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Física · Electromagnetismo

Motor eléctrico

Por qué gira una espira con corriente entre dos imanes, para qué sirve el conmutador y qué limita la velocidad del motor.

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Motor visto de frente

cámara lenta ×50
NS⊙ corriente saliendo · ⊗ entrando · flechas: fuerzas

Par según el ángulo de la espira

09018027036000.050.10.15θ (°)τ (N·m)

Con conmutador el par empuja siempre en el mismo sentido: es nulo solo cuando la espira está vertical.

Motor

Velocidad0 rpm
I · corriente3 A
τ · par42.6 mN·m
ε · fuerza contraelectromotriz0 V
Potencia eléctrica18 W
θ · ángulo17°

Cada lado de la espira lleva corriente dentro del campo de los imanes y sufre una fuerza F = N·I·L·B, una hacia arriba y otra hacia abajo: forman un par τ = N·I·A·B·sen θ que la hace girar. Al girar, la espira genera una fuerza contraelectromotriz que reduce la corriente: por eso el motor no se acelera sin límite y gasta más cuando lo frenas con carga.

Qué es y cómo se usa

Un motor de corriente continua es una bobina (espira) que puede girar entre los polos de un imán. Por los lados de la espira pasa corriente, y un conductor con corriente dentro de un campo magnético sufre una fuerza F = I·L·B. En los dos lados la corriente va en sentidos opuestos, así que una fuerza empuja hacia arriba y la otra hacia abajo: forman un par que hace girar la espira.

El par vale τ = N·I·A·B·sen θ, donde N es el número de vueltas, A el área de la espira y θ el ángulo entre su normal y el campo. Al pasar la posición vertical el par cambiaría de sentido; el conmutador (las escobillas) invierte la corriente justo ahí para que siempre empuje hacia el mismo lado.

Al girar, la espira corta líneas de campo y se induce en ella una fuerza contraelectromotriz que se opone a la pila. Cuanto más rápido gira, menos corriente pasa: el motor se estabiliza en la velocidad a la que el par compensa el rozamiento y la carga.

Ejemplo resuelto

Una bobina de 100 vueltas y 4 cm × 4 cm está en un campo de 0,3 T y por ella pasan 3 A. ¿Cuál es el par máximo? ¿Y cuando la espira forma 30° con la posición vertical?

  1. Área: A = 0,04 · 0,04 = 1,6·10⁻³ m².
  2. Par máximo (sen θ = 1): τ = N·I·A·B = 100 · 3 · 1,6·10⁻³ · 0,3 = 0,144 N·m.
  3. Con θ = 30°: τ = 0,144 · sen 30° = 0,072 N·m.
  4. En la posición vertical (θ = 0) el par es nulo: por eso hace falta la inercia y el conmutador.

τ máximo = 0,144 N·m; a 30°, 0,072 N·m

Preguntas frecuentes

¿Para qué sirve el conmutador?

Para invertir la corriente de la espira cada media vuelta. Sin él, después de pasar la posición vertical las fuerzas tirarían en sentido contrario y la espira oscilaría hasta pararse. Con él, el par empuja siempre en el mismo sentido.

¿Qué es la fuerza contraelectromotriz?

Al girar en el campo, la espira funciona también como un generador e induce una tensión que se opone a la de la pila. Por eso la corriente es I = (V − ε)/R: grande al arrancar, cuando el motor está parado, y pequeña cuando gira deprisa.

¿Por qué un motor frenado se calienta?

Si lo bloqueas, no gira y no hay fuerza contraelectromotriz: pasa la corriente máxima V/R, que calienta la bobina (efecto Joule) sin producir trabajo. Por eso los motores atascados pueden quemarse.

¿Cómo se hace un motor más potente?

Aumentando el par: más vueltas en la bobina, un campo más intenso (imanes mejores), más área o más corriente. Los motores reales tienen muchas bobinas repartidas para que el par sea casi constante.

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