IX. DESARROLLO DE LAS M�QUINAS EL�CTRICAS. LA ILUMINACI�N EL�CTRICA. EL TRANSFORMADOR

ENTRE 1845 y 1870 se hicieron diversas modificaciones a los generadores y motores el�ctricos, con lo que se mejor� sustancialmente su funcionamiento. Cuando en un principio se construyeron estas m�quinas presentaban diferentes problemas como baja eficiencia, inestabilidad en el funcionamiento, etc. Se requiri� un gran esfuerzo de investigaci�n e ingenio para sortear los obst�culos. De esta manera, por ejemplo, en 1870 el franc�s Z�nobe Th�ophile Gramme alcanz� voltajes muy altos en un generador el�ctrico.

En 1881, por medio de una ingeniosa combinaci�n, Charles Brush logr� que el voltaje del generador tuviese siempre un valor constante, sin importar cu�nta corriente proporcionara el aparato.

Entre los primeros en reconocer los factores que causaban p�rdidas en un generador se encuentran los estadounidenses Edward Weston y Thomas A. Edison, quienes aumentaron la eficiencia de los generadores del 50 al 90 por ciento.

Hacia principios de la d�cada de 1890 se empezaron a utilizar conjuntos de generadores conectados en paralelo, con lo que se logr� producir grandes cantidades de electricidad.

Para mover los generadores se usaban m�quinas de vapor, y ocasionalmente fuentes hidr�ulicas.

En octubre de 1879, despu�s de muchas experiencias infructuosas y de haber gastado la considerable cantidad para ese entonces de 40 000 d�lares, el estadounidense Thomas Alva Edison (1847-1931) logr� construir una l�mpara incandescente en la que un filamento de carb�n emit�a luz al hacerle pasar una corriente el�ctrica por m�s de 40 horas. El famoso inventor coloc� su filamento dentro de un bulbo de vidrio que estaba al vac�o en su interior. Edison logr� fabricar este tipo de focos de una manera muy eficiente y con este invento se abri� un campo extraordinario de aplicaci�n que cre� la necesidad de construir generadores eficientes de electricidad.

Otra contribuci�n decisiva que Edison hizo en 1881 fue la estaci�n el�ctrica, o sea, una planta en la que se generaba electricidad y de all� se distribu�a. Esto ocurri� en la ciudad de Nueva York. De su estaci�n, que conten�a un generador de corriente continua, sali� una red de l�neas que distribuyeron la electricidad en muchas partes de la ciudad, tal como en ese entonces ya se hac�a con el gas y el agua. Al ofrecer el servicio de la luz el�ctrica al p�blico, Edison dej� atr�s a todos sus competidores.

Una vez que la electricidad pudo ser generada y distribuida para la iluminaci�n, se aprovech� para ser utilizada como fuerza motriz por medio de motores el�ctricos. Se puso as� a disposici�n de la industria y de los transportes un nuevo medio universal y barato de distribuci�n de energ�a que dio un gran impulso a la utilizaci�n de los motores el�ctricos. As� se cre� la industria el�ctrica pesada. Como se puede apreciar la industria el�ctrica, en contraste con otras m�s antiguas, tuvo un car�cter cient�fico desde sus inicios.

Otro hecho de gran trascendencia se dio entonces: el inicio del laboratorio de investigaci�n industrial, en el que la investigaci�n cient�fica se entrelaz� estrechamente con los avances tecnol�gicos y con la producci�n. Uno de los primeros laboratorios de esta naturaleza fue el que cre� Edison en Menlo Park, que en sus or�genes fue un peque�o cobertizo para ensayar inventos.

