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
