La generación eléctrica de CA mediante turbinas se produce cuando se induce una corriente eléctrica por la interacción entre partículas cargadas y campos magnéticos que convierten la energía cinética de la turbina en energía cinética de los electrones. De esta forma, una sociedad de alta energía obtiene la mayor parte de su electricidad. Según la ley de conservación de la energía, los generadores no crean energía. Más bien, convierten una forma diferente de energía en energía eléctrica. Esta forma de generación eléctrica se utiliza con todas las fuentes de energía que utilizan el movimiento de una turbina. Algunos ejemplos son la energía hidroeléctrica, la energía basada en combustibles fósiles, la energía nuclear y las centrales térmicas solares, entre otras. Casi todas las grandes centrales eléctricas generan corriente alterna, al igual que los generadores diesel.
Teoría
La Ley de Faraday establece que un flujo magnético cambiante en un conductor en bucle producirá una fuerza magnética que hará que los electrones del conductor se muevan, creando una corriente. Esto se conoce como inducción electromagnética y es el principio fundamental en el que se basan muchos generadores. La fuerza magnética aplicada a los electrones crea una tensión en el conductor que se conoce como fuerza electromotriz. La intensidad y la dirección de la fuerza electromotriz vienen determinadas por la intensidad y la dirección del campo magnético y la velocidad del imán o del conductor[2]. Los motores eléctricos funcionan exactamente al revés: la corriente eléctrica en un campo magnético crea movimiento.
Generador
La corriente eléctrica se genera cuando un bucle de alambre giratorio, conocido como inducido, se coloca en un campo magnético uniforme, o cuando un inducido estacionario se coloca en un campo magnético giratorio. En el primer caso, al girar la armadura, una mitad de la espira se mueve siempre en sentido contrario a la otra mitad de la espira. Esto provoca una fuerza electromotriz en direcciones opuestas para ambas mitades de la armadura, que se suman para permitir que fluya una corriente a través de la espira (véase la figura 1)[4]. El mismo resultado puede obtenerse con un imán giratorio alrededor de una armadura estacionaria. Esta generación de corriente depende por completo de la rotación de la armadura o del imán, y esta rotación es impulsada por las turbinas, que giran debido a una de las fuentes de energía mencionadas anteriormente. Para más información, visite hiperfísica.
Como se ve en la figura 2, los dos brazos del inducido están conectados a unos contactos deslizantes llamados escobillas. Una de las escobillas está conectada a un cable que se conecta a un sistema de distribución de energía y, finalmente, vuelve al cable que se conecta a la otra escobilla, completando el circuito y permitiendo que el generador alimente dispositivos. A medida que el inducido gira, el segmento de la velocidad del inducido perpendicular al campo magnético cambia de dirección. En otras palabras, cada mitad de la armadura cambia periódicamente de dirección a medida que la armadura gira. Esto hace que la corriente experimente una inversión periódica de la dirección. Además, como la fuerza magnética es directamente proporcional al segmento de la velocidad de la carga que es perpendicular al campo magnético, la fuerza electromotriz en el circuito varía al variar el segmento de la velocidad de la armadura perpendicular al campo. Esta tensión que varía sinusoidalmente, junto con la corriente que se invierte periódicamente, es característica de la corriente alterna.
Simulación de Phet
La Universidad de Colorado nos ha permitido amablemente utilizar la siguiente simulación de Phet. Esta simulación[1] ilustra cómo podría funcionar un generador de CA simplificado, con una turbina de agua que hace girar un imán que induce una corriente alterna en el inducido estacionario.