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5/10/2014 Como Funcionan las Cosas

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LA LINTERNA SIN PILAS (EL DÍNAMO)- ..

José Luis Giordano Enero 01, 2007 (Última revisión: Mayo 27, 2007)

1-QUÉ ES

Una linterna, es una herramienta generalmente portátil ycon pilas, para iluminar. Una linterna que funciona sin pilas ni cables (como lasmostradas en la fotografía siguiente), es una herramientaportátil o un juguete didáctico con la misma forma y elmismo sistema de iluminación que puede tener unalinterna común con pilas, pero que funciona con laenergía que le da en ese momento el usuario, a travésde mover o girar alguna palanca (como los "dínamos"electromecánicos que se usaban en las bicicletas, y que seencendían solo cuando el ciclista pedaleaba).



2-PARA QUÉ SIRVE

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

Como juguete didáctico, este tipo de linternas sirve paramostrar el maravilloso fenómeno de inducciónelectromagnética, como motivación científico-tecnológica de niños y adolescentes, observando,estudiando y comprendiendo el funcionamiento de ungenerador eléctrico, y la conversión de energía mecánicaen eléctrica.



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

3-DE QUÉ ESTÁ 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 electromecánico (o dínamo) y unaampolleta con filamento incandescente. Este producto esde excelente calidad (comprado en 1994 en Conrad,Alemania), aunque la ampolleta es frágil, y su repuestodifícil de encontrar (Es posible que este modelo sefabrique en la actualidad con diodos emisores de luz o"LED´s", en vez de una ampolleta). Puede servir comojuguete didáctico y como herramienta.

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



La linterna amarilla en vez de tener una ampolleta confilamento incandescente como tiene la verde, utiliza dosLED´s, de los del tipo de luz violeta y de alto brillo,desarrollados en los últimos años. La foto siguiente fuetomada en un momento de iluminación intermedia (en ellapuede distinguirse que no se trata de ampolletas sino deLED´s).

Los LED´s son unidades de estado sólido, menosvulnerables a los golpes y más eficientes que losfilamentos de las ampolletas. Además son fáciles deencontrar en las tiendas de electrónica, y no son caros.Pero esta linterna en particular, no es una herramienta debuena calidad, sino más bien un juguete de plástico nomuy resistente. Además, las pilas interiores no estándispuestas para ser reemplazadas, y toda la linterna deberáser desechada cuando éstas empiecen a degradarse



químicamente. Sin embargo, comprender su sistema essuficientemente instructivo como para discutirlo aquí. Poreso, a continuación vamos a mostrar esta linternadesarmada.

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



En la foto siguiente, la linterna se encuentra funcionandocon pilas como cualquier otra linterna común (obsérveseque se ha cambiado la posición del interruptor de derechaa izquierda y que los LED´s están encendidos). Tambiénse ve de cerca cómo calza el sistema de engranajes.



El dínamo se mueve con las 4 piezas que se muestranseparadas en la foto siguiente: la manija dentada quemueve el pinón de la rueda negra, esa rueda negra con elpiñón y la corona exterior que mueve al piñón blanco, lapieza blanca que tiene el piñon blanco con las dospalancas para enganchar la rueda blanca, y la rueda blancaque forma parte del dínamo.



La foto siguiente muestra las lupas que van delante decada LED para concentrar los haces de luz, y las 3 pilastipo "botón" 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 está alojadoel imán anular cerámico del generador. Colocado aún enla base amarilla, está el circuito magnético formado pordos "cruces" de hierro, desfasadas 45° y separadas por uncarrete negro plástico. Bajo el lado superior del carrete,sale el alambre de cobre de la bobina, de unos 0.15mm degrosor (aprox.), que junto con el imán y el circuitomagnético, forman el generador electromecánico.



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



4-CÓMO FUNCIONA

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

Según la Ley de Inducción Electromagnética deFaraday-Lenz, descubierta por Faraday en 1831, lavariación F, en un lapso muy pequeño ( t --> 0), de flujoF (= campo x área total) de campo magnético B a través



del área de una vuelta de alambre, induce un voltaje:

e(t) = - F / t Entonces, para entender cómo en el dínamo hay variaciónde flujo sobre una bobina, primero hay que ver cómo estámagnetizado el imán permanente que está dentro de larueda blanca. Esto se lleva a cabo explorando la superficiedel imán con imanes bien conocidos. La foto siguientemuestra dos imanes rectangulares magnetizadoslongitudinalmente, con los polos magnéticos norte (N) ysur (S) indicados en los extremos. En la foto se observaque estos imanes se encuentran adheridos al imán circulara unos 135° uno del otro, y que se orientan delatando uncampo con dirección 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 imán tiene los 4polos N sobre la cruz de de hierro de arriba, las líneas decampo entran por ella, atraviesan el centro de la bobina através del eje de hierro, y retornan hacia los polos S delimán, pasando por la otra cruz de hierro que estádesfasada 45° respecto de la de arriba.

