Como Funcionan Las Cosas

28/05/13 Como Funcionan las Cosas

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COMO FUNCIONA:

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LA LINTERNA SIN PILAS (EL DNAMO)- . .

Jos Luis Giordano Enero 01, 2007 (ltima revisin: Mayo 27, 2007)

1-QU ES

Una linterna, es una herramienta generalmente porttil ycon pilas, para iluminar. Una linterna que funciona sin pilas ni cables (como lasmostradas en la fotografa siguiente), es una herramientaporttil o un juguete didctico con la misma forma y elmismo sistema de iluminacin que puede tener unalinterna comn con pilas, pero que funciona con laenerga que le da en ese momento el usuario, a travsde mover o girar alguna palanca (como los "dnamos"electromecnicos que se usaban en las bicicletas, y que seencendan solo cuando el ciclista pedaleaba).



2-PARA QU SIRVE

Como herramienta, una linterna de este tipo sirve como"linterna autnoma", ya que uno puede guardarla ydejarla de usar durante mucho tiempo, por no poseer pilas.No hay temor de encontrarla intil por falta de pilas o conpilas descargadas, ni que est destruida porque se hayanreventado las pilas.

Como juguete didctico, este tipo de linternas sirve paramostrar el maravilloso fenmeno de induccinelectromagntica, como motivacin cientfico-tecnolgica de nios y adolescentes, observando,estudiando y comprendiendo el funcionamiento de ungenerador elctrico, y la conversin de energa mecnica



en elctrica.

Discovery Store vende una Hand Crank DynamoFlashlight de buena calidad. Este tipo de linterna,funciona con bateras recargables que se carganelectromagnticamente haciendo girar una manivela. Estemodelo se distingue de una linterna comn solo en laforma de carga, por lo que no es tan didctica paramostrar el fenmeno de induccin, como los otros tipos enlos que la luz se produce en el mismo instante que segenera el voltaje.

3-DE QU EST HECHO

La linterna de color verde, a la derecha en la foto anterior,es como el viejo sistema de las bicicletas, es decir tienesolo el generador electromecnico (o dnamo) y unaampolleta con filamento incandescente. Este producto esde excelente calidad (comprado en 1994 en Conrad,Alemania), aunque la ampolleta es frgil, y su repuestodifcil de encontrar (Es posible que este modelo sefabrique en la actualidad con diodos emisores de luz o"LEDs", en vez de una ampolleta). Puede servir comojuguete didctico y como herramienta.

La otra linterna de color amarillo puede funcionar o conpilas, o con un dnamo como la verde. Un pequeointerruptor permite conmutar de uno a otro sistema: o seconectan pilas que tiene en su interior (y el aparato seenciende como una linterna comn), o se conecta elgenerador para iluminar cuando se "bombee" sobre la



palanca exterior.

La linterna amarilla en vez de tener una ampolleta confilamento incandescente como tiene la verde, utiliza dosLEDs, de los del tipo de luz violeta y de alto brillo,desarrollados en los ltimos aos. La foto siguiente fuetomada en un momento de iluminacin intermedia (en ellapuede distinguirse que no se trata de ampolletas sino deLEDs).

Los LEDs son unidades de estado slido, menosvulnerables a los golpes y ms eficientes que losfilamentos de las ampolletas. Adems son fciles deencontrar en las tiendas de electrnica, y no son caros.Pero esta linterna en particular, no es una herramienta debuena calidad, sino ms bien un juguete de plstico no



muy resistente. Adems, las pilas interiores no estndispuestas para ser reemplazadas, y toda la linterna deberser desechada cuando stas empiecen a degradarsequmicamente. Sin embargo, comprender su sistema essuficientemente instructivo como para discutirlo aqu. Poreso, a continuacin vamos a mostrar esta linternadesarmada.

Una vez retirada la tapa amarilla, se observa el sistema deiluminacin, el interruptor conmutador (o llave inversora),y las piezas que mueven el dnamo.



En la foto siguiente, la linterna se encuentra funcionandocon pilas como cualquier otra linterna comn (obsrveseque se ha cambiado la posicin del interruptor de derechaa izquierda y que los LEDs estn encendidos). Tambinse ve de cerca cmo calza el sistema de engranajes.



El dnamo se mueve con las 4 piezas que se muestranseparadas en la foto siguiente: la manija dentada quemueve el pinn de la rueda negra, esa rueda negra con elpin y la corona exterior que mueve al pin blanco, lapieza blanca que tiene el pion blanco con las dospalancas para enganchar la rueda blanca, y la ruedablanca que forma parte del dnamo.



