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Bloque D · Electromagnetismo y óptica

Tema 23

Generación de corrientes alternas. Generadores y motores. Transformadores y transporte de la corriente eléctrica. Influencia de la electricidad en el cambio de las condiciones de vida.

Por , profesor de Física y Química en Secundaria

La generación y el uso de la corriente alterna constituyen una de las aplicaciones más trascendentes de la física: sin ella no existirían la red eléctrica, la iluminación doméstica ni la mayor parte de la tecnología moderna. Todo el tema descansa sobre un único principio físico, la inducción electromagnética descubierta por Faraday en 1831, que permite transformar energía mecánica en energía eléctrica y viceversa. A partir de él se comprenden los generadores (alternadores y dinamos), los motores, los transformadores y el sistema completo de producción, transporte y consumo de la electricidad.

Dentro del temario de Física y Química (cuerpo 590-007), este tema se sitúa en el bloque de electromagnetismo y actúa de puente entre la teoría del campo magnético y sus aplicaciones tecnológicas. Su valor didáctico es doble: cierra el recorrido conceptual electricidad-magnetismo-inducción y, a la vez, conecta la física con la técnica y con las profundas transformaciones sociales que la electrificación trajo consigo. Conviene subrayar de entrada que la elección de la corriente alterna frente a la continua no fue casual, sino la consecuencia física de que solo la corriente alterna puede transformarse con facilidad, requisito imprescindible para un transporte eficiente de la energía a larga distancia.

1. Generación de corrientes alternas

El fundamento: la ley de Faraday-Lenz

Una corriente eléctrica puede generarse sin pila ni batería, únicamente variando el flujo magnético que atraviesa un circuito. El flujo de un campo magnético B⃗\vec{B} a través de una superficie SS se define como:

Φ=∫SB⃗⋅dS⃗=B A cos⁡θ\Phi = \int_S \vec{B}\cdot d\vec{S} = B\,A\,\cos\theta

donde la última igualdad vale para un campo uniforme y una espira plana de área AA, siendo θ\theta el ángulo entre B⃗\vec{B} y la normal a la superficie. Su unidad en el SI es el weber (1 Wb=1 T⋅m21\ \mathrm{Wb} = 1\ \mathrm{T\cdot m^2}).

La ley de Faraday establece que la fuerza electromotriz (fem) inducida en un circuito de NN espiras es proporcional a la rapidez con que varía el flujo:

ε=−N dΦdt\varepsilon = -N\,\frac{d\Phi}{dt}

El signo negativo expresa la ley de Lenz: la corriente inducida circula en el sentido que se opone a la variación de flujo que la origina. Es una manifestación directa del principio de conservación de la energía, pues de no ser así se obtendría energía eléctrica de forma indefinida y gratuita.

La espira giratoria y la fem sinusoidal

El modo más eficiente de variar el flujo de forma continua es hacer girar una espira con velocidad angular ω\omega constante dentro de un campo magnético uniforme. Si en el instante inicial la normal a la espira es paralela al campo, el ángulo evoluciona como θ=ωt\theta = \omega t y el flujo a través de cada espira vale:

Φ(t)=B A cos⁡(ωt)\Phi(t) = B\,A\,\cos(\omega t)

Aplicando la ley de Faraday a las NN espiras se obtiene la fem inducida:

ε=−N dΦdt=N B A ω sin⁡(ωt)=ε0 sin⁡(ωt)\varepsilon = -N\,\frac{d\Phi}{dt} = N\,B\,A\,\omega\,\sin(\omega t) = \varepsilon_0\,\sin(\omega t)

El resultado es una fem sinusoidal, alterna, cuyo valor máximo o amplitud es:

ε0=N B A ω\varepsilon_0 = N\,B\,A\,\omega
Espira girando en un campo magnético uniforme (alternador)Una espira rectangular gira con velocidad angular omega en torno a un eje vertical dentro de un campo magnetico uniforme B dirigido de izquierda a derecha entre un polo norte y un polo sur. La normal a la espira forma un angulo theta igual a omega por t con el campo. Dos anillos colectores y sus escobillas conducen al circuito exterior la fuerza electromotriz alterna generada.NSBωespiraθ = ωtnanillos colectores y escobillasfem inducidaε = ε₀ sen(ωt)
Figura 1. Espira de N vueltas girando con velocidad angular ω dentro de un campo magnético uniforme B: la variación del flujo induce una fem alterna ε = ε₀·sen(ωt), recogida por los anillos colectores y las escobillas. Elaboración propia

Si el circuito es resistivo, la intensidad también será sinusoidal, i(t)=I0 sin⁡(ωt)i(t) = I_0\,\sin(\omega t). Esta es la esencia de la corriente alterna (CA): la tensión y la intensidad cambian periódicamente de valor y de sentido siguiendo una función seno.

