Generación de energía mediante una bicicleta
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Generación de energía mediante una bicicleta ¿Es viable ulizar una bicicleta como fuente fiable de energía eléctrica? Asignatura: Física Cómputo de palabras: 3546
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Generación de energía mediante una bicicleta
¿Es viable utilizar una bicicleta como fuente fiable de energía eléctrica?
Asignatura: Física
Cómputo de palabras: 3546
Índice
Introducción ………………………………………………………………………………………………………………………………… 4
Tema y pregunta de investigación ……………………………………...………………………………………………….. 5
Fuentes ……………………………………………………………………………...…………………………………..……………… 5
Metodología ………………………………………………………………………………..……………….……………………………… 7
Material necesario ………………………………………………………….…..………………………….……………………... 7
Consideraciones ………………………………………………………………...………………………………………………….. 8
Sección principal: Objetivo 1 ….……………………………………………………………………………..…………………….. 9
La dinamo …………………………………………………………………………………………….………………….…………….. 9
Marco teórico ………………………………………...…………..………………………………………….……………….. 9
Dinamo de botella ………………………………………………………….……………………………...………………. 10
Recogida de datos ………………………………………………………….………………………………………………. 10
Adaptador de corriente …………………………………………………………………………………...…………………… 11
Puente rectificador de diodos ………………………………………………………………………………….……… 12
Condensador ………………………………………………………………………………………………………….………. 13
Universal Serial Bus (USB) …………………………………………………….…………..…………………….……... 13
1
Experimentación ……………………………………………………………………………………..…………………………... 14
Obtención del material ……………………………………………………………………………………………….….. 14
Construcción ……………………………………………………………………….…………………………………………. 14
Comprobación …………………………………………………………….…………………………………………………. 15
Prueba del sistema …………………………………………………………….………..…………………………………. 16
Sección principal: Objetivo 2 ..……………………………………………………………………….…………………………... 17
Cálculos …………………………………………………………………………………...………………………………..………… 17
Obtención de datos ………………………………………………………………………………………………………… 17
Dinamo …………………………………………………………………………………………………………………….. 17
Diodos ……………………………………………………………………………………………………………………... 18
Análisis de datos …..………………………………………………………………………………………………………... 20
Intensidad de la corriente ……………………………………………….………………………………………... 20
Tensión …………………………………………………………..………………………………………………………... 22
Potencia ………………………...……………………………...………………………………………………………... 22
Análisis de los resultados ……..…………..………………………………….………………………………………... 23
Extracción de conclusiones ………………………………………………………………………………………………………… 24
Agradecimientos ………………………………………………………………………………………………………………………… 25
2
Bibliografía …………………………………………………………………………………………………………………………………. 26
Anexo …………………………………………………………………………………………………………………………………………. 29
Marco teórico …………………………………………………………………………….………………………………………… 20
Corriente continua y corriente alterna ……………………………………………………………...……………. 29
Electromagnetismo ………………………………………………………………..………………………...……………. 30
Ley de Faraday ……………………………………………………….……...………………………………...……………. 31
El diodo ……………………………………………………..………….……...………………………………...……………. 32
Puente rectificador de diodos ……………………………….……...………………………………….……………. 33
3
Introducción
La física es una ciencia de gran alcance, pues estudia ámbitos de la realidad muy distintos entre sí.
Debido a esto, no es inusual hallarla presente en nuestras vidas cotidianas.
Uno de los aspectos de esta ciencia con más impacto en nuestro día a día es la energía, más
concretamente, la eléctrica. Debido a su alta versatilidad, y su consumo cómodo, esta suele usarse
para suministrar energía a una gran variedad de dispositivos tecnológicos utilizados
habitualmente1.
Sin embargo, el uso esta energía supone varios inconvenientes. El más destacable es el impacto
que provocan su obtención y producción sobre el medio ambiente. Como ejemplo, en 2018, la
producción de energía eléctrica fue responsable de un 27% de las emisiones estadounidenses de
gases de efecto invernadero2.