La foto siguiente muestra las lupas que van delante decada LED para concentrar los haces de luz, y las 3 pilastipo "botn" conectadas en serie (3x 1.5V), con los cablessoldados sobre los electrodos. Por otro lado, la fotomuestra la otra cara de la rueda blanca, donde est alojadoel imn anular cermico del generador. Colocado an enla base amarilla, est el circuito magntico formado pordos "cruces" de hierro, desfasadas 45 y separadas por uncarrete negro plstico. Bajo el lado superior del carrete,sale el alambre de cobre de la bobina, de unos 0.15mm degrosor (aprox.), que junto con el imn y el circuitomagntico, forman el generador electromecnico.



En la foto siguiente se observa la bobina de unos 12 mmde dimetro exterior (y probablemente de unos 9 mm dedimetro interior) dentro del carrete negro, que separa lascruces de hierro.



4-CMO FUNCIONA

La linterna verde funciona como la amarilla cuando se usacon el dnamo. Cuando se aprieta la palanca, gira el rotordel generador interno, y se observa inmediatamente que lalinterna comienza a iluminar ms, mientras ms rpido yfrecuente sea el movimiento. El principio defuncionamiento es el mismo por el que funciona el dnamode las bicicletas y por el que se cargan las pilasrecargables de la linterna de Discovery que se mencionantes.

Segn la Ley de Induccin Electromagntica deFaraday-Lenz, descubierta por Faraday en 1831, la

variacin F, en un lapso muy pequeo ( t --> 0), de flujo



F (= campo x rea total) de campo magntico B a travsdel rea de una vuelta de alambre, induce un voltaje:

e(t) = - F / t

Entonces, para entender cmo en el dnamo hay variacinde flujo sobre una bobina, primero hay que ver cmo estmagnetizado el imn permanente que est dentro de larueda blanca. Esto se lleva a cabo explorando la superficiedel imn con imanes bien conocidos. La foto siguientemuestra dos imanes rectangulares magnetizadoslongitudinalmente, con los polos magnticos norte (N) ysur (S) indicados en los extremos. En la foto se observaque estos imanes se encuentran adheridos al imn circulara unos 135 uno del otro, y que se orientan delatando uncampo con direccin perpendicular a la superficie y consentidos opuestos. Finalmente se encuentran 4 parejas depolos dispuestos alternadamente, a 45 uno del otro.



Entonces, si en un momento dado el imn tiene los 4 polosN sobre la cruz de de hierro de arriba, las lneas de campoentran por ella, atraviesan el centro de la bobina a travsdel eje de hierro, y retornan hacia los polos S del imn,pasando por la otra cruz de hierro que est desfasada 45respecto de la de arriba.

Al girar el imn 45, vuelve a pasar lo mismo, pero con elcampo invertido. Por lo tanto, cuando se hace girar elimn, el campo que atraviesa la bobina aumenta hastaalcanzar un mximo, luego disminuye pasando por valoresintermedios, luego invierte su sentido hasta alcanzar unmximo, luego disminuye, y as sucesivamente. En otrosdnamos, la bobina es la que gira, dentro del campomagntico de imanes estticos. Pero en cualquier caso, loque genera el voltaje es la variacin de flujo magntico



dentro de la bobina.

Supongamos que el flujo de campo magntico (en Wb,weber) en el instante t (en s, segundos) varasinusoidalmente segn:

F(t) = 4 N A B cos(w t)

donde A es el rea efectiva (en m2) del conjunto de Nespiras, B es la magnitud del campo magntico (en T,

tesla) en cada uno de los polos del imn, w es la

frecuencia angular (en s-1) (y entonces f = w/(2p) es lafrecuencia en Hz, hertz, a la que gira el imn), y donde elfactor 4 proviene de los 4 pares de polos que pasan por losextremos de hierro en cada ciclo. Entonces, el voltajeinducido (en V, volt) resulta:

e(t) = 4 N A B w sin(w t)

Se ve que el voltaje generado es proporcional a la

frecuencia angular w con la que cambia el flujo de campomagntico. Por eso estos generadores producen voltajealterno ("AC"), cuya polaridad va cambiando de signosegn aumente o disminuya el flujo de campo a travs delas espiras.

El voltaje alterno generado al bombear con la palanca dela linterna verde, hace que a travs de la resistencia R(T)

(en W, ohm) del filamento de la ampolleta a unatemperatura T, circule una corriente (en A, ampere)



tambin alterna:

i(t) = e(t) / R(T)

es decir, que circula en uno y otro sentido, poniendo alfilamento incandescente en ambos.

