Física: Motores eléctricos

Introducción

El cobre es un excelente conductor eléctrico. Por eso se utiliza en tantas aplicaciones, incluyendo los motores eléctricos. Usamos motores eléctricos en el hogar y en el trabajo. Otros lugares en los que se usan motores eléctricos:

  • Un ascensor: un motor eléctrico mueve el ascensor hacia arriba y hacia abajo. Otro motor hace funcionar las puertas.
  • Un coche: Los coches tienen varios motores eléctricos. El motor de arranque enciende el motor de gasolina para ponerlo en marcha. Otros motores hacen funcionar los limpiaparabrisas. Algunos coches tienen motores eléctricos para hacer funcionar las ventanas e incluso los retrovisores.
  • Un tren eléctrico: Un tren eléctrico tiene un motor potente para impulsarlo.

¿Qué hay dentro de un motor eléctrico?

  • Bobina: la bobina está hecha de cable de cobre – porque es un excelente conductor. Está enrollada sobre una armadura. La bobina se convierte en un electroimán cuando la corriente fluye a través de ella.
  • Armadura: la armadura sostiene la bobina y puede ayudar a reforzar el electroimán. Esto hace al motor más eficiente.
  • Imanes permanentes: hay dos imanes permanentes. Producen un campo magnético estable de tal forma que la bobina girará cuando una corriente fluya en ella. Algunos motores, en lugar de imanes permanentes, tienen electroimanes, hechos con más bobinas de cable de cobre.
  • Conmutador: cada extremo de la bobina está conectado a una de las dos mitades del conmutador. El conmutador invierte los contactos cada medio giro.
  • Escobillas: las escobillas presionan el conmutador. Mantienen el contacto con el conmutador incluso aunque esté girando. La corriente fluye dentro y fuera del motor a través de las escobillas.
  • Pieza conformada de acero: la pieza conformada está hecha de material magnético que une los dos imanes permanentes y, en consecuencia, los hace un único imán con forma de herradura. Los motores comerciales a menudo utilizan un imán en herradura.

¿Cómo funciona?

El motor está conectado a una batería. Cuando el interruptor está cerrado, la corriente empieza a fluir y la bobina se convierte en un electroimán. En este caso, la corriente fluye en la dirección opuesta a la horaria en la cabeza de la bobina. Esto convierte la cabeza en polo norte. Este polo norte está atraído por el polo sur de la izquierda, así que la cabeza gira hacia la izquierda. Observa que la parte más baja de la bobina es un polo sur y que está atraída por el imán de la derecha.

Cuando la bobina se pone en posición vertical, no hay fuerza rotativa en ella porque el electroimán de la bobina está alineado con los imanes permanentes. Si la corriente de la bobina fuera constante, la bobina se pararía en esa posición. Sin embargo, para que siga girando, el conmutador interrumpe el contacto en esa posición. Así la corriente deja de fluir por un momento. El impulso de la bobina la mantiene girando y los contactos se vuelven a conectar. Sin embargo, ahora se encuentran en la otra dirección. Por tanto, el lado de la bobina que solía ser un polo sur ahora es un polo norte.

El conmutador seguirá invirtiendo contactos cada medio giro (cuando la bobina se encuentra en posición vertical). De este modo, el motor sigue girando.

El efecto motor

El efecto motor (eléctrico) es lo que hace girar un motor. Podemos ver su funcionamiento en un solo trozo de cable de cobre.

Catapulta eléctrica

Imagina un trozo suelto de cable de cobre en unos raíles de cobre. El trozo suelto de cable está entre los polos de un imán. Los raíles están conectados a un suministrador de energía. ¿Qué pasará cuando conectemos la tensión? El campo magnético hace que el cable se mueva pero sólo cuando hay corriente eléctrica en el cable.

El campo magnético apunta del polo norte del imán a su polo sur y está en ángulo recto a la corriente. Esta disposición produce la mayor fuerza y hace que el cable se mueva. La corriente en un cable en ángulo recto al campo magnético produce una fuerza en el cable.

Haciéndola girar

Podemos entender un motor de la misma manera. Cuando la corriente fluye por la bobina:

  • Un lado de la bobina siente un empuje hacia arriba.
  • El otro lado siente un impulso hacia abajo.

Estas dos fuerzas juntas hacen girar la bobina en su eje.

Cuándo invertir la corriente

Cuando la bobina está en posición vertical, no hay ninguna fuerza rotatoria tratando de hacerla girar. Las dos fuerzas intentan tirar de los extremos de la bobina hacia fuera. Es en este punto cuando el conmutador invierte los contactos.

Si la bobina ya estaba girando, su impulso le hará sobrepasar la posición vertical. Cuando los contactos se vuelvan a conectar, el conmutador habrá invertido la corriente. Así que el lado de la bobina del que antes se tiraba hacia arriba, lo es ahora hacia abajo, y viceversa.

Por tanto, la bobina sigue girando en la misma dirección.

Transferencia de energía

Los motores eléctricos se calientan al usarlos. El calentamiento proviene de energía disipada en forma de calor y supone una pérdida. ¡Queremos que los motores hagan mover cosas, no utilizarlos como calefacción!

La energía se pierde cuando la corriente eléctrica fluye a través de las bobinas del motor Los cables de las bobinas tienen resistencia eléctrica, cuanto mayor sea la resistencia más difícil es para la corriente fluir y por tanto más energía se pierde.

El cobre es un buen metal para su uso en bobinas de motores porque:

  • tiene menos resistencia que casi cualquier otro metal,
  • se puede transformar fácilmente en cables de cobre,
  • no es demasiado caro,
  • puede resistir a altas temperaturas,
  • se puede reciclar fácilmente cuando se reemplace el motor.

¿Sabías que…?

Cada tren de alta velocidad utiliza cerca de 20 toneladas de componentes que contienen cobre, principalmente en transformadores de tensión y motores eléctricos. Los pantógrafos de los trenes de alta velocidad ejercen una enorme fuerza en las catenarias que suministran la corriente. Se han desarrollado aleaciones especiales de cobre que mantienen el contacto necesario a medida que aumenta la velocidad del tren.

Diagramas de Sankey de un motor eléctrico

Figura 1. Motor eléctrico eficiente

Un motor eficiente transfiere la mayor parte de la energía eléctrica suministrada a un motor eléctrico como energía cinética (trabajo útil). Sólo se pierde una pequeña fracción cuando calienta el entorno. Podemos verlo en el Diagrama de Sankey de la figura 1. El tamaño de las flechas representa la cantidad de cada tipo de energía.

Un motor ineficiente como el representado en el diagrama de la figura 2, pierde mucha más energía (notas como se va calentando).

Figura 2. Motor eléctrico ineficiente