Esta correlación entre la producción de electricidad y el aumento en las emisiones de gases de
efecto invernadero, entre los que destaca el CO2, puede observarse más fácilmente consultando
representaciones estadísticas como
la Figura 1, que nos permite
observar esta relación entre el
porcentaje de variación en la
producción de energía eléctrica y las
emisiones de CO2 de forma anual.
1. Garrigós, 2011, p. 4
2. EPA, 2020a
4
Figura 1: Variación porcentual en la producción de electricidad (TWH) y emisiones de CO2 (t/cápita) anuales.
(BP International Ltd. 2016)
La producción de electricidad también causa contaminación del agua por residuos diversos,
además de un impacto en ecosistemas terrestres debido al uso de estructuras como líneas de alta
tensión. También cabe destacar el efecto nocivo de estos gases para la salud de ambos, animales y
seres humanos3.
Tema y Pregunta de investigación
Partiendo de esta situación actual, y de mi interés personal por las ciencias formales, he decidido
centrar esta investigación en la producción de energía de forma limpia. En este caso, he optado por
la generación de electricidad mediante una bicicleta, un medio de transporte que, al accionarse
por un trabajo realizado por el ser humano, no provoca emisiones de gases nocivos para el medio
ambiente. Aunque me parece una buena opción, nunca he visto semejante idea aplicada a la
realidad, por lo que la cuestión que pretendo abordar en esta investigación es: ¿Es viable utilizar
una bicicleta como fuente fiable de energía eléctrica?
Considero factible esta idea, pues ya existen dispositivos que transforman la energía de rotación de
las ruedas de la bicicleta en electricidad, como por ejemplo, las dinamos de botella. Aunque estos
dispositivos suelen conectarse a un faro para que emita luz, no encuentro ningún impedimento en
dirigir esta electricidad hasta un teléfono móvil para cargarlo.
Fuentes
Como punto de partida para iniciar mi investigación, me he basado en el proyecto Diseño de un
Cargador de baterías mediante generador de imanes permanentes accionado desde bicicleta
estática (Rebollal, 2014). Aunque el nivel de este trabajo es demasiado elevado para mis
3. EPA, 2020b
5
conocimientos, lo usaré como orientación inicial para mi investigación, pues comparte un objetivo
similar al mio.
Para obtener la información teórica, me he basado en los libros de texto Física 1 (Serra, S.; Armengol,
M.; Mercadé, J., 2017), Física 2 (Serra, S.; Armengol, M.; Mercadé, J., 2018) y Física (Gettys, E.; Keller, F.;
Skove, M., 2002), para luego complementarlos con el uso de páginas web y presentaciones elaboradas
mayoritariamente por profesores, para así obtener información más específica.
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Metodología
Tal y como he explicado, mi primer objetivo es el de demostrar la factibilidad de mi idea. Para ello,
me centraré en la producción de energía a pequeña escala: construiré un circuito que me permita
aprovechar el giro de las ruedas de la bicicleta, para así cargar un teléfono móvil.
Este proceso no solamente me permitirá demostrar la posibilidad de generar electricidad mediante
una bicicleta de forma empírica, sino que, además, me permitirá familiarizarme con el sistema.
Esto facilitará el logro de mi segundo objetivo, que consiste en teorizar sobre posibles aplicaciones
para este sistema a mayor escala.
Material necesario
Como pretendo demostrar empíricamente la viabilidad de mi idea, precisaré de los materiales para
ello. Primeramente, utilizaré una dinamo de botella para transformar el giro de las ruedas de la
bicicleta en electricidad. Además, necesitaré algunos componentes electrónicos para modificar
esta energía eléctrica de manera que pueda cargar el dispositivo móvil: un puente rectificador de
diodos (o alternativamente, cuatro diodos), un puerto USB, y un condensador, además de cables
para conectar estas piezas entre sí. El uso de estos componentes se encuentra justificado más
adelante, en la sección principal de la monografía.
