Motor y generador eléctrico
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Autor: Hernán Ferrari
Responsable disciplinar: Silvia Blaustein
Área disciplinar: Física
Temática: Fuerzas magnéticas. Generador eléctrico
Nivel: Secundario, ciclo básico
Secuencia didáctica elaborada por Educ.ar
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Propósitos generales
Promover el uso de los equipos portátiles en el proceso de enseñanza y aprendizaje.
Promover el trabajo en red y colaborativo, la discusión y el intercambio entre pares, la realización en conjunto de la propuesta, la autonomía de los alumnos y el rol del docente como orientador y facilitador del trabajo.
Estimular la búsqueda y selección crítica de información proveniente de diferentes soportes, la evaluación y validación, el procesamiento, la jerarquización, la crítica y la interpretación.
Introducción a las actividades
Un motor eléctrico es una máquina que transforma energía eléctrica en energía mecánica por medio de interacciones electromagnéticas. Algunos de los motores eléctricos son reversibles: pueden transformar energía mecánica en energía eléctrica, al funcionar como generadores. Si se los equipa con frenos regenerativos, los motores eléctricos de tracción usados en locomotoras realizan a menudo ambas tareas.
Son ampliamente utilizados en instalaciones industriales, comerciales y particulares. Pueden funcionar conectados a una red de suministro eléctrico o a baterías, configuración que se llama híbrida. Así, se están empezando a utilizar vehículos híbridos a gasolina y electricidad, para aprovechar las ventajas de ambas.
Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Es una máquina destinada a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura. Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (FEM). Los generadores eléctricos están basados en la ley de Faraday, que se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831. Dicha ley establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.
Un motor eléctrico realiza el trabajo inverso al del generador: transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.
Objetivos de las actividades
Que los alumnos:
- estudien el mecanismo básico por el cual funciona un motor eléctrico al utilizar las fuerzas magnéticas entre imanes y electroimanes;
- comprendan la ley de inducción de Faraday para entender el principio por el cual se puede generar la electricidad que se consume en los hogares.
Actividad 1
1. Observen los siguientes videos:
¿En qué experimento se basó Faraday para comenzar a realizar las investigaciones que tenían por objetivo crear electricidad con campos magnéticos (presencia de un imán)? Enúncienlo.
¿Qué hacía el primer motor eléctrico creado por Faraday y qué tarea realizan los motores eléctricos en la actualidad?
Describan en detalle la fuerza magnética sobre una carga en movimiento en un campo magnético (presencia de un imán). ¿Qué sucede con un conductor moviéndose en un campo magnético?
Describan cómo se puede crear una corriente eléctrica en una espira que se mueve cerca de un imán o, en forma análoga, si se mueve el imán con la espira quieta. Enuncien la ley de Faraday.
¿En qué sentido circula la corriente inducida sobre un circuito respecto de la variación del flujo de campo magnético en el circuito?
Enuncien el agregado que realizó Lenz a la ley de Faraday, para dar cuenta de la dirección de la corriente inducida.
a) Elaboren un informe escrito con el programa Write de sus equipos portátiles, sobre las respuestas anteriores y las conclusiones a las que pueden arribar.
Actividad 2. Motor eléctrico
1. Observen la siguiente simulación realizada en lenguaje de programación java sobre el funcionamiento de un motor eléctrico.
¿Para qué tiene el cilindro de adelante una parte negra?
¿De qué material eléctrico debe ser esa región?
¿Qué resultado se consigue con esta región negra en parte del cilindro?
¿La espira gira sola o debe moverse con algo externo?
¿Qué sucede si se invierte el sentido de la pila que alimenta el circuito eléctrico?
a) Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles, sobre los pasos realizados en la actividad, las respuestas anteriores y las conclusiones a las que pueden arribar.
Actividad 3. Generador eléctrico
1. Observen la siguiente simulación realizada en lenguaje de programación java sobre el funcionamiento de un generador eléctrico:
Si como sucede en la simulación, la espira gira con velocidad angular constante, ¿qué tipo de voltaje se induce sobre la espira, tal cual se mide con el voltímetro?
¿La espira gira sola o debe moverse con algo externo?
¿Qué sucede al variar la velocidad con la que gira la espira? Probando con los valores de la velocidad y lo que mide el osciloscopio, traten de dar una respuesta cuantitativa.
¿Qué sucede si se invierte el sentido en que gira la espira?
¿Qué resultado se consigue con la región negra en parte del cilindro que aparece al seleccionar la opción “con conmutador”?
a) Realicen un informe con el programa Write de sus equipos portátiles, sobre los pasos realizados en la actividad, las respuestas anteriores y las conclusiones a las que pueden arribar.