corriente conocida y utilizada en la época era producida por pilas electroquímicas (corriente constante o continua). Para evitar este problema se añadió un elemento (C) llamado conmutador, que evitaba en parte el citado inconveniente.

Fig. 3. Generador eléctrico de Hippolyte Pixii. Construido en 1832.

El conmutador consistía en un anillo deslizante dividido en dos partes, iguales y aisladas entre sí. Las bobinas se conectaban, cada uno de sus extremos libres, al conmutador mediante unas escobillas de frotamiento E, obteniéndose la corriente en los cables de salida a través de otro par de escobillas K, también de frotamiento. Al girar el imán y, en consecuencia, el conmutador, el diseño de éste hacía que la K de la izquierda conectase con la parte superior de C en media revolución mientras la otra K conectaba con la parte inferior de C. Durante la otra media revolución se volvían las tornas, la K de la izquierda contactaba con la parte inferior de C y la K de la derecha con la superior. Y así sucesivamente. Dado que la corriente en las dos bobinas se va alternando, el generador produce una corriente, si no constante, por lo menos no alterna, pudiendo por lo tanto considerarse el generador de corriente continua.

La máquina presentada en la Academia de Ciencias tenía unas bobinas de 4.000 vueltas y un imán permanente con una fuerza de atracción de aproximadamente 1.000 N.

Fig. 4. Original de generador Pixii (1832) que se conserva en el Deutsches Museum de Munich.

Prácticamente al mismo tiempo el americano Joseph Saxton construía una máquina semejante con la diferencia, frente a la de Pixii, de que lo que giraba era el inducido o sea las bobinas montadas sobre un núcleo metálico, frente a un imán fijo.

El físico y fabricante de aparatos de laboratorio Edward Clarke, inglés, en 1833 mejoró la conmutación de una de las máquinas de Saxton, pasando ésta a la posteridad como "máquina de Clarke" (figura 5). 

En la figura se representan por BB' las bobinas de hilo de cobre recubiertas de seda, como aislante, y por DD' el imán de herradura. Mediante una manivela provista de una cadena sin fin, se hacían girar las bobinas frente al imán, induciéndose unas corrientes eléctricas en los hilos conductores de estas. El mismo eje de giro del inducido móvil E hace las veces de conmutador C, que transforma en una sola corriente del mismo signo la serie de corrientes alternativamente positivas y negativas engendradas por la máquina.

Fig. 5. Máquina magneto-eléctrica de Clarke.

Estas máquinas no pasaban de ser meros instrumentos demostrativos en los cursos de Física, pero producían unas corrientes eléctricas donde los efectos, tanto físicos como químicos, eran absolutamente los mismos que los producidos por las corrientes de las pilas voltaicas. Así, la electricidad proveniente del movimiento de un hilo conductor alrededor de un imán era, absolutamente la misma, que la originada en una reacción química.

Las bases para crear una futura máquina industrial, capaz de constituir una fuente de abundante energía eléctrica, estaban sentadas. Tan sólo se necesitaba colocar un suficiente número de bobinas delante de un potente imán o varios imanes acoplados y disponer de un suficiente par mecánico que proporcione el movimiento al sistema.

En general, y resumiendo, la forma de producir electricidad a partir del movimiento consiste en desplazar, a gran velocidad, un cuerpo conductor, como puede ser un hilo de cobre, delante de un cuerpo imantado. Estas máquinas se clasificarían con el tiempo en dos grupos:

— Si el desplazamiento se produce frente a un imán permanente se conocen como "máquinas magneto-eléctricas".

— Cuando el campo inductor es creado por un imán artificial (electroimán) se les denominó "máquinas dinamo-eléctricas".

Según esta clasificación, las máquinas de Pixii, Saxton y Clarke pertenecen a la primera clasificación (magnetoleléctricas).

Se había descubierto la transformación de energía mecánica en eléctrica. Por otra parte, el conmutador constituyó un elemento básico y fundamental en la tecnología eléctrica, ya que fue el primer aparato capaz de invertir el sentido de una corriente eléctrica. Si a todo esto sumamos la importante relación encontrada por el alemán Georg Simon Ohm, que establecía que: "la corriente que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial establecida entre sus extremos", las bases de una importante ciencia, técnica e industrial estaban al alcance del hombre. El proceso no se ha detenido aún.

Tal vez lo que más ayudó al desarrollo de los generadores eléctricos fue encontrar aplicaciones a la energía que éstos producían. Hasta el año 1840, poco más o menos, no se había encontrado ninguna aplicación útil a estas máquinas.

 

FUENTE:

Luis Martínez Barrios

Departamento de Ingeniería Eléctrica. Universidad Politécnica de Catalunya