En cuanto a herramientas, utilizaré unos alicates, un destornillador, y un soldador eléctrico para
obtener los diferentes componentes, pues pretendo reciclarlos de un adaptador de corriente en
desuso. También necesitaré hilo de cobre para soldar entre sí los componentes del circuito.
Es recomendable utilizar una placa perforada para poder montar el circuito con más facilidad;
además de un diodo LED y un destornillador para comprobar el funcionamiento correcto del
sistema durante el proceso de construcción.
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Consideraciones
Debe considerarse la dependencia del segundo objetivo respecto el primero: Si al construir el
cargador descubro una falta de operatividad en este, no sería necesario buscar aplicaciones
mayores para el circuito. En este caso, mi nuevo objetivo sería descubrir y explicar por qué el
circuito no cumple su función. Es por esta razón que tras haber finalizado la prueba empírica,
estableceré un objetivo pertinente para los resultados obtenidos.
Otro hecho a tener en cuenta es que, para calcular los valores exactos del circuito, necesitaría
utilizar expresiones matemáticas y conceptos demasiado complejos considerando mis
conocimientos actuales. Es por ello que basaré mis cálculos en una versión simplificada del
sistema, que explicaré más adelante, en la sección de cálculos.
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Sección principal: Objetivo 1
Recogida de datos
La dinamo
Marco teórico4:
La dinamo es un generador de corriente continua que transforma el movimiento de rotación en
electricidad basándose en la Ley de Faraday, según la que podemos inducir electricidad
introduciendo una espira en un campo magnético, y proporcionándole rotación (v. anexo 1.3).
Alternativamente, un campo magnético girando sobre una espira estática tendrá el mismo efecto.
Para cumplir este postulado, los generadores se
componen por dos piezas principales: un imán
con distintos polos que gira sobre su eje, conocido
como “rotor”, y una parte fija que contiene un
material conductor, denominada “estátor”. El giro
del campo magnético generado por los imanes del
rotor frente al conductor fijo del estátor, resulta
en una inducción de fuerza electromotriz (f.e.m.).
Sin embargo, este sistema descrito se denomina alternador, y no dinamo, ya que la carga inducida
presentará variaciones en su sentido a lo largo del tiempo: será de tipo alterno (v. anexo 1.1). Esto
se debe a que, tal y como muestra la Figura 2, la espira se invertirá respecto los polos del imán a
medida que estos vayan girando. Esto provocará cambios en el sentido de la corriente, dándole un
carácter alterno.
4. Endesa, 2020a
9
Figura 2: Corriente alterna provocada por unainversión de los polos respecto la espira estática.
(Endesa, 2020a)
Consecuentemente, es necesaria una rectificación AC-DC para obtener la corriente continua
característica de la dinamo. Esta rectificación resulta en una corriente continua pulsante: el sentido
de la corriente será constante, aunque la tensión no tendrá un valor fijo (v. anexo 1.1).
Dinamo de botella:
Anteriormente he mencionado un generador denominado “dinamo de botella”, que aprovechando
la energía giratoria de las ruedas de una bicicleta, produce electricidad. Este dispositivo me será de
gran ayuda, pues pretendo adaptar esta electricidad para poder suministrarla a un teléfono móvil.
Aunque este generador se denomina “dinamo”, no contiene un rectificador, por lo que suministra
corriente alterna. Consecuentemente, aunque a lo largo de esta investigación utilice el término
“dinamo”, estaré haciendo referencia a un alternador.
Recogida de datos:
[Datos obtenidos de una dinamo fischer, modelo KB20.]
Para asegurarme de que el dispositivo que poseo es realmente un alternador, y no una dinamo, he
utilizado un diodo LED, una pieza que
emite luz. Esta, consta de un polo
positivo y uno negativo, por lo que
suministrándole corriente alterna,
solamente se encenderá al recibirla en el
sentido adecuado: el LED parpadeará.
