COMO FUNCIONA:
LA LINTERNA SIN PILAS (EL DÍNAMO)
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José Luis Giordano
Enero 01, 2007 (Última revisión: Mayo 27, 2007)




1-QUÉ ES

Una linterna, es una herramienta generalmente portátil y con pilas, para iluminar.
Una linterna que funciona sin pilas ni cables (como las mostradas en la fotografía siguiente), es una herramienta portátil o un juguete didáctico con la misma forma y el mismo sistema de iluminación que puede tener una linterna común con pilas, pero que funciona con la energía que le da en ese momento el usuario, a través de mover o girar alguna palanca (como los "dínamos" electromecánicos que se usaban en las bicicletas, y que se encendían 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 y dejarla de usar durante mucho tiempo, por no poseer pilas. No hay temor de encontrarla inútil por falta de pilas o con pilas descargadas, ni que esté destruida porque se hayan reventado las pilas.

Como juguete didáctico, este tipo de linternas sirve para mostrar el maravilloso fenómeno de inducción electromagnética, como motivación científico-tecnológica de niños y adolescentes, observando, estudiando y comprendiendo el funcionamiento de un generador eléctrico, y la conversión de energía mecánica en eléctrica.

Discovery Store vende una Hand Crank Dynamo Flashlight de buena calidad. Este tipo de linterna, funciona con baterías recargables que se cargan electromagnéticamente haciendo girar una manivela. Este modelo se distingue de una linterna común solo en la forma de carga, por lo que no es tan didáctica para mostrar el fenómeno de inducción, como los otros tipos en los que la luz se produce en el mismo instante que se genera 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 tiene solo el generador electromecánico (o dínamo) y una ampolleta con filamento incandescente. Este producto es de excelente calidad (comprado en 1994 en Conrad, Alemania), aunque la ampolleta es frágil, y su repuesto difícil de encontrar (Es posible que este modelo se fabrique en la actualidad con diodos emisores de luz o "LED´s", en vez de una ampolleta). Puede servir como juguete didáctico y como herramienta.

La otra linterna de color amarillo puede funcionar o con pilas, o con un dínamo como la verde. Un pequeño interruptor permite conmutar de uno a otro sistema: o se conectan pilas que tiene en su interior (y el aparato se enciende como una linterna común), o se conecta el generador para iluminar cuando se "bombee" sobre la palanca exterior.

La linterna amarilla en vez de tener una ampolleta con filamento incandescente como tiene la verde, utiliza dos LED´s, de los del tipo de luz violeta y de alto brillo, desarrollados en los últimos años. La foto siguiente fue tomada en un momento de iluminación intermedia (en ella puede distinguirse que no se trata de ampolletas sino de LED´s).



Los LED´s son unidades de estado sólido, menos vulnerables a los golpes y más eficientes que los filamentos de las ampolletas. Además son fáciles de encontrar en las tiendas de electrónica, y no son caros. Pero esta linterna en particular, no es una herramienta de buena calidad, sino más bien un juguete de plástico no muy resistente. Además, las pilas interiores no están dispuestas para ser reemplazadas, y toda la linterna deberá ser desechada cuando éstas empiecen a degradarse químicamente. Sin embargo, comprender su sistema es suficientemente instructivo como para discutirlo aquí. Por eso, a continuación vamos a mostrar esta linterna desarmada.



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



En la foto siguiente, la linterna se encuentra funcionando con pilas como cualquier otra linterna común (obsérvese que se ha cambiado la posición del interruptor de derecha a izquierda y que los LED´s están encendidos). También se ve de cerca cómo calza el sistema de engranajes.



El dínamo se mueve con las 4 piezas que se muestran separadas en la foto siguiente: la manija dentada que mueve el pinón de la rueda negra, esa rueda negra con el piñón y la corona exterior que mueve al piñón blanco, la pieza blanca que tiene el piñon blanco con las dos palancas para enganchar la rueda blanca, y la rueda blanca que forma parte del dínamo.



La foto siguiente muestra las lupas que van delante de cada LED para concentrar los haces de luz, y las 3 pilas tipo "botón" conectadas en serie (3x 1.5V), con los cables soldados sobre los electrodos. Por otro lado, la foto muestra la otra cara de la rueda blanca, donde está alojado el imán anular cerámico del generador. Colocado aún en la base amarilla, está el circuito magnético formado por dos "cruces" de hierro, desfasadas 45° y separadas por un carrete negro plástico. Bajo el lado superior del carrete, sale el alambre de cobre de la bobina, de unos 0.15mm de grosor (aprox.), que junto con el imán y el circuito magnético, forman el generador electromecánico.



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




4-CÓMO FUNCIONA

La linterna verde funciona como la amarilla cuando se usa con el dínamo. Cuando se aprieta la palanca, gira el rotor del generador interno, y se observa inmediatamente que la linterna comienza a iluminar más, mientras más rápido y frecuente sea el movimiento. El principio de funcionamiento es el mismo por el que funciona el dínamo de las bicicletas y por el que se cargan las pilas recargables de la linterna de Discovery que se mencionó antes.

