Vamos a estudiar el funcionamiento de generadoresy motores simples, pues constituye un ejemplo de las aplicaciones prácticas de la ley de Faraday.

Figura (13) Generador simple. La rotación de la bobina induce una corriente cuya dirección cambia. Unos contactos deslizantes ("escobillas") suministran la corriente a un circuito externo en los anillos.

La figura 13 muestra los elementos básicos de un generador. Una espira de alambre conductor gira con una velocidad constante angular ω en un campo magnético externo. (Se necesita otro aparato, que no aparece en la figura, que haga girar la espira. En las plantas eléctricas, ese dispositivo puede ser el agua que cae de un dique o, vapor producido en una caldera, que hace girar las aspas de una turbina). Para simplificar la explicación supondremos que el campo magnético es uniforme en la región donde gira la espira.

El flujo magnético a través de la espira está dado por la ecuación FA2: Φ_B= BAcosθ . Al girar ella, el ángulo θ entre las direcciones del campo magnético y los elementos de área dA dentro de la espira cambian con el tiempo de acuerdo con θ=ωt. La fuerza electromotriz inducida en la espira giratoria es

Si la espira tiene N vueltas, el flujo total se multiplica por N; así, la fuerza electromotriz sería ε = NBA ω senωt.

La fuerza electromotriz inducida varía senoidalmente con el tiempo, según se aprecia en la figura 14. Si conectamos el generador a un circuito externo de resistencia R, una corriente inducida i =  ε/R aparece en el circuito; esta corriente fluye a través de la espira giratoria y de los alambres conectados al circuito.

La figura 14 indica que la corriente cambia de dirección conforme gira la espira. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna (su abreviatura es CA). La fuerza electromotriz producida por este generador se conoce como fuerza electromotriz o voltaje de CA.

Examinamos en seguida la dirección de la corriente inducida en la espira. Cuando esta última  está en la posición descrita en la figura 13, una pequeña rotación en dirección de ω disminuiría el flujo; por ello, la corriente inducida (de acuerdo con la ley de Lenz) en ella debe producir un campo en la misma dirección que el campo externo (y que, por lo mismo, se opone a la reducción del flujo). Así pues, la corriente inducida se desplaza en dirección contraria a las manecillas del reloj, según se indica en la figura. A medida que el plano de la espira se vuelve paralelo al campo (θ= 90°), el flujo empieza a cambiar con la mayor rapidez y la corriente en dirección de las manecillas del reloj alcanza su magnitud máxima. De θ=90° a θ=180°, el flujo se torna  cada vez más

negativo y de ahí que la corriente debe continuar en dirección de las manecillas del reloj para oponerse a la alteración del flujo. La espira termina finalmente girando a través de θ = 180° y el flujo negativo comienza a aumentar hacia cero. Ahora, la corriente inducida debe moverse en dirección de las manecillas del reloj, originando un campo hacia abajo, dentro de la espiral que se opone al campo de flujo. Prosiguiendo con este razonamiento llegamos a la siguiente conclusión: la corriente cambia de dirección siempre que la espira gira 180°.

Figura (14) Flujo magnético, fuerza electromotriz inducida y corriente inducida del generador en la figura 13.

 

Se emplean los generadores de un diseño mas complejo que el aquí indicado en las plantas eléctricas para producir el voltaje de corriente alterna que se usa en los hogares. Los automóviles estan equipados con un dispositivo similar conocido como alternador; en el gira la fuente de campo magnético (un pequeño imán permanente), mientras que la espira donde se induce la corriente permanece fija.

Hasta ahora tenemos la impresión de que se puede conseguir electricidad "gratis" de un generador. Si pudiéramos diseñar una espira giratoria con cojinetes son fricción, una vez que la hubieramos hecho rotar con cierta velocidad angular, la corriente inducida debería proseguir indefinidamente en el circuito externo sin invertir energía. Claro que algo anda mal con este razonamiento: viola la conservación de la energía.

Incluso sin fricción, existe un par que le impide girar a la espira. Cuando fluye corriente por ella, hay un par magnético, dado por la ecuación FA34 ( τ = NiABsenθ ). No importa si la batería o el movimiento producen corriente en el campo magnético: todavía existe un par en la espira con corriente. En la situación descrita en la figura 13, el par empuja el plano de la espira hacia θ = 0, y al hacerlo se opone a la rotación. De hecho, el lector debe convencerse de que el par permanece en la misma dirección , aún cuando la espira atraviese θ = 180° y la corriente cambie de dirección. Para oponerse al par, el dispositivo que hace girar la espira habrá de continuar efectuando trabajo a medida que ella gire. El generador puede, pues, concebirse como un aparato que convierte el trabajo mecánico (la rotación de la espira) en trabajo eléctrico en el circuito. En última instancia, la energía eléctrica que produce proviene de la suministrada por el agente que mantiene girando a la espira.

Un motor eléctrico no es mas que un generador que funciona en sentido inverso. Desconectamos la fuente externa que hace girar la espira y reemplazamos el circuito de la figura 13 por otro generador, el cual produce una fuerza electromotriz de corriente alterna ε que origina una corriente i = ε/R en la espira. En este caso hay, otra vez, un par magnético en ella que la hace girar. Del mismo modo que la espira pasa por           θ = 180°, donde el par es cero, la corriente procedente del exterior cambia de dirección, con la cual mantiene el par en la misma dirección en que ella sigue girando. A pesar de que la corriente cambia de dirección cada medio ciclo, el par magnético conserva la misma dirección.