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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).
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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
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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)
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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
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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
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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.
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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)
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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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