Para accionar el generador de forma sencilla, lo he unido provisionalmente a un taladro. Al hacerlo
girar, he podido observar un parpadeo en el LED tal y como representa la Figura 3, por lo que
puedo asegurar el carácter alterno de este generador.
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Figura 3: Demostración de la AC de la dinamo de botella.(Elaboración propia)
Adaptador de corriente
Como pretendo modificar la corriente generada por la dinamo para cargar un dispositivo móvil, he
analizado un adaptador de corriente, pues este tiene la función de transformar la corriente
suministrada por un enchufe, para alimentar un móvil.
[Datos obtenidos de un adaptador Ktec AC adaptor, modelo KSAP011.]
Tipo de corriente Voltaje
Recibe Alterna 100 ~ 240V
Suministra Continua 5.0V
Tabla 1: Corriente recibida y suministrada por un adaptador de corriente.
Tal y como muestra la Tabla 1, un adaptador de corriente lleva a cabo una rectificación de la
corriente, además de reducir la tensión que le es suministrada, para así cargar un dispositivo móvil.
Fijándome en las especificaciones de mi dinamo, he podido observar que esta genera 6V, por lo
que no será necesario reducir la tensión. Sin embargo, tendré que realizar una conversión AC-DC
en la corriente, pues el generador utilizado produce corriente alterna.
Partiendo de los datos anteriores, he optado por abrir el adaptador y analizar los componentes
que lo forman5, para así comprender como puedo adaptar adecuadamente la corriente de mi
generador. Me he centrado únicamente en los componentes principales del adaptador para evitar
complicaciones:
5. Shirriff, K., 2014
11
1. Condensador electrolítico
2. Condensador electrolítico
3. Transformador
4. Condensador electrolítico
5. Resistencia
6. Puerto USB hembra
7. Transformador
8. Condensador electrolítico
9. Puente rectificador
10. Diodo rectificador de silicio
11. Diodo rectificador de silicio
Para adaptar la energía del generador, utilizaré los componentes siguientes:
• Puente rectificador de diodos [9] para la conversión AC-DC (v. anexo 4)
• Condensador [4] para estabilizar la corriente pulsante producida por el puente rectificador.
• USB hembra [6] para poder enchufar el cable conductor que transportará esta corriente
hasta el dispositivo móvil.
Puente rectificador de diodos6:
El diodo (v. anexo 1.4) es un componente electrónico que permite la circulación de la corriente en
un solo sentido. Por esta razón, los diodos suelen usarse como rectificadores, pues una
configuración correcta de estos permite una conversión AC-DC.
6. Kuphaldt, T., 2009, pág. 98.
12
Figura 5: Vista lateral del circuitode un adaptador.
(Elaboración propia)
Figura 6: Vista inferior del circuitode un adaptador.
(Elaboración propia)
Figura 4: Vista superior delcircuito de un adaptador.
(Elaboración propia)
En este caso, utilizaré un puente
rectificador de diodos para
rectificar la corriente generada por
el alternador (v. anexo 1.5). Esta
pieza formada por cuatro diodos configurados tal y como muestra la Figura 7, sirve la función de
transformar la corriente alterna en continua pulsante.
Condensador7:
El condensador es un componente utilizado para almacenar temporalmente energía, lo cual
permite estabilizar la tensión cuando esta no tiene un valor constante: cuando la tensión se
encuentra en un punto máximo se almacena carga eléctrica, y se libera progresivamente cuando
esta disminuye.
Universal serial bus (USB)8:
El USB es un sistema de conexión simple y
eficiente que permite la comunicación
entre diferentes dispositivos. En mi caso,
me centraré en los USB 2.0 tipo A,
caracterizados por su forma rectangular, y compuestos por cuatro contactos con distintas
funciones, tal y como muestra la Figura 8: Los conectores laterales conducen una corriente de 5V y
los centrales se transmiten datos entre dispositivos9.
