ELECTRICIDAD Y ESAS COSAS
Capítulo 19

LA ARDILLA DE TESLA.
 
 


Autor:

Ing. Víctor Cires
 Gavidia

Octubre, 2003

C

uentan, quién sabe si sea cierto, pero si no lo es debería serlo, que Nicolás Tesla tenía una ardilla.
Ustedes saben, esos animalitos juguetones que les gusta comer nueces y subirse a los árboles.
Tener una ardilla en la casa es un problema, sobre todo si a

a mamá no le gusta que se meta a la cocina o se coma las cosas de la despensa.
Lo mejor para dejar que corra sin que salga del cuarto es construirle una "jaula de ardilla".
Esta se hace poniendo dos ruedas, de algún carro que ya no usemos y amarrándole una serie de barrotes de una llanta a la otra, paralelos al eje.
Sostenemos el eje en dos soportes, con baleros o lo que sea, de forma que pueda girar y metemos dentro la ardilla, que podrá correr de un barrote a otro haciendo girar la jaula.
Quizás Tesla había construido una jaula para su ardilla (que quién sabe si la tuvo) y esto le dio la idea para hacer un motor.... 
¡Que no funciona!
Tomó un generador de corriente continua y en las ranuras del rotor, en vez de bobinas, colocó barras de cobre que soldó a dos arillos de cobre en los extremos.
Las barras de cobre y los arillos eran igual que su jaula de ardilla.
Claro que no podía meter ninguna ardilla adentro pues estaba el fierro.
Conectó las bobinas del campo de su generador, quise decir motor, a una fuente de corriente alterna.
¡Claro que no pasaba nada!, su motor no se movía, pues el campo magnético alterno que salía de un polo al otro, atravesando su jaula, inducía corrientes en las barras, que producían fuerzas que se contrarrestaban.
El motor no producía un par de fuerzas que lo hicieran girar.
Entonces, tomando la flecha con la mano, le dio vuelta rápidamente y su motor empezó a girar adquiriendo más velocidad hasta adquirir una velocidad casi constante.
Vamos a analizar que es lo que sucede:
Consideremos como antes a los polos del campo, uno colocado en la parte superior y el otro en la parte inferior, como en nuestro generador de corriente directa