El caso de la linterna amarilla es diferente. Por un lado,cuando se utilizan las pilas, la corriente es continua("DC"), ya que el voltaje que la produce lo es (Este casono es el tema de este artculo). Cuando se utiliza el

dnamo, el voltaje e(t) generado es alterno, como seexplic antes. Pero los LEDs solo permiten la circulacinde la corriente en un solo sentido y por encima del voltajeumbral Vth. Es decir, o bien

i(t) = e(t) / Rf(i)

donde Rf(i) es la resistencia del diodo conduciendo la

corriente i cuando est polarizado directamente con unvoltaje igual o superior al umbral, o sino,

i(t) = 0 A (cuando e(t) < Vth)

Por lo tanto, la emisin de luz de los LEDs slo seproduce durante aproximadamente la mitad de cada ciclo,a una velocidad que, por la inercia de nuestra visin, no lonotamos.

A continuacin se muestra un circuito esquemtico de la



linterna amarilla, con los datos medidos con un calibre,con un voltmetro y con un hmetro digitales. Tambin semuestra un diagrama del circuito magntico equivalentedel dnamo, como si 4 imanes estuviesen girando, y dondeel flujo total es recogido a travs de la nica bobina, quealimenta los LEDs.

5-VERDAD o TIMO ... ?

En la caja de la linterna amarilla (Hand-pressing FlashLight, fabricada por SZ, China) se pueden leer muchasafirmaciones confusas, como "No Batteries, No Bulb". Enrealidad s tiene bateras, para usar cuando funciona comouna linterna normal, y aunque no tenga ampolleta, s tieneLEDs en su lugar. De todos modos, lo dicho no es tan



malo, ya que en el modo de funcionamiento con dnamo,no usa pilas, y el sistema de iluminacin no se rompe porgolpes menores (como si no tuviese ampolleta).

Pero tambin dice que no produce contaminacin, lo cualno es cierto porque tiene 3 pilas y que adems no puedenser reemplazadas fcilmente, por lo que todo el productoser un desperdicio en poco tiempo.

Finalmente, en la caja se puede leer que esta linternapuede beneficiar las manos, brazos, hombros y lacirculacin sangunea en general. Por lo tanto producetranquilidad, mantiene el cerebro activo y una buenamemoria. En la opinin del autor de este artculo, estasafirmaciones son una exageracin deshonesta, en la que serelacionan sin la debida justificacin, los beneficios de unavida saludable basada en el ejercicio, con la utilizacin deeste producto.

Otro producto con una publicidad de dudosa honestidad,es la Eternity Flashlight que anuncia "FALABELLA TV"(en Chile). El ttulo "Luz sin pilas" no es correcto. Se tratade una linterna con pilas recargables, que se carganagitando la linterna, cuando un imn atraviesa una bobinagenerando energa electromagntica. Las pilas se carganentonces por el mismo principio que lo hace la linterna deDiscovery, pero esta forma de cargarlas, no parece muycmoda. Ni siquiera es un juguete didctico, pues el pasodel imn no produce la energa necesaria para que se veaencendido el LED. La agitacin es solo para recargar laspilas, y no para producir luz.



El anuncio dice:

"La linterna Eternity Flashlight es una de las mayoresinnovaciones en generacin de energa y xito de ventasen USA. Es nica en el mercado, no necesita pilas,bateras ni ampolletas. Es la solucin para nuestrafamilia ya que sabemos que siempre est disponible y nosahorra dinero."

pero ni el principio de funcionamiento ni el mecanismoque utiliza, son innovaciones en generacin de energa. Yen cuanto a no usar pilas, no es cierto: s necesita pilas(recargables). Tampoco est claro en qu puede ser unasolucin y un ahorro para la familia, ya que solo es unjuguete caro, y de plstico poco resistente. Finalmente, sitiene xito de ventas en USA, esto puede significarsimplemente que tal vez en USA tambin se puedepublicitar sin decirle a los consumidores lo que realmentecompran.

REFERENCIAS

(1) Halliday D, Resnick R and Krane K S 1992 Physics,Extended Version, 4th Edition (New York: John Wiley &Sons)

(2) Horowitz P and Hill W 1990 The Art of Electronics,2nd Edition (Cambridge: Cambridge)



CMO HACER REFERENCIA A ESTE ARTCULO

Giordano J L 2007 Cmo funcionan las cosas: Lalinterna sin pilas (El dnamo) (Santiago:http://www.profsica.cl)http://www.profisica.cl/comofuncionan/como.php?id=33(Consulta: Abril 23, 2008)

("2007" es el ao de la ltima revisin en la fecha deconsulta)

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