A pesar de los extraordinarios logros de Edison hubo problemas con la corriente el�ctrica que utilizaba, que como vimos era corriente directa. Esto ocasion� problemas. En efecto, en primer lugar, la utilizaci�n de circuitos en paralelo requiri� que los cables fueran muy gruesos, lo cual generaba costos altos. En segundo lugar, y de mas importancia, al aumentar la demanda de iluminaci�n se necesitaron cargas cada vez m�s altas que implicaban corrientes el�ctricas enormes. Por lo tanto, se estaba ante la alternativa de enviar corrientes muy altas a trav�s de grandes cables de cobre, lo cual era muy ineficiente, o de construir muchas plantas generadoras de electricidad cercanas a los usuarios, con el respectivo aumento considerable de los costos.

Adem�s, r�pidamente qued� en evidencia que el sistema de corriente directa que se ramificaba dos kil�metros fuera de la planta estaba cerca de su l�mite de crecimiento.

Por otro lado, la transmisi�n de corriente el�ctrica de alto voltaje a largas distancias, por medio de alambres relativamente delgados, podr�a ser muy eficiente. La objeci�n era que un generador de corriente directa produce corriente con un voltaje determinado que no se puede modificar y por tanto, no habr�a forma de reducir el voltaje al valor que se necesitara, en particular en el uso dom�stico. Hemos de mencionar que cuando hablamos de alto voltaje nos referimos a decenas de miles de volts, mientras que los valores para los usuarios son de 125 a 250 volts.

La soluci�n a estos dilemas se encontr� con la construcci�n de generadores de corriente alterna por un lado, y la invenci�n del transformador por el otro. Estos dos dispositivos basan su funcionamiento en la ley de inducci�n de Faraday. Veamos un poco de su historia.

Desde que Faraday descubri� la inducci�n electromagn�tica se construyeron los primeros generadores que produc�an corriente el�ctrica que variaba o alternaba al transcurrir el tiempo; el n�mero de veces que el valor de la corriente cambia en un segundo es la frecuencia de la corriente y se mide en hertz (Hz); as�, una corriente de 60 Hz es aquella que var�a 60 veces en un segundo. En 1888 Nikola Tesla obtuvo una patente por un generador polif�sico alterno que produc�a gran potencia el�ctrica; muy pronto este tipo de m�quina fue la m�s usada. Hoy en d�a se emplean generadores que son versiones muy mejoradas del generador polif�sico de Tesla. Los primeros generadores fueron dise�ados para que produjeran corrientes que ten�an diferentes valores de sus frecuencias: los de 25, 33.5, 40, 50, 60, 90, 130, 420 Hz fueron los m�s usados. Con el tiempo se ha convenido en utilizar 60 Hz.

Por otro lado, un inventor franc�s, Lucien H. Gaulard, y un ingeniero ingl�s, John D. Gibbs, obtuvieron en 1882 una patente para un dispositivo que ellos llamaron generador secundario. De esta manera incorporaron a un sistema de iluminaci�n la corriente alterna. El sistema que ellos patentaron fue una versi�n poco pr�ctica de lo que hoy en d�a llamamos un transformador.

El primer transformador fue, de hecho, construido por Faraday cuando realiz� los experimentos en los que descubri� la inducci�n electromagn�tica (v�ase el cap�tulo V). Como ya vimos, el aparato que us� fueron dos bobinas enrolladas una encima de la otra (Figura 5). Al variar la corriente que circulaba por una de ellas, cerrando o abriendo el interruptor, el flujo magn�tico a trav�s de la otra bobina variaba y se induc�a una corriente el�ctrica en la segunda bobina. Pues bien, este dispositivo es precisamente un transformador. Faraday no puso mayor atenci�n en este aparato ya que estaba interesado en otras cuestiones. En el transcurso de los a�os varios experimentadores trabajaron con diferentes versiones de transformadores.

