En los terminales de los generadores se mantiene una \(ddp\) que se debe a la transformación de diferentes tipos de energías en enegía potencial eléctrico. Los principales tipos son

Generador electroquímico:

Transforma la energía química en energía eléctrica. Se componen de placas de diferentes metales, convenientemente elegidos, parcialmente sumergidos en soluciones ácidas, básicas o salinas.

Batería:

Es una asociación de generadores electroquímicos para aumentar el potencial eléctrico y / o la corriente máxima permitida en función del tipo de asociación.

Generador electromecánico:

Transforma la energía mecánica en electricidad. Los principales tipos son los dínamos y los alternadores, siendo que los primeros son capaces de establecer corriente continua mientras que los últimos establecen corriente alterna.

Fuerza electromotriz \((\mathscr{E})\)

A pesar de su nombre, es el trabajo por unidad de carga realizado sobre una carga unitaria en su transporte dentro del generador. \(\mathscr{E}\) representa el aumento del potencial eléctrico que sufren las cargas constituyentes de la corriente que pasan a través de un generador. (Por convención, del terminal negativo al positivo.) La unidad de \(\mathscr{E}\) es la misma que la diferencia de potencial, que en el S.I. es Volt \((V = \frac{J}{C})\) , $$\mathscr{E} = \frac{W}{q}$$

Elementos característicos de un generador

Los elementos característicos de un generador son su \(\mathscr{E}\) y su resistencia interna \(r\) . La resistencia interna es inevitable, en el generador y en cualquier aparato eléctrico, porque todo medio material tiene una cierta resistencia eléctrica. Por lo tanto, la \(ddp\) entre los terminales \(A\) y \(B\) de un generador es: $$V_B - V_A = V_{BA} = \mathscr{E} - ri,$$ , donde \(i\) es la corriente que el generador proporciona el circuito. Cada generador tiene una curva característica, que es el gráfico cartesiano de la tensión \(V\) (en los terminales del generador) en función de la corriente \(i\) que lo atraviesa.

Potencia y rendimiento de los generadores

Potencia disipada\((P_d)\) :

Es la potencia eléctrica desperdiciada por el generador por tener una resistencia interna (disipación interna). Esto significa cuántos Joules de energía eléctrica son disipados por segundo, inútilmente dentro del generador. Es decir, para un generador de resistencia interna \(r\) tenemos, que $$ P_d = ri^2,$$ donde \(i\) es la corriente que pasa a través del generador.

La potencia útil \((P_u)\) :

Es la potencia neta que el generador proporciona al sistema que alimenta. Significa cuántos Joules de energía eléctrica el generador proporciona efectivamente por segundo, es decir $$P_u = V_{AB} i = \mathscr{E} i - ri^2$$ donde \(r\) es la resistencia interna del generador , \(i\) es la corriente que pasa a través de él y \(V_{AB}\) es el \(ddp\) en sus terminales.

Ejemplo 4

Potencia total \((P_T)\) :

Es la poténcia eléctrica total producida por el generador. Por lo tanto, es la suma de la potencia útil y la disipada. Esto significa cuántos Joules de algún tipo de energía (química en el caso de las pilas y baterías) se transforman en energía eléctrica, a cada segundo. $$P_T = P_u + P_d = \mathscr{E} i$$

Rendimiento \((\eta)\) :

Se da por la relación entre la potencia útil y la potencia total. El rendimiento de un generador es mayor cuanto menor es la resistencia interna y cuanto la más baja es la intensidad de la corriente que corre. Por lo tanto, tenemos $$ \eta = \frac{P_u}{P_T} = \frac{V_{BA}}{\mathscr{E}} = 1 - \frac{ri}{\mathscr{E}},$$ donde \(r\) es la resistencia interna del generador \(i\) es la corriente que pasa a través de él y \(\mathscr{E}\) es la fuerza electromotriz.

Ejemplo 5

Generador ideal:

Es uno capaz de suministrar energía eléctrica a las cargas de la corriente que lo recorre sin disipar esta energía. Podemos pensar en el generador ideal como un generador con resistencia interna cero. Es, por supuesto, un modelo hipotético.

Corto circuito:

Un generador está en cortocircuitado si sus terminales están conectados directamente o conectados por un alambre de resistencia despreciable. La \(ddp\) entre los terminales de un generador en cortocircuito es cero y la intensidad de la corriente que lo recorre es máxima. En esta condición la potencia útil de un generador es cero y la potencia proporcionada por éste se encuentre totalmente disipada en la resistencia interna, lo que en última instancia lo calenta demasiado y lo deteriora. La intensidad de la corriente de cortocircuito es $$ i_{cc} = \frac{\mathscr{E}}{r},$$ donde \(r\) es la resistencia interna del generador y \(\mathscr{E}\) es la fuerza electromotriz.

Ejemplo 6

Potencia máxima:

Se obtiene cuando la corriente que circula por el generador es la mitad de la corriente de cortocircuito matemáticamente $$ i_{m} = \frac{i_{cc}}{2} = \frac{\mathscr{E}}{2r}$$ donde \(r\) es la resistencia interna del generador y \(\mathscr{E}\) es la fuerza electromotriz. Puesto que la potencia máxima es $$ P_m = \frac{\mathscr{E}^2}{4r}$$ En un generador que produce su potencia máxima la \(ddp\) vale la mitad de su fuerza electromotriz $$V = \frac{\mathscr{E}}{2}$$ en una condición operativa en la máxima transferencia de potencia su rendimiento es de \(\frac{1}{2}\) . La resistencia del circuito debe ser igual a la resistencia interna del generador de modo que genera la máxima potencia.

Asociación de generadores

Generador equivalente \((\mathscr{E}_e)\) :

En una asociación de generadores, el generador equivalente es aquel recorrido por una corriente de la misma intensidad que la asociación, cuando existe entre los terminales es la misma \(ddp\) .

Asociación en serie:

Cuando varios generadores están asociados en serie y la \(\mathscr{E}_e\) del generador equivalente es igual a la suma de las \(\mathscr{E}_i\) de los generadores asociados y la resistencia interna equivalente \(r_e\) es igual a la suma de las \(r_i\) , es decir $$\mathscr{E}_e = \mathscr{E}_1 +\mathscr{E}_2 + ... +\mathscr{E}_n,$$ $$r_e = r_1 + r_2 + ... + r_n.$$ En este caso, uno obtiene un generador con una \(ddp\) más alta.

Asociación en paralelo:

En una asociación en paralelo, para evitar que parte de los generadores asociados funcione como un receptor, se utiliza sólamente generadores de misma la fuerza electromotriz y la misma resistencia interna. En este caso el generador equivalente tiene fuerza electromotriz igual a la de un único generador de la asociación, pero la resistencia interna equivalente \(r_e\) es igual al valor de la resistencia interna de un generador de la asociación \(r\) dividido por el número \(n\) de generadores de la asociación. Por lo tanto, la \(ddp\) del generador equivalente viene dada por $$V_e = \mathscr{E} - \frac{r}{n}i,$$ donde está claro que en esta asociación tenemos la misma fuerza electromotriz de un único generador, pero hay una disminución de la resistencia interna. Por lo tanto, a pesar de que la asociación no tiene una \(ddp\) más alta, las baterías consiguen alimentar el circuito por más tiempo, ya que cada batería aporta con una misma fracción de la potencia total disipada.