¿Qué dispositivo electromagnético utiliza escobillas y un conmutador?

Primero, la respuesta breve: la respuesta clásica en los exámenes es el generador de corriente continua, pero en el hardware real se encuentra toda una familia de máquinas de corriente continua —generadores y motores— que viven o mueren por el par de escobillas y un conmutador. 

La llave del examen frente a la mesa de laboratorio

Si vienes de bancos de preguntas y libros de exámenes de acceso, el patrón es casi predecible. La pregunta enumera “altavoz, generador de CC, relé, solenoide” y la clave apunta discretamente al “generador de CC”. 

Desde el punto de vista de un diseñador de máquinas, eso es un poco limitado. Ese anillo de cobre segmentado más las escobillas de carbón no es exclusivo de esa generación. Es el esquema de conmutación mecánica estándar para máquinas rotativas de corriente continua: dinamos y muchos motores de CC, y motores universales en aparatos como las aspiradoras antiguas. 

Por lo tanto, si estás respondiendo a una pregunta de opción múltiple, marcas “generador de CC” y sigues adelante. Cuando estás delante de una máquina real sin cubiertas, dices: esta es una máquina de CC con escobillas, que podría configurarse como generador o motor, y el conmutador y las escobillas son los que hacen que se comporte como CC en los terminales.

¿Por qué existen los cepillos y el conmutador?

Ya conoces Faraday, el flujo, el campo electromagnético inducido y toda la estructura formal. No es necesario repetirlo. Lo más interesante aquí es la restricción. Quieres una armadura giratoria con conductores que corten las líneas del campo magnético, mientras que el circuito externo solo ve corriente en una dirección.

El conmutador es un rectificador mecánico que se encuentra sobre el eje. Divide el devanado del inducido en segmentos e invierte qué segmento se conecta al circuito externo cada media vuelta. Las escobillas son simplemente contactos deslizantes, a menudo de carbono, que permanecen fijos en el bastidor y presionan sobre el conmutador para pasar la corriente. 

Todo lo demás en la máquina existe para que este sistema no se destruya demasiado rápido: geometría del plano neutro, rigidez de los resortes de los cepillos, acabado superficial del cobre, refrigeración, acceso para su sustitución. La teoría electromagnética es casi la parte fácil en comparación con conseguir que esos pocos milímetros cuadrados de contacto deslizante funcionen durante años. 

Generador de corriente continua: el dispositivo clásico con escobillas y conmutador.

Si alguien pregunta “¿qué dispositivo electromagnético utiliza escobillas y un conmutador?”, al estilo de un examen de física, normalmente se refiere al generador de corriente continua. Se imaginan un bucle de cable girando entre polos, un conmutador de anillo partido, y dos cepillos conectados a una carga. Esa imagen sigue dominando los diagramas de muchos apuntes escolares. 

En ese modo, el conmutador muestrea la fuerza electromotriz alterna inducida en las bobinas giratorias e invierte las conexiones para que los terminales de salida siempre vean la misma polaridad. Es un rectificador accionado directamente por el eje, no por diodos. Las escobillas no hacen nada especial; simplemente se colocan en el lugar adecuado, entran en contacto con el segmento correcto en el momento adecuado e intentan no quemarse con la corriente y las vibraciones.

El punto clave que a menudo se pasa por alto: el generador no “sabe” que es un generador. Es una máquina de corriente continua accionada mecánicamente. Intercambia los papeles y, con el mismo conmutador y las mismas escobillas, tendrás un motor.

Motor de corriente continua: mismas piezas, diferente punto de vista

En un motor de corriente continua con escobillas, el conmutador sigue invirtiendo las conexiones cada media vuelta, pero ahora el objetivo es mantener el par electromagnético aproximadamente en la misma dirección en la que gira el rotor. Las escobillas alimentan la corriente del inducido desde la fuente de alimentación externa a las bobinas adecuadas en la posición angular correcta. 

La mayoría de las notas introductorias sobre motores mencionan brevemente el conmutador y luego dedican la mayor parte del tiempo a la regla de la mano izquierda de Fleming. Sin embargo, la interfaz entre el conmutador y las escobillas es normalmente donde surgen los problemas de campo: chispas en la carga, desgaste desigual, ruido, reacción del inducido que obliga a desplazar las escobillas un poco fuera de la neutralidad geométrica. 