Magnitudes características de la corriente alterna

La corriente alterna se describe con las magnitudes propias de todo movimiento periódico: la frecuencia ff (número de ciclos por segundo, en hercios), el periodo T=1/fT = 1/f y la frecuencia angular o pulsación ω=2πf\omega = 2\pi f. En la red eléctrica europea f=50 Hzf = 50\ \mathrm{Hz} (en América suele ser 60 Hz60\ \mathrm{Hz}).

Como los valores instantáneos oscilan y su promedio en un ciclo es nulo, se emplean los valores eficaces (rms), definidos como el valor que produciría la misma disipación de calor por efecto Joule que una corriente continua equivalente. Para una señal sinusoidal:

Ief=I02,Vef=V02I_{ef} = \frac{I_0}{\sqrt{2}}, \qquad V_{ef} = \frac{V_0}{\sqrt{2}}
Onda sinusoidal de la fem alternaGrafica de la fuerza electromotriz frente al tiempo. La curva es una sinusoide que oscila entre mas epsilon cero y menos epsilon cero. Se senalan la amplitud epsilon cero, el periodo T de un ciclo completo y el valor eficaz, igual a epsilon cero dividido por raiz de dos, aproximadamente cero coma 707 veces epsilon cero.ε(t)tε₀−ε₀εef = ε₀/√2Tun periodo
Figura 2. Onda sinusoidal de la fem alterna ε(t) = ε₀·sen(ωt): amplitud o valor de pico ε₀, periodo T de un ciclo completo y valor eficaz ε_ef = ε₀/√2 ≈ 0,707·ε₀. Elaboración propia

Cuando decimos que la red doméstica española es de 230 V230\ \mathrm{V} nos referimos al valor eficaz; la tensión de pico es V0=2302≈325 VV_0 = 230\sqrt{2} \approx 325\ \mathrm{V}. La potencia media consumida por una carga es P=Vef Iefcos⁡φP = V_{ef}\,I_{ef}\cos\varphi, donde cos⁡φ\cos\varphi es el factor de potencia y φ\varphi el desfase entre tensión e intensidad (nulo en cargas puramente resistivas).

2. Generadores y motores

El alternador

Un generador o dinamo en sentido amplio es una máquina que convierte energía mecánica en energía eléctrica mediante inducción. El alternador produce corriente alterna y es, en esencia, la espira giratoria descrita antes. Consta de:

  • Inductor: el elemento que crea el campo magnético (imanes permanentes o electroimanes).
  • Inducido: el bobinado en el que se induce la fem.
  • Anillos colectores (o rozantes) y escobillas, que recogen la corriente del inducido giratorio y la conducen al circuito exterior manteniendo su carácter alterno.

En las grandes centrales, para evitar que la elevada potencia atraviese los contactos deslizantes, se invierte la disposición: el inductor gira (rotor) y el inducido permanece fijo (estátor). El principio físico es idéntico, pues solo importa el movimiento relativo entre campo e inducido.

La energía mecánica que hace girar el rotor procede de una turbina: de vapor (centrales térmicas y nucleares), hidráulica (saltos de agua) o eólica. El alternador es, por tanto, el corazón de casi toda la producción eléctrica mundial.

La dinamo de corriente continua

Si en lugar de anillos colectores se emplea un colector de delgas (conmutador), que invierte las conexiones cada medio giro, la corriente entregada al exterior mantiene siempre el mismo sentido: se obtiene una corriente continua pulsante, que puede suavizarse con varios devanados. Este dispositivo es la dinamo, históricamente anterior en aplicaciones de baja potencia. La única diferencia esencial con el alternador está en el sistema de recogida de la corriente.

El motor eléctrico

El motor realiza la conversión inversa: transforma energía eléctrica en energía mecánica. Su fundamento es la fuerza que un campo magnético ejerce sobre un conductor recorrido por corriente (ley de Laplace-Lorentz):

F⃗=I L⃗×B⃗,F=B I L sin⁡θ\vec{F} = I\,\vec{L}\times\vec{B}, \qquad F = B\,I\,L\,\sin\theta

Sobre una espira recorrida por corriente en un campo magnético, las fuerzas sobre sus lados opuestos forman un par de fuerzas que la hace girar. El momento del par vale:

τ=N B I A sin⁡α\tau = N\,B\,I\,A\,\sin\alpha

siendo α\alpha el ángulo entre la normal a la espira y el campo. Este par tiende a alinear la espira con B⃗\vec{B}; el colector de delgas invierte la corriente en el momento oportuno para que el giro se mantenga.