7. Gettys, E.; Keller, F.; Skove, M., 2002. p. 598.
8. Axelson, J., 2005.
9. Ibidem. p. 519-523.
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Figura 7: Puente rectificador de diodos. (Kuphaldt, T., 2009, pág. 111.)
Figura 8: Función de los contactos de un USB macho (izquierda) y hembra (derecha). (Pinouts.ru Team, 2018.)
Experimentación
Obtención del material
Para obtener los materiales necesarios para el circuito rectificador, he aprovechado adaptadores
de corriente estropeados o en desuso.
Del adaptador estudiado anteriormente solamente he podido obtener el condensador, ya que la
soldadura en los demás componentes era demasiado fuerte. Como no he podido encontrar otro
puente rectificador, he utilizado cuatro diodos individuales de un adaptador AC-DC adapter KB-
600B. Por otro lado, el USB hembra procede de un adaptador de coche para cargar el móvil del
modelo gasNatural 4210_MKTO. Finalmente, los cables y la placa perforada, los encontré en casa,
aunque pueden obtenerse mediante internet, pues no es habitual poseer estos materiales.
En cuanto a las herramientas, aunque los alicates y el destornillador los he podido encontrar en
casa, he tenido que tomar prestados el soldador y los hilos de cobre para soldar.
Construcción
Tras separar cada componente de su respectiva placa electrónica
mediante el soldador, he empezado a conectarlos entre sí para
formar el circuito rectificador.
Primeramente he configurado los cuatro diodos según la Figura 9
para obtener el puente rectificador. Para ello, los he soldado
separados sobre la placa perforada, para luego conectarlos entre sí,
procurando añadir dos cables de entrada, y dos de salida.
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Figura 9: Configuración delpuente rectificador de diodos.
(Elaboración propia)
Seguidamente, he añadido el condensador en paralelo tal
y como muestra la Figura 10: he soldado cada conector de
este a un cable de salida distinto. Como este condensador
no tiene polaridad, no he tenido que considerar a qué
conector soldaba cada uno de los dos cables.
Finalmente, he soldado el puerto USB hembra a la placa perforada, y lo he conectado al
condensador. Para ello he tenido que respetar las diferentes funciones de cada uno de los
contactos: Por un lado, he soldado el conector 4 al polo positivo, y el 1 al negativo; mientras que
por otro lado, he cortocircuitado
entre sí los contactos 2 y 3,
encargados de transmitir datos, pues
algunos teléfonos móviles requieren
de esta conexión para poder
reconocer el cargador10.
Comprobación
Para probar el resultado antes de añadir el circuito a una bicicleta, he conectado los cables de
entrada a la dinamo, y he unido esta al destornillador utilizado anteriormente. También he
enchufado un dispositivo móvil al USB hembra.
Tras accionar el destornillador, he podido observar cómo la pantalla del móvil se iluminaba, e
indicaba que la batería estaba cargando.
10. Remple, T.; Burns, A., 2007. p. 3.
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Figura 11: Producto final. (Elaboración propia)
Figura 10: Condensador y puenterectificador conectados entre sí.
(Elaboración propia)
Prueba del sistema
Para comprobar más rigurosamente la funcionalidad del sistema ideado, he procedido a instalarlo
en una bicicleta.
Tal como muestra la Figura 12, he fijado el circuito
rectificador a la bicicleta mediante una brida, y lo he
conectado a la dinamo, situada en la rueda delantera.
También he añadido un soporte para el móvil al
manillar para poder observar cambios en la batería
mientras pedaleo.
Como mi objetivo es solamente comprobar si el
cargador funciona, he optado por una ruta corta.
Al empezar a pedalear, la pantalla del móvil se ha encendido e indicado que estaba cargando. Sin
embargo, al finalizar la ruta prevista, he podido observar que la batería del dispositivo era más baja
que al iniciar la ruta: en 10 minutos, había disminuido un 4%.