Así que, aunque el examen pueda inclinarse por “generador de corriente continua” como respuesta, muchas personas se encuentran por primera vez con los cepillos y el conmutador dentro de los motores de corriente continua en herramientas, juguetes y pequeños electrodomésticos. El principio es el mismo, pero la dirección del flujo de energía es diferente.

¿Qué tiene cepillos y un conmutador, y qué no los tiene?

La principal confusión proviene de mezclar dispositivos electromagnéticos comunes con máquinas de corriente continua rotativas en la misma pregunta. Los altavoces, relés y solenoides utilizan bobinas y campos magnéticos, pero no necesitan invertir las corrientes mediante rotación, por lo que no tienen conmutador. 

Es útil colocar los principales dispositivos uno al lado del otro.

Los motores de inducción de anillos colectores utilizan anillos y escobillas, pero se trata de anillos continuos, no conmutadores, y su función es diferente. 

Una vez que veas ese diseño, la respuesta de opción múltiple deja de ser un misterio. Entre “altavoz, generador de corriente continua, relé, solenoide”, solo una máquina tiene un rotor que necesita una inversión de corriente sincronizada.

Realidades del mantenimiento: cuando la pregunta cobra de repente un carácter práctico

Los cepillos y los conmutadores no son solo elementos decorativos. Se desgastan, producen arcos eléctricos y generan polvo de carbón. Cuando la superficie se raya o se glasea, el contacto se vuelve irregular, aumenta el calentamiento local y el motor o generador comienza a fallar con ruidos y un par de torsión irregular. 

Un manual de servicio normalmente te pedirá que revises: la longitud de las escobillas en comparación con una cifra mínima, la presión del resorte, la alineación en los soportes y el estado de la superficie del conmutador. La limpieza puede requerir un disolvente específico y un paño sin pelusa; el reacondicionamiento puede implicar el recorte de mica entre segmentos o el torneado del conmutador en un torno. 

Nada de eso aparece en una pregunta de física de una sola línea. Sin embargo, todo queda implícito una vez que se sabe que esos dos contactos deslizantes y ese anillo están realizando una conmutación de alta corriente a gran velocidad, en un campo magnético que nunca es perfectamente simétrico.

Por qué muchas máquinas nuevas evitan discretamente los cepillos y los conmutadores

Los diseños modernos suelen prescindir por completo de los conmutadores. Los motores de inducción, las máquinas síncronas y los motores de corriente continua sin escobillas utilizan alimentación de CA o conmutación electrónica, de modo que ningún contacto eléctrico deslizante tiene que transportar grandes corrientes durante el cambio de polaridad. 

La lógica es sencilla. Al eliminar las escobillas y el conmutador, se eliminan las pérdidas por caída de las escobillas, el desgaste mecánico, el polvo de las escobillas y las limitaciones de tensión y densidad de corriente que conlleva el contacto por arco eléctrico. También se mejora la fiabilidad en entornos sellados o peligrosos en los que las chispas podrían suponer un problema. 

Sin embargo, los exámenes y muchos cursos introductorios siguen basándose en el generador y el motor de corriente continua con escobillas, ya que permiten ver claramente la inversión de polaridad. Se puede señalar literalmente el cobre, las escobillas, y decir: aquí es donde cambia la dirección. Esa concreción mantiene la antigua máquina en el programa de estudios, incluso aunque la industria haya avanzado.

Entonces, ¿qué deberías responder realmente?

Si alguien te formula la pregunta tal y como está escrita —“¿Qué dispositivo electromagnético utiliza escobillas y un conmutador?”—, respondes “un generador de corriente continua” y aceptas la nota. Así es como lo plantean los bancos de preguntas habituales. 

Si escribes o hablas fuera de ese formato tan limitado, dices algo un poco más completo: las máquinas de corriente continua que dependen de la conmutación mecánica, principalmente generadores de corriente continua y motores de corriente continua con escobillas, usan escobillas y un conmutador para controlar la corriente entre el circuito fijo y el inducido giratorio. Esa afirmación coincide con lo que realmente ves cuando abres la carcasa, no solo con lo que aparece en la clave de respuestas.