Reciprocidad y fuerza contraelectromotriz

Generador y motor son la misma máquina funcionando en sentidos opuestos de la conversión energética: esta reciprocidad es una idea física profunda y muy formativa. Al girar, el inducido de un motor varía también el flujo que lo atraviesa, por lo que se induce en él una fem que, por la ley de Lenz, se opone a la corriente que lo alimenta: es la fuerza contraelectromotriz. Gracias a ella, un motor solo consume de la red la corriente necesaria para vencer la carga mecánica: al arrancar, cuando aún no gira, la fuerza contraelectromotriz es nula y la intensidad absorbida es máxima, lo que explica los picos de consumo en el arranque.

3. Transformadores y transporte de la corriente eléctrica

El transformador

El transformador es un dispositivo que modifica los valores de tensión e intensidad de una corriente alterna manteniendo (idealmente) la potencia. Consta de dos bobinas —primario y secundario— arrolladas sobre un mismo núcleo de hierro laminado que canaliza el flujo magnético. La corriente alterna del primario crea un flujo variable que, transmitido por el núcleo, induce una fem en el secundario (inducción mutua).

Como ambos devanados están atravesados por el mismo flujo por espira, la fem inducida es proporcional al número de espiras. En un transformador ideal:

V1V2=N1N2\frac{V_1}{V_2} = \frac{N_1}{N_2}

Si N2>N1N_2 > N_1 el transformador es elevador (aumenta la tensión); si N2<N1N_2 < N_1, reductor. La conservación de la energía impone, en el caso ideal sin pérdidas, que la potencia de entrada iguale a la de salida:

V1 I1=V2 I2⟹I1I2=N2N1V_1\,I_1 = V_2\,I_2 \quad\Longrightarrow\quad \frac{I_1}{I_2} = \frac{N_2}{N_1}

Es decir, al elevar la tensión se reduce en la misma proporción la intensidad, y viceversa. Un dato clave: el transformador solo funciona con corriente alterna, porque necesita un flujo variable; con corriente continua no habría inducción. Aquí reside la razón física de la victoria de la CA sobre la CC.

El problema del transporte: pérdidas por efecto Joule

Al transportar energía eléctrica por una línea de resistencia RR se disipa una potencia por efecto Joule:

Pd=I2 RP_{d} = I^2\,R

Como la potencia útil transmitida es P=V IP = V\,I, la intensidad necesaria es I=P/VI = P/V, de modo que las pérdidas pueden escribirse:

Pd=(PV)2R=P2 RV2P_{d} = \left(\frac{P}{V}\right)^{2} R = \frac{P^{2}\,R}{V^{2}}

Esta expresión es decisiva: para una potencia dada, las pérdidas son inversamente proporcionales al cuadrado de la tensión. Transportar a alta tensión —y por tanto a baja intensidad— reduce drásticamente el calor disipado en los cables. Por ejemplo, multiplicar la tensión por diez divide las pérdidas por cien.

El sistema de transporte y distribución

La solución tecnológica combina alternadores y transformadores en un sistema escalonado:

  1. En la central, el alternador genera a media tensión (unos 10-20 kV10\text{-}20\ \mathrm{kV}).
  2. Una subestación elevadora con transformadores sube la tensión hasta la red de transporte de muy alta tensión (220220 y 400 kV400\ \mathrm{kV} en España), donde las pérdidas son mínimas.
  3. Sucesivas subestaciones reductoras bajan la tensión por etapas hasta las redes de distribución.
  4. Un transformador de distribución final la reduce a los 230/400 V230/400\ \mathrm{V} de uso doméstico e industrial.

Este esquema, que solo es viable con corriente alterna, es la base de la red eléctrica moderna. La disputa histórica entre el sistema de continua de Edison y el de alterna promovido por Tesla y Westinghouse —la llamada “guerra de las corrientes”— se resolvió a favor de la alterna precisamente por esta capacidad de elevar y reducir la tensión con transformadores.

4. Influencia de la electricidad en el cambio de las condiciones de vida

El dominio de la corriente alterna desencadenó la llamada segunda revolución industrial (finales del siglo XIX) y transformó de raíz la vida cotidiana, la economía y la organización social. Conviene analizar esta influencia desde una perspectiva de relaciones ciencia-tecnología-sociedad-ambiente (CTSA).

