Generador

De Laplace

1 Introducción

2 Definición de generador

Un generador es un dispositivo que puede producir una corriente eléctrica ejerciendo una fuerza no electrostática sobre las cargas eléctricas. Debe ser no electrostática pues un campo electrostático no puede producir trabajo neto sobre una curva cerrada y por tanto no puede mantener una corriente en un circuito cerrado. Como ejemplos de estas fuerzas tenemos fuerzas magnéticas, químicas o mecánicas, e incluso eléctricas (no estáticas).

Esta fuerza, que se representa por un campo efectivo , mueve a las cargas situadas en el interior del generador, separándolas y creando la aparición de un polo positivo (o ánodo) y uno negativo (o cátodo).

Esta separación de cargas provoca la aparición de un campo eléctrico, que irá de las cargas positivas a las negativas y tenderá a recombinarlas (actuando por tanto en contra del campo efectivo )).

Cuando el sistema está en circuito abierto, esto es, no hay conexión exterior entre los polos del generador, las cargas son separadas por el campo efectivo hasta que se alcanza el equilibrio. Éste se produce cuando el campo eléctrico (que va creciendo a medida que se separan las cargas) compensa exactamente al efectivo. La corriente eléctrica a partir de ese momento es nula. Hay que destacar que, a diferencia del campo efectivo, el campo eléctrico existe tanto dentro como fuera del generador.

Si se cierra el circuito, conectando los polos mediante un material óhmico, las cargas tienen la posibilidad de recombinarse viajando por el exterior del generador y así lo hacen, impulsadas por el campo eléctrico exterior. Esto quiere decir que la carga acumulada en los polos es menor que en circuito abierto y el campo eléctrico en el interior del generador será menor que el campo efectivo. Por tanto, en el interior el campo efectivo produce una densidad de corriente en su misma dirección y sentido, cuya intensidad deberá ser igual a la que fluye de vuelta por el exterior.

3 Definición de fuerza electromotriz

La acción neta de las fuerzas no electrostáticas que actúan en los generadores se mide con la fuerza electromotriz, cuya unidad es el voltio y definida como

esto es, la integral a lo largo de una curva cerrada de la fuerza total por unidad de carga. Esta fuerza total incluye al campo electrostático como al campo efectivo .

En circuito abierto, la fuerza electromotriz equivale a la diferencia de potencial entre bornes del generador

Cuando se establece la corriente, el campo no electrostático no sólo debe compensar al campo eléctrico, sino que debe devolver a las cargas, que han circulado por el exterior, a su electrodo original. Por ello, debe ser superior al campo eléctrico, ya que ha de superar la resistencia que opone el propio generador al movimiento de cargas por su interior, lo que se expresa a través de la relación

donde V_P − V_N es la diferencia de potencial entre bornes, I la corriente que atraviesa el generador y r la resistencia interna de éste.

Hay que remarcar que en el interior de un generador no se verifica la ley de Ohm, ya que la corriente o bien es nula o bien va en sentido opuesto al campo eléctrico. En todo caso, se verifica cuando el agente externo actúa en un medio óhmico.

Modelando un generador real en un circuito equivalente, lo podemos considerar como compuesto de un generador ideal (sin resistencia interna) asociado en serie con una resistencia r.

Cuando se describe una curva cerrada en un sistema en estado estacionario, atravesando uno o varios generadores, la definición de fuerza electromotriz, trasladada al circuito equivalente, conduce a la ley de Kirchhoff para las mallas

donde las I_i son las corrientes que circulan por las distintas ramas que recorremos, y las R_i incluyen también las resistencias internas de las fuentes.

4 Relación con el voltaje

4.1 En circuito abierto

4.2 En circuito cerrado

5 Potencia de un generador

6 Modelo circuital de generador

6.1 Fuente de tensión

6.2 Fuente de intensidad

7 Ejemplos

7.1 Generador de Van de Graaf

7.2 Espira móvil