Al girar el imán 45°, vuelve a pasar lo mismo, pero con elcampo invertido. Por lo tanto, cuando se hace girar elimán, el campo que atraviesa la bobina aumenta hastaalcanzar un máximo, luego disminuye pasando porvalores intermedios, luego invierte su sentido hastaalcanzar un máximo, luego disminuye, y asísucesivamente. En otros dínamos, la bobina es la que gira,dentro del campo magnético de imanes estáticos. Pero encualquier caso, lo que genera el voltaje es la variación deflujo magnético dentro de la bobina.

Supongamos que el flujo de campo magnético (en Wb,weber) en el instante t (en s, segundos) varíasinusoidalmente según:

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

donde A es el área efectiva (en m2) del conjunto de Nespiras, B es la magnitud del campo magnético (en T,tesla) en cada uno de los polos del imán, w es lafrecuencia angular (en s-1) (y entonces f = w/(2p) es lafrecuencia en Hz, hertz, a la que gira el imán), y donde elfactor 4 proviene de los 4 pares de polos que pasan por los



extremos 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 lafrecuencia angular w con la que cambia el flujo de campomagnético. Por eso estos generadores producen voltajealterno ("AC"), cuya polaridad va cambiando de signosegún aumente o disminuya el flujo de campo a través delas espiras.

El voltaje alterno generado al bombear con la palanca dela linterna verde, hace que a través de la resistencia R(T)(en W, ohm) del filamento de la ampolleta a unatemperatura T, circule una corriente (en A, ampere)también 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 artículo). Cuando se utiliza eldínamo, el voltaje e(t) generado es alterno, como seexplicó antes. Pero los LED´s solo permiten la circulaciónde 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 lacorriente i cuando está polarizado directamente con unvoltaje igual o superior al umbral, o sino,

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

Por lo tanto, la emisión de luz de los LED´s sólo seproduce durante aproximadamente la mitad de cada ciclo,a una velocidad que, por la inercia de nuestra visión, no lonotamos.

A continuación se muestra un circuito esquemático de lalinterna amarilla, con los datos medidos con un calibre,con un voltímetro y con un óhmetro digitales. También semuestra un diagrama del circuito magnético equivalentedel dínamo, como si 4 imanes estuviesen girando, y dondeel flujo total es recogido a través de la única bobina, quealimenta los LED´s.



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 sí tiene baterías, para usar cuando funciona comouna linterna normal, y aunque no tenga ampolleta, sí tieneLED´s en su lugar. De todos modos, lo dicho no es tanmalo, ya que en el modo de funcionamiento con dínamo,no usa pilas, y el sistema de iluminación no se rompe porgolpes menores (como si no tuviese ampolleta).

Pero también dice que no produce contaminación, lo cualno es cierto porque tiene 3 pilas y que además no puedenser reemplazadas fácilmente, por lo que todo el productoserá un desperdicio en poco tiempo.



Finalmente, en la caja se puede leer que esta linternapuede beneficiar las manos, brazos, hombros y lacirculación sanguínea en general. Por lo tanto producetranquilidad, mantiene el cerebro activo y una buenamemoria. En la opinión del autor de este artículo, estasafirmaciones son una exageración deshonesta, en la que serelacionan sin la debida justificación, los beneficios deuna vida saludable basada en el ejercicio, con lautilización de este producto.

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

El anuncio dice:

"La linterna Eternity Flashlight es una de las mayoresinnovaciones en generación de energía y éxito de ventasen USA. Es única en el mercado, no necesita pilas,baterías ni ampolletas. Es la solución para nuestrafamilia ya que sabemos que siempre está disponible y nosahorra dinero."



pero ni el principio de funcionamiento ni el mecanismoque utiliza, son innovaciones en generación de energía. Yen cuanto a no usar pilas, no es cierto: sí necesita pilas(recargables). Tampoco está claro en qué puede ser unasolución y un ahorro para la familia, ya que solo es unjuguete caro, y de plástico poco resistente. Finalmente, sitiene éxito de ventas en USA, esto puede significarsimplemente que tal vez en USA también 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)

CÓMO HACER REFERENCIA A ESTE ARTÍCULO

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

("2007" es el año de la última revisión en la fecha deconsulta)



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