Un transformador funciona de la siguiente forma: supongamos que se construye un n�cleo de hierro como se muestra en la figura 12. Si en un extremo del n�cleo se enrolla un cable para formar una bobina A, y por �sta circula una corriente el�ctrica, entonces resulta que el campo magn�tico producido por esta corriente (seg�n la ley de Amp�re) queda confinado dentro del n�cleo de hierro; pr�cticamente no hay campo fuera del n�cleo. Esto ocurre si el n�cleo est� construido de sustancias llamadas ferromagn�ticas, como el hierro, cobalto, etc. Ahora bien, si la corriente que circula por la bobina var�a con el tiempo, entonces el campo magn�tico producido tambi�n variar�, y por tanto tambi�n cambiar� el flujo de este campo a trav�s del n�cleo. Si ahora se enrolla otra bobina, la B, en otra parte del n�cleo, entonces, de acuerdo con la ley de inducci�n electromagn�tica de Faraday sabemos que se inducir� una corriente a lo largo de la segunda bobina. A la bobina A se le llama el primario y a la B el secundario. Las caracter�sticas de la corriente inducida en B dependen del n�mero de espiras que hay en cada una de las bobinas. Mientras mayor sea el n�mero de espiras en el secundario, mayor ser� el voltaje inducido en �l. Por ejemplo, si el voltaje en el primario es de 125 V, y en el primario hay 100 espiras, mientras que en el secundario hay 2 000 espiras, entonces la relaci�n es:

espiras en el secundario		2 000
	=		=	20
espiras en el primario		100

Por lo tanto, el voltaje inducido en el secundario ser� 20 veces el voltaje del primario, o sea 20 x 125 V = 2 500 V.

Figura 12. Esquema de un transformador.

Por otro lado, a medida que el voltaje aumenta en el secundario, la corriente que circula en �l disminuye en el misma proporci�n. Si, en nuestro ejemplo, por el primario circula una corriente de 3 amperes, entonces por el secundario circular� una corriente 20 veces menor, o sea, 3/20 = 0.15 amperes.

Este ejemplo nos ilustra las caracter�sticas de un transformador: si el voltaje inducido aumenta en el secundario entonces la corriente inducida disminuye en la misma proporci�n, e inversamente, si el voltaje disminuye, la corriente aumenta en la misma proporci�n.

Un dato muy importante es que un transformador solamente funciona con corrientes que var�an con el tiempo, pues es en estas circunstancias que el flujo magn�tico cambia y se puede inducir una corriente en el secundario. Por tanto, con corriente directa no funciona el transformador.

Regresemos ahora a nuestra historia del desarrollo de la electricidad. Como vimos arriba, despu�s de haber patentado una versi�n de un transformador, Gaulard y Gibbs inventaron un sistema de iluminaci�n en el cual usaron corriente alterna y l�mparas incandescentes, del tipo que invent� Edison. Demostraron su sistema en Inglaterra en 1883 y en Italia en 1884. Sin embargo, su transformador no era muy pr�ctico.

Entre los visitantes a sus exposiciones estuvieron tres h�ngaros: Otto T. Bl�thy, Max D�ri y Karl Zipernowski. Ellos mejoraron el dise�o del transformador y en mayo de 1885, en la Exposici�n Nacional H�ngara en Budapest presentaron lo que result� ser el prototipo del sistema de iluminaci�n que se utiliza hasta hoy en d�a. Su sistema ten�a 75 transformadores conectados en paralelo que alimentaban 1 067 l�mparas incandescentes del tipo de Edison, todo esto alimentado por un generador de corriente alterna que prove�a un voltaje de 1 350 V. Los transformadores que usaron los h�ngaros prove�an voltajes bajos y eran muy eficientes, pero su construcci�n resultaba muy laboriosa y por tanto, muy cara. Sin embargo, lograron su objetivo: operar un sistema de l�mparas a bajo voltaje a partir de un tema de distribuci�n de corriente operado a alto voltaje.

Fue Bl�thy primero en usar la palabra "transformador".