También extendamos el tiempo en que suceden los fenómenos, a fin de considerar instantes muy pequeños de tiempo.
Existirá una bobina formada por dos barras atravesada por el máximo flujo de los polos.
Esta bobina será la horizontal, cuyos conductores son paralelos a los de las bobinas de los polos, como en nuestro transformador.
De hecho esta bobina constituye el secundario de un transformador y es de una sola vuelta.
En esta bobina se inducirá un voltaje y fluirá por ella una corriente instantánea, de sentido contrario a la corriente de las bobinas de los polos, que producirá un flujo magnético que se opondrá al flujo inductor.
En estas condiciones nuestro motor no es más que un transformador con el secundario en corto circuito.
Ahora giremos (con la mano, o por algún otro medio) la armadura y consideremos lo que sucede con la bobina situada a 90 grados de la primera, es decir con una bobina formada por las barras opuestas colocadas bajo el centro de los polos.
Sabemos que al cortar las líneas de fuerza del campo magnético, en los conductores de esta bobina, se inducirá un voltaje y por lo tanto se producirá una corriente, que formará un campo magnético perpendicular al campo magnético de los polos.
Ambas bobinas de la armadura están mecánicamente conectadas por ser parte de la "jaula de ardilla".
Los campos magnéticos inducidos en ambas, van a tener un campo magnético resultante desplazado (45 grados si ambos fueran iguales) del campo magnético de los polos, que producirá una fuerza sobre los conductores de la armadura produciendo un par de giro.
El motor girará a una velocidad próxima a la velocidad de "sincronismo", es decir a la velocidad del generador (suponiendo que éste fuera también de dos polos), o sea a la frecuencia a que la corriente y el campo inductor se alterna.
La velocidad del rotor será siempre menor que la velocidad del campo inductor, porque necesitamos un flujo (y una corriente necesaria para formarlo) transversal para producir el par de giro que venza a la fuerza o par mecánico aplicado a la flecha que trata de frenarla.
Esta diferencia de velocidad o "deslizamiento", será tanto mayor cuanto mayor sea el par de freno.
Si excedemos el par máximo que el motor nos pueda producir el motor se para.
Los matemáticos han inventado artificios muy útiles que nos ayudan mucho para la representación de los fenómenos eléctricos; uno de ellos ha sido la invención de los "vectores".
Claro que les gusta complicarse (o simplificarse) la vida inventando palabritas raras, que sólo los iniciados comprenden, como ésta de los vectores.
Un vector no es más que una flecha, es decir es una línea recta de determinada longitud con una indicación en la punta que nos indica su dirección.
Así podemos representar con vectores un montón de cosas.
Por ejemplo le puedo decir a mi amigo como ir de la escuela a mi casa: saliendo de la escuela te vas dos cuadras para allá (para el norte) y llegas a la diagonal que tomas a la derecha tres cuadras (nor este), al llegar a la esquina donde está la panadería, tomas dos cuadras la calle a la izquierda (nor oeste) y en la esquina a media cuadra (este), está mi casa.
Esta trayectoria es el resultado de una suma de vectores, que si la hizo bien, llega a mi casa.
Así podemos también representar con vectores: voltajes, corrientes, flujo magnético, etc.
Supongamos que ahora colocamos tres bobinas en el estator de una máquina, equidistantes entre sí es decir a 120 grados, (como el círculo, o sea el estator, tiene 360 grados, la tercera parte serán 120 grados) y que en el rotor coloquemos dos polos magnéticos, pueden ser un imán permanente o electroimanes formados por bobinas en un núcleo de fierro y conectados a dos anillos en la flecha.
Consideremos una sola bobina del estator y hagamos girar el rotor, ¿qué sucede?.
Pues que en esta bobina se va a inducir un voltaje alterno, que podemos medir en las puntas de dicha bobina y que empieza en cero y alcanza un valor máximo positivo cuando el polo norte pasa por el centro de la bobina, disminuye a medida que éste se aleja y vuelve a alcanzar un voltaje máximo negativo (de sentido contrario), cuando el polo sur pase por el centro de la bobina.
¿Y qué sucede en las otras dos bobinas?
Pues, pasa lo mismo que en la primera, sólo qué, el valor máximo del voltaje inducido sucede cierto tiempo después que en la primera, es decir sucede 120 grados después en la segunda bobina  y 240 grados después en la tercera.
Aquí es donde podemos ver la utilidad de los vectores.
Representemos el campo magnético por un vector, es decir una flecha que parte del centro del generador al centro del polo norte.
Hagamos girar el rotor del generador en sentido contrario a las manecillas del reloj a una velocidad de 60 vueltas por segundo, bastante aprisa o sea a 3600 vueltas por minuto.
Consideremos el instante en que el polo norte (la punta de nuestro vector) pasa bajo el centro de una bobina, llamemos "a" a esta bobina.
Podemos representar el voltaje inducido en esta bobina por un vector que gira al unísono con el campo.
A los que les gustan las matemáticas, les podemos decir. (Los que no, se pueden saltar este párrafo), que: el voltaje instantáneo inducido en esta bobina es la proyección del vector cuyo valor es el voltaje máximo y produce una curva senoidal que se puede representar gráficamente poniendo como abscisas (eje vertical) el voltaje  y como ordenadas (eje horizontal), el tiempo o los grados de giro del vector.
Así también podemos representar por vectores los voltajes inducidos en las otras dos bobinas.
Si conectamos las tres puntas negativas de las tres bobinas, es como si unimos los tres vectores por la cola (a esta conexión se le llama conexión en estrella) y conectemos tres cargas, por ejemplo tres resistencias a nuestras tres bobinas.
¿Cuantos alambres necesitamos?
No van a ser seis (dos por cada resistencia), sino solamente cuatro, conectando las tres resistencias también en estrella, nos hemos ahorrado dos alambres para llevar la misma energía (la de las tres resistencias).
¿Qué corriente circulará por ese cuarto alambre?
Si las tres resistencias son iguales y la medimos, veremos que la corriente que circula por ese cuarto alambre (neutro), es cero. Podemos prescindir de él y sólo necesitamos tres alambres para transmitir la energía del generador a la carga (las tres resistencias).
Los matemáticos, pueden hacer la representación gráfica de los tres vectores y efectuar la suma de las gráficas y observarán que en cualquier instante esta suma vale cero.
Un circuito así se le llama trifásico: tres fases, tres bobinas, tres cargas y tres (o cuatro) alambres.
Lo que sucede es que en cualquier instante, la corriente que pasa por una resistencia es la suma de las corrientes que pasan por las otras dos y de sentido contrario, por lo que la suma total es cero.
Aparte de que un circuito trifásico nos ahorra alambres (es más barato), tiene otra gran ventaja.
Si en nuestro generador trifásico, sustituimos el rotor por un rotor de jaula de ardilla (de los que inventó Tesla), y alimentamos las bobinas de la armadura con un circuito trifásico (los tres alambres de un generador trifásico), veremos que ahora si tiene par de arranque (por el desplazamiento magnético de las tres fases) y que girará a la velocidad de la frecuencia de la línea.
Para la misma potencia, este motor resulta bastante más chico que un motor monofásico.
Este es el "motor de inducción tipo Jaula de Ardilla de Tesla."
Estos motores constituyen actualmente "las manos de la industria".

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Última revisión: Domingo, 19 Noviembre 2006.