Según la Ley de Inducción Electromagnética de Faraday-Lenz, descubierta por Faraday en 1831, la variación F, en un lapso muy pequeño (t --> 0), de flujo F (= 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 variación de flujo sobre una bobina, primero hay que ver cómo está magnetizado el imán permanente que está dentro de la rueda blanca. Esto se lleva a cabo explorando la superficie del imán con imanes bien conocidos. La foto siguiente muestra dos imanes rectangulares magnetizados longitudinalmente, con los polos magnéticos norte (N) y sur (S) indicados en los extremos. En la foto se observa que estos imanes se encuentran adheridos al imán circular a unos 135° uno del otro, y que se orientan delatando un campo con dirección perpendicular a la superficie y con sentidos opuestos. Finalmente se encuentran 4 parejas de polos dispuestos alternadamente, a 45° uno del otro.



Entonces, si en un momento dado el imán tiene los 4 polos N sobre la cruz de de hierro de arriba, las líneas de campo entran por ella, atraviesan el centro de la bobina a través del eje de hierro, y retornan hacia los polos S del imán, pasando por la otra cruz de hierro que está desfasada 45° respecto de la de arriba.

Al girar el imán 45°, vuelve a pasar lo mismo, pero con el campo invertido. Por lo tanto, cuando se hace girar el imán, el campo que atraviesa la bobina aumenta hasta alcanzar un máximo, luego disminuye pasando por valores intermedios, luego invierte su sentido hasta alcanzar un máximo, luego disminuye, y así sucesivamente. En otros dínamos, la bobina es la que gira, dentro del campo magnético de imanes estáticos. Pero en cualquier caso, lo que genera el voltaje es la variación de flujo magnético dentro de la bobina.

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

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

donde A es el área efectiva (en m2) del conjunto de N espiras, B es la magnitud del campo magnético (en T, tesla) en cada uno de los polos del imán, w es la frecuencia angular (en s-1) (y entonces f = w/(2p) es la frecuencia en Hz, hertz, a la que gira el imán), y donde el factor 4 proviene de los 4 pares de polos que pasan por los extremos de hierro en cada ciclo. Entonces, el voltaje inducido (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 campo magnético. Por eso estos generadores producen voltaje alterno ("AC"), cuya polaridad va cambiando de signo según aumente o disminuya el flujo de campo a través de las espiras.

El voltaje alterno generado al bombear con la palanca de la linterna verde, hace que a través de la resistencia R(T) (en W, ohm) del filamento de la ampolleta a una temperatura 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 al filamento 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 caso no es el tema de este artículo). Cuando se utiliza el dínamo, el voltaje e(t) generado es alterno, como se explicó antes. Pero los LED´s solo permiten la circulación de la corriente en un solo sentido y por encima del voltaje umbral Vth. Es decir, o bien

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

donde Rf(i) es la resistencia del diodo conduciendo la corriente i cuando está polarizado directamente con un voltaje 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 se produce durante aproximadamente la mitad de cada ciclo, a una velocidad que, por la inercia de nuestra visión, no lo notamos.

A continuación se muestra un circuito esquemático de la linterna amarilla, con los datos medidos con un calibre, con un voltímetro y con un óhmetro digitales. También se muestra un diagrama del circuito magnético equivalente del dínamo, como si 4 imanes estuviesen girando, y donde el flujo total es recogido a través de la única bobina, que alimenta los LED´s.




5-VERDAD o TIMO ... ?

En la caja de la linterna amarilla (Hand-pressing Flash Light, fabricada por SZ, China) se pueden leer muchas afirmaciones confusas, como "No Batteries, No Bulb". En realidad sí tiene baterías, para usar cuando funciona como una linterna normal, y aunque no tenga ampolleta, sí tiene LED´s en su lugar. De todos modos, lo dicho no es tan malo, ya que en el modo de funcionamiento con dínamo, no usa pilas, y el sistema de iluminación no se rompe por golpes menores (como si no tuviese ampolleta).

Pero también dice que no produce contaminación, lo cual no es cierto porque tiene 3 pilas y que además no pueden ser reemplazadas fácilmente, por lo que todo el producto será un desperdicio en poco tiempo.

Finalmente, en la caja se puede leer que esta linterna puede beneficiar las manos, brazos, hombros y la circulación sanguínea en general. Por lo tanto produce tranquilidad, mantiene el cerebro activo y una buena memoria. En la opinión del autor de este artículo, estas afirmaciones son una exageración deshonesta, en la que se relacionan sin la debida justificación, los beneficios de una vida saludable basada en el ejercicio, con la utilización 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 trata de una linterna con pilas recargables, que se cargan agitando la linterna, cuando un imán atraviesa una bobina generando energía electromagnética. Las pilas se cargan entonces por el mismo principio que lo hace la linterna de Discovery, pero esta forma de cargarlas, no parece muy cómoda. Ni siquiera es un juguete didáctico, pues el paso del imán no produce la energía necesaria para que se vea encendido el LED. La agitación es solo para recargar las pilas, y no para producir luz.

El anuncio dice:

"La linterna Eternity Flashlight es una de las mayores innovaciones en generación de energía y éxito de ventas en USA. Es única en el mercado, no necesita pilas, baterías ni ampolletas. Es la solución para nuestra familia ya que sabemos que siempre está disponible y nos ahorra dinero."

pero ni el principio de funcionamiento ni el mecanismo que utiliza, son innovaciones en generación de energía. Y en cuanto a no usar pilas, no es cierto: sí necesita pilas (recargables). Tampoco está claro en qué puede ser una solución y un ahorro para la familia, ya que solo es un juguete caro, y de plástico poco resistente. Finalmente, si tiene éxito de ventas en USA, esto puede significar simplemente que tal vez en USA también se puede publicitar sin decirle a los consumidores lo que realmente compran.


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: La linterna 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 de consulta)



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