  • Iluminación y ritmo de vida. El alumbrado eléctrico, más seguro y limpio que el de gas, prolongó la jornada útil, cambió los horarios laborales y de ocio y reconfiguró las ciudades.
  • Industria y trabajo. El motor eléctrico sustituyó a las máquinas de vapor y a la transmisión mecánica por correas, permitiendo distribuir la fuerza motriz de forma flexible y descentralizada, y posibilitando la producción en cadena.
  • Comunicaciones. El telégrafo, el teléfono, la radio y, más tarde, toda la electrónica y la informática dependen de la disponibilidad de energía eléctrica.
  • Vida doméstica. Electrodomésticos, refrigeración, climatización y conservación de alimentos mejoraron la salubridad y liberaron tiempo, con notables efectos sobre la vida familiar y la incorporación de la mujer al trabajo.
  • Sanidad e investigación. Equipos de diagnóstico, quirófanos, cadena de frío de medicamentos y laboratorios modernos son impensables sin electricidad.

Esta influencia tiene también una dimensión crítica y ambiental que el alumnado debe valorar. La producción eléctrica a partir de combustibles fósiles es una de las principales fuentes de emisión de gases de efecto invernadero; de ahí la transición hacia fuentes renovables (eólica, solar, hidráulica), que además emplean alternadores accionados por turbinas o convertidores electrónicos. Persisten retos como el almacenamiento, la eficiencia de la red, la brecha energética entre países y la dependencia tecnológica. Educar en un uso responsable y sostenible de la energía forma parte de la competencia científica y de la educación para el desarrollo sostenible.

Aplicación didáctica

En el currículo LOMLOE (Real Decreto 217/2022), los contenidos de este tema se distribuyen entre la ESO —donde se introducen la electricidad, el circuito y sus efectos, así como una aproximación cualitativa a la producción y el consumo de energía eléctrica en el hogar y en la sociedad— y el Bachillerato, donde en Física de 2.º se formaliza la inducción electromagnética (leyes de Faraday y Lenz) y su aplicación a generadores y transformadores. Es un tema idóneo para desarrollar la competencia STEM, la competencia digital y la competencia ciudadana, por su fuerte componente tecnológico y su conexión con problemas sociales y ambientales reales (transición energética, factura eléctrica, sostenibilidad).

Resulta muy productivo plantear situaciones de aprendizaje en torno a contextos cercanos: analizar una factura de la luz, construir un alternador o un pequeño motor elemental, medir tensiones eficaces o debatir el modelo energético. El trabajo experimental —bobina, imán y galvanómetro para “ver” la inducción; una dinamo de bicicleta; un transformador desmontable— hace tangibles conceptos abstractos.

Conviene anticipar las ideas previas y errores frecuentes: creer que un imán en reposo dentro de una bobina induce corriente (solo lo hace el flujo variable); confundir corriente alterna y continua o pensar que la alterna “no sirve” por cambiar de sentido; suponer que el transformador crea energía cuando eleva la tensión (en realidad la intensidad baja en igual proporción); o creer que se transporta a alta tensión “porque llega más lejos”, cuando la razón es reducir las pérdidas por efecto Joule. Hacer explícito el vínculo entre la ley de Lenz y la conservación de la energía ayuda a corregir muchas de estas concepciones.

Conclusión

Un único principio físico —la inducción electromagnética expresada por la ley de Faraday-Lenz— vertebra todo el tema. De él se deriva la generación de corriente alterna mediante una espira que gira en un campo magnético, y con ella los alternadores y dinamos que producen la electricidad, los motores que la devuelven a forma mecánica y los transformadores que ajustan sus valores de tensión e intensidad. La posibilidad de transformar la corriente alterna es lo que hace viable un transporte eficiente a alta tensión, minimizando las pérdidas por efecto Joule, y explica la arquitectura de la red eléctrica moderna. Más allá de la física, el dominio de la electricidad reconfiguró las condiciones de vida a lo largo del último siglo y medio, y plantea hoy los grandes retos de la sostenibilidad energética. Comprender este tema es, por tanto, entender uno de los pilares técnicos y sociales del mundo contemporáneo.

Bibliografía
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  5. Orden de 9 de septiembre de 1993 (BOE núm. 226), por la que se aprueban los temarios del cuerpo de Profesores de Enseñanza Secundaria, especialidad Física y Química (590-007).
  6. Real Decreto 217/2022, de 29 de marzo, currículo de Educación Secundaria Obligatoria (Física y Química, LOMLOE).