Ejercicios: La dinamo y el motor de corriente continua

Explica con tus palabras en qué consiste la inducción electromagnética: qué tres ingredientes hacen falta para generar una tensión en un conductor (un campo magnético, un conductor y movimiento relativo entre ambos) y qué ocurre si falta el movimiento.

La dinamo de una bicicleta alimenta las luces al apoyarse en la rueda. Explica de dónde sale realmente la energía eléctrica que produce (del esfuerzo de quien pedalea) y por qué se nota más resistencia al pedalear cuando la dinamo está conectada.

Relaciona cada parte de un motor de corriente continua con su función: (1) estator, (2) rotor, (3) colector de delgas y (4) escobillas, con: (a) parte fija que crea el campo magnético; (b) parte que gira con las bobinas; (c) cilindro segmentado que invierte la corriente en el momento justo; (d) contactos deslizantes que llevan la corriente a la parte móvil.

Explica qué problema resuelve el conjunto colector-escobillas en un motor de corriente continua: cómo llega la corriente a una parte que está girando y por qué hace falta invertir su sentido cada media vuelta para que el par no se detenga.

Un pequeño motor de corriente continua gira al revés de lo deseado. Explica la forma más sencilla de invertir su sentido de giro (intercambiar los dos terminales de alimentación) y justifícala: al invertir la corriente se invierte el sentido de las fuerzas sobre las bobinas.

Relaciona cada aparato con la máquina eléctrica que lleva dentro y el sentido de la conversión: (a) dinamo de bicicleta, (b) taladro, (c) motor de la ventanilla de un coche y (d) ventilador de juguete, indicando en cada caso si convierte energía mecánica en eléctrica o al revés.

Un motor y una dinamo son máquinas muy parecidas por dentro. Explica qué las diferencia (el sentido de la conversión de energía: eléctrica a mecánica frente a mecánica a eléctrica) y razona por qué un motor al que se le hace girar el eje a mano puede comportarse como un generador.

Cuanto más brilla la luz de la bicicleta alimentada por dinamo, más cuesta pedalear. Explica esta relación usando la conservación de la energía: la energía eléctrica que sale de la dinamo tiene que entrar por algún sitio.

Un motor de corriente continua se alimenta a $12\ \text{V}$ y consume $3\ \text{A}$. (a) Calcula la potencia eléctrica que absorbe, $P = V \cdot I$. (b) Explica qué significa ese valor y en qué dos destinos se reparte esa potencia (trabajo mecánico útil y calentamiento).

Un motor absorbe $100\ \text{W}$ de la red y entrega $80\ \text{W}$ de potencia mecánica en su eje. (a) Calcula su rendimiento, $\eta = \frac{P_{util}}{P_{abs}} \cdot 100$. (b) Calcula la potencia que se pierde y explica en qué se transforma (calor por rozamientos y por efecto Joule en las bobinas).

La figura muestra el corte esquemático de un motor de corriente continua, con una de sus partes señalada con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Nombra las partes rotuladas del motor. (b) Identifica las piezas marcadas con la interrogación y explica su función (llevar la corriente desde los terminales fijos hasta el colector que gira). (c) Explica qué fuerzas hacen girar al rotor y por qué el colector debe invertir la corriente cada media vuelta.

Un taladro sin cable se alimenta de una batería de $18\ \text{V}$ y consume $5\ \text{A}$ en plena carga, con un rendimiento del $75\ \%$. (a) Calcula la potencia eléctrica absorbida. (b) Calcula la potencia mecánica útil en la broca, $P_{util} = \eta \cdot P_{abs}$, expresando el rendimiento como tanto por uno. (c) Calcula la potencia perdida y razona por qué la carcasa se calienta al usarlo.

La figura muestra la cadena de transformaciones energéticas desde el pedaleo hasta la luz de una bicicleta, con una etapa tapada por una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Identifica la máquina y la forma de energía que hay en la etapa marcada con la interrogación. (b) Explica por qué aparece una salida de calor hacia el entorno y qué ley garantiza que toda la energía del pedaleo acaba en alguna de las dos salidas. (c) Razona qué ocurriría con el esfuerzo de pedaleo si se desconectara la bombilla.

La dinamo de la bicicleta genera corriente alterna y el motor del taladro funciona con continua. Explica la diferencia entre corriente continua y corriente alterna (el sentido de la corriente: siempre el mismo o cambiando periódicamente) y razona por qué una batería solo puede dar corriente continua.

En un motor de corriente continua sencillo, alimentar con más tensión hace que gire más rápido. Explica esta relación (más tensión, más corriente por las bobinas, fuerzas mayores y más velocidad) y describe cómo variarías la velocidad de un ventilador de juguete usando una fuente de tensión regulable.

