Obtención de la Corriente Alterna.

Supongamos que tenemos un campo magnético homogéneo formado entre dos polos norte (N) y sur (S) de un electroimán. En el interior del campo, bajo la acción de una fuerza ajena, se desplaza describiendo una circunferencia en el sentido de las agujas del reloj un conductor metálico rectilíneo. Como es sabido, la intersección de las líneas magnéticas por el conductor llevará a la aparición en el mismo de una fuerza electromotriz (f.e.m) inducida. La magnitud de la f.e.m. depende de la magnitud de la inducción magnética "B", la longitud activa del conductor "l", velocidad de intersección de las líneas magnéticas "v" por el conductor y seno del ángulo "α" entre la dirección del movimiento del conductor y la del campo magnético.

Descompongamos la velocidad circunferencial "v" en sus dos componentes: normal y tangencial con relación al sentido de la inducción magnética "B". La componente normal de la velocidad vn condiciona la f.m.e. inducida que surge y es igual a:

La componente tangencial de la velocidad vt no participa en la creación de la f.e.m. inducida y es igual a:

cuando α = 90º, la velocidad normal

es decir, en este caso la componente normal de la velocidad tiene su máximo valor. El mismo valor tiene en este momento la magnitud de la f.e.m. inducida en el conductor:

de donde, la expresión general para la f.e.m. en el conductor será:

Durante el movimiento el conductor ocupará diversas posiciones. En la figura 1 las posiciones del conductor se dan cada 45º de ángulo de giro. Al examinar las posiciones del conductor, vemos que el ángulo de intersección "α" varía y, al pasar el conductor la línea neutra, la dirección de la f.e.m. inducida, determinada según la regla de la mano derecha, también cambia. (Regla de la mano derecha)

Figura 1: Obtención de la corriente alterna.

Para representar claramente la variación de la f.e.m. inducida en el conductor, aprovechamos el método gráfico. Tracemos dos ejes recíprocamente perpendiculares. En el eje horizontal marquemos a escala los ángulos de giro del conductor, y en el vertical, con otra escala, la magnitud de la f.e.m. inducida en el conductor en función del tiempo. Si la f.e.m. inducida en el conductor al pasar por debajo del polo sur la consideramos positiva y marcamos desde el eje horizontal hacia arriba, la f.e.m. inducida en el conductor al pasar por debajo del polo norte (N) se debe considerar negativa y habrá que marcarla desde el eje horizontal hacia abajo. Trazando después, a través de los segmentos que representan los valores de las f.e.m., una línea continua, obtendremos una curva denominada sinusoide. Por medio de esta curva podemos fácilmente determinar la magnitud de la f.e.m en cualquier momento de tiempo.

El alternador expuesto en la figura 2 permite tomar y derivar a la red exterior una f.e.m. alterna. El conductor en forma de cuadro rectangular (1 y 2) gira en el campo magnético bajo la acción de una fuerza ajena. Los extremos del cuadro están unidos a dos anillos de cobre (3 y 4) y sobre los cuales van puestas dos escobillas de carbón (5 y 6). Por la red exterior (R) pasará una corriente que varía en magnitud y en dirección. Tal corriente se llama alterna, diferenciándose de la continua que producen las pilas eléctricas y acumuladores.

En la creación de la f.e.m. inducida no participarán todos los lados del cuadro, sino solamente los que cortan las líneas magnéticas. Estos lados se denominan lados activos.

La estructura del alternador expuesto prácticamente no puede ser utilizada. Su defecto consiste en la dificultad de crear un campo magnético homogéneo y en la gran reluctancia al flujo magnético el cual recorre por el aire gran parte de su camino.

Figura 2: Alternador para derivar la corriente alterna del rotor. 

En las máquinas eléctricas entre los polos del electroimán se aloja un tambor de acero (rotor) en cuyas ranuras se colocan los conductores del devanado. En la figura 3 esta representado esta máquina. En este caso las líneas magnéticas tienen que pasar por el aire un corto tramo entre el acero de los polos y del rotor. Se puede demostrar, que las líneas magnéticas, pasando por el entrehierro, entrarán en el rotor en dirección radial y en la misma dirección saldrán del mismo para llegar al otro polo. En este caso la dirección de la velocidad circunferencial es perpendicular en cada momento a la de las líneas magnéticas, es decir, que la velocidad siempre sera normal (v = vn).

Figura 3: Flujo magnético de una máquina con rotor.

El deseo de obtener una f.e.m sinusoidal obliga a los diseñadores de la máquina a dar tal forma a los terminares polares, que la inducción magnética en el entrehierro varíe según la ley sinusoidal.

donde Bm es la inducción magnética máxima en el entrehierro, siendo α = 90 º, o sea

En este momento la f.e.m. inducida en el conductor también tiene el valor máximo:

de donde la expresión general para la f.e.m. en el conductor será:

Para obtener una f.e.m. inducida en un alternador, es indiferente si el conductor móvil atraviesa un campo magnético inmóvil, o bien un campo móvil corta un conductor fijo. En los ejemplos anteriormente vistos, el devanado donde se inducía la f.e.m. alterna se disponía sobre la parte giratoria de la máquina: el rotor; y los polos eran situados en la parte fija de la misma: el estator.

Sin embargo, para situar el devanado de corriente alterna en condiciones más favorables, éste se dispone con frecuencia sobre el estator, mientras que el devanado de excitación se coloca sobre el rotor. Un alternador semejante está representado en la figura 4.

Figura 4: Alternador bipolar.

La corriente continua, necesaria para el devanado inductor, se suministra de un generador excitador especial de corriente continua, asentado sobre el mismo árbol del alternador, o de un dispositivo rectificador.