Otra persona que tambi�n presenci� la demostraci�n de Gaulard y Gibbs en Italia fue el estadunidense George Westinghouse (1846-1914). �ste era un industrial que conoc�a el sistema construido por Edison en Nueva York, del cual no era partidario, ya que estaba consciente de sus desventajas. En 1884 Westinghouse contrat� a un joven ingeniero el�ctrico, William Stanley, quien ten�a algunas ideas para utilizar el transformador. Hacia 1885 Stanley ya hab�a dise�ado varios tipos de transformadores superiores a los de los cient�ficos h�ngaros. Con ayuda de otros ingenieros, Oliver B. Sehallenberger y Albert Schmid, construyeron transformadores como el que se muestra en la figura 12, con laminillas de hierro que evitaban las p�rdidas de energ�a. En marzo de 1886 entr� en operaci�n una planta construida bajo la direcci�n de Stanley en el pueblo de Great Barrington, Masachusetts. Esta planta oper� con corriente alterna, con un generador que produjo una corriente de 500 V y que aument� un conjunto de l�mparas a una distancia de alrededor de 2 km. Por medio de transformadores redujeron el voltaje a 100 volts, que es el valor que se requiere para hacer funcionar las l�mparas. Para demostrar que se pod�a transmitir la electricidad a distancias mayores por medio de un transformador elevaron el voltaje a un valor de 3 000 volts, y luego lo redujeron a 100 volts. El resultado fue un gran �xito y de inmediato Westinghouse inici� la manufactura y venta de equipos para distribuir electricidad por medio de corriente alterna. Al mismo tiempo Schallenberger invent� un medidor de energ�a el�ctrica consumida, para poder cobrarla en forma precisa. Todo esto, aunado al hecho de que el costo de la transmisi�n era relativamente barato, dio inicio a la utilizaci�n de la energ�a el�ctrica por medio de corriente alterna, sistemas que a�n utilizamos en la �poca actual.

Edison y sus asociados pelearon contra la utilizaci�n de la comente alterna tanto en la prensa como en los tribunales. Sin embargo, su lucha estaba perdida. Muy pronto la corriente directa cedi� su lugar a la alterna debido a su flexibilidad, conveniencia y bajo costo. Tres a�os despu�s del �xito con su planta Edison qued� desplazado.

En la d�cada de 1890 el crecimiento de los sistemas de corriente alterna fue muy vertiginoso. En las cataratas del Ni�gara, EUA, se instalaron generadores inmensos que iniciaron su servicio en 1895 y alimentaron de electricidad a lugares bastante lejanos, algunos situados a centenares de kil�metros. De esta manera muy pronto se establecieron sistemas de transmisi�n en muchos pa�ses, tendencia que contin�a hasta la fecha.

En la figura 13 se presenta el esquema de un sistema de distribuci�n de energ�a el�ctrica que nace de una planta generadora y que va hasta una ciudad muy alejada. A la salida de la planta un transformador eleva el voltaje para iniciar la distribuci�n. En la cercan�a de la meta se inicia el descenso del voltaje por medio de transformadores que se encuentran en subestaciones, descenso que se va realizando de manera gradual para poder alimentar a usuarios con diferentes necesidades.

Figura 13. Esquema de un sistema de distribuci�n de electricidad, desde la planta generadora hasta los diversos consumidores. Este sistema es posible gracias a los transformadores.

En el transcurso del presente siglo ha habido una gran actividad de trabajo cient�fico y desarrollo tecnol�gico para mejorar la eficiencia del funcionamiento de los transformadores. Este trabajo ha estado centrado en desarrollar mejores materiales para los n�cleos, a fin de evitar p�rdidas de energ�a que ocasionan el calentamiento del transformador. Ahora bien, al aumentar la temperatura las caracter�sticas del material ferromagn�tico cambian y a la larga deja de ser ferromagn�tico, con lo que el n�cleo del transformador ya no funciona eficientemente. Es por esto que se hizo un gran esfuerzo cient�fico y t�cnico para evitar este calentamiento, lo cual se logr� al sumergirlo en un l�quido, por ejemplo, aceite. Por falta de espacio no entraremos en la descripci�n de estos interesantes detalles del funcionamiento de los transformadores.