El motor de la ventanilla de un coche es de $60\ \text{W}$ y funciona a $12\ \text{V}$. (a) Calcula la corriente que consume en funcionamiento normal, $I = \frac{P}{V}$. (b) Elige el fusible adecuado entre $5\ \text{A}$, $7{,}5\ \text{A}$ y $10\ \text{A}$, justificando la elección. (c) Razona por qué el fusible debe estar algo por encima de la corriente normal pero no muy por encima.

Un motor de $12\ \text{V}$ que consume $4\ \text{A}$ eleva una masa de $20\ \text{kg}$ una altura de $2\ \text{m}$ en $10\ \text{s}$. (a) Calcula la energía eléctrica consumida, $E = V \cdot I \cdot t$. (b) Calcula la energía mecánica ganada por la masa, $E = m \cdot g \cdot h$, con $g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$. (c) Calcula el rendimiento del conjunto y comenta dónde se ha perdido la diferencia.

La figura muestra el balance de potencias de un motor, con el flujo de pérdidas marcado con una interrogación, como se muestra en la figura.

(a) Calcula la potencia que corresponde al flujo marcado con la interrogación, justificando el cálculo con la conservación de la energía. (b) Indica en qué se transforma esa potencia perdida y cita dos causas concretas dentro del motor (rozamiento mecánico y efecto Joule en las bobinas). (c) Calcula el rendimiento del motor y razona si es un buen valor para una máquina pequeña de corriente continua.

Un motor de corriente continua no podría girar de forma continua si la corriente en las bobinas del rotor mantuviera siempre el mismo sentido: al pasar del polo norte al sur, las fuerzas se invertirían y el rotor acabaría deteniéndose en una posición de equilibrio. Explica cómo resuelven el problema el colector de delgas y las escobillas, describiendo qué ocurre con la corriente del rotor justo al pasar por ese punto muerto.

Se quiere gobernar el sentido de giro de un motor de corriente continua con dos interruptores (montaje conocido como «puente en H» simplificado): con unos contactos el motor recibe la polaridad directa y con otros, la inversa. Describe el cableado necesario (qué contactos se cierran para cada sentido), explica por qué nunca deben cerrarse a la vez todos los contactos (cortocircuito de la fuente) y pon una aplicación real de este control (ventanilla de coche, toldo motorizado).

Una dinamo de $6\ \text{V}$ carga una batería de $5\ \text{V}$ con resistencia interna de $0{,}5\ \Omega$ a través de unos cables que suman otros $0{,}5\ \Omega$. (a) Calcula la corriente de carga, $I = \frac{6 - 5}{R_\text{total}}$. (b) Calcula la potencia que entrega la dinamo, la que almacena la batería y la que se pierde en calor, y comprueba el balance. (c) Explica por qué interesa que las resistencias internas y de los cables sean pequeñas.

Para la grúa de una maqueta hay dos motores candidatos: el motor A ($6\ \text{V}$, $2\ \text{A}$, rendimiento del $60\ \%$) y el motor B ($12\ \text{V}$, $1{,}5\ \text{A}$, rendimiento del $70\ \%$). La grúa debe subir una masa de $2\ \text{kg}$ a una velocidad de $0{,}5\ \text{m/s}$, lo que exige una potencia mecánica $P = F \cdot v$ con $F = m \cdot g$ ($g = 9{,}8\ \text{m/s}^2$). (a) Calcula la potencia útil de cada motor. (b) Calcula la potencia que necesita la grúa. (c) Elige el motor adecuado justificando con los cálculos y comenta qué ocurriría con el otro.

Un taladro con años de uso echa chispas por las rejillas, suena más áspero y ha perdido fuerza. El diagnóstico es desgaste de las escobillas. (a) Explica por qué las escobillas son una pieza de desgaste (rozan continuamente contra el colector que gira). (b) Relaciona cada síntoma con su causa: chispas (mal contacto intermitente), ruido (superficie irregular) y pérdida de potencia (caída de tensión en el contacto). (c) Describe la operación de mantenimiento correspondiente y por qué las escobillas se diseñan como pieza barata y reemplazable.

Se estudia cargar el móvil durante una ruta en bicicleta con una dinamo de botella de $3\ \text{W}$. La batería del móvil almacena $10\ \text{W} \cdot \text{h}$. (a) Calcula cuántas horas de pedaleo harían falta para cargarla por completo, suponiendo un rendimiento total del $80\ \%$ entre la dinamo y el móvil. (b) Valora el resultado: ¿es práctico para una ruta de un día?, ¿y para un viaje de varias semanas? (c) Compara la solución con llevar una batería externa cargada de casa, analizando peso, fiabilidad y esfuerzo.