Estando desconectado del cargador, y sometido a las mismas condiciones (ninguna aplicación en
funcionamiento, y Wifi y Bluetooth desactivados), en el mismo tiempo de duración de la ruta, el
porcentaje de batería no disminuye. Por lo tanto, estando conectado, el dispositivo ha perdido
carga más rápidamente que en condiciones normales.
También he tratado de utilizar un cable distinto, además de un modelo diferente de móvil, pero en
ambos casos he encontrado el mismo problema. Por esta razón, calcularé los valores de tensión,
potencia y corriente que se suministran al móvil, para así tratar de descubrir cuál es el fallo.
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Figura 12: Sistema montado en la bicicleta. (elaboración propia)
Sección principal: Objetivo 2
Como el circuito elaborado no funciona debidamente, mi objetivo actual es el de mostrar
numéricamente la razón de la falta de funcionalidad en el sistema elaborado.
Cálculos
Tal y como he explicado al inicio de mi investigación, utilizaré un circuito simplificado para los
cálculos: obtendré el valor para la tensión sin considerar el condensador, pues la incorporación de
este supone un proceso de cálculo demasiado complejo para mi nivel de conocimiento.
Obtención de datos
Dinamo:
El generador utilizado produce una tensión eficaz de 6V, y una potencia de 3W. Esta potencia
corresponde a un valor medio, es decir, el cociente del área de la onda AC respecto el tiempo.11
Incertidumbres:
Ea(P) =Límitede lectura
2 = 1/2 = 0 ,5 W Er(P) =Ea(P)
P = 0 ,5 / 3 = 0 ,2 W
Ea(V)=Límitede lectura
2 = 1/2 = 0 ,5 V Er(V)=Ea(V)
V = 0 ,5 / 6 = 8 · 10−2 V
Por lo tanto, los valores de este generador son:
Valor Incertidumbre absoluta Incertidumbre relativa
Tensión eficaz (V) 6V ± 0,5 V ± 8 · 10-2 V
Potencia media (W) 3W ± 0,5 W ± 0,2 W
Tabla 2: Valores de la dinamo Fischer KB20.
11. Lewallen, 2004
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Diodos:
Aunque se atribuye una pérdida de tensión aproximada de 0,7V a los diodos rectificadores (v.
anexo 1.5), he optado por utilizar la función para probar diodos de un
multímetro digital para hallar su valor exacto12. Debido a la baja tensión
del circuito, no lo he activado para este proceso.
Cabe considerar la diferencia en el modelo del diodo 1 (Figura 13), pues
esto supondrá un cambio en los resultados respecto los demás diodos.
Para obtener un valor más exacto, he llevado a cabo tres ensayos consecutivos, entre los que he
reiniciado el multímetro:
Diodo 1 (D1)[Modelo 1N5819]
Diodo 2 (D2)[Modelo 1N4007]
Diodo 3 (D3)[Modelo 1N4007]
Diodo 4 (D4)[Modelo 1N4007]
Ensayo 1 0.172 0.537 0.533 0.534
Ensayo 2 0.171 0.536 0.534 0.533
Ensayo 3 0.171 0.537 0.533 0.533
Media 0.171 0.537 0.533 0.533
Tabla 3: Pérdida de tensión en los diodos de la Figura 13 (Elaboración propia).
Incertidumbre:
EaVD 1=0.172−0.171= 0.001 V
Er VD 1=0 ,001 / 0 ,171=0 ,006 V
Ea VD 2=0.537−0.536= 0.001 V
Er VD 2=0 ,001 / 0 ,537=0 ,002 V
EaVD 3=0.534−0.533= 0.001V
Er VD 3=0 ,001 / 0 ,533=0 ,002 V
Ea VD 4=0.534−0.533= 0.001 V
Er VD 4=0 ,001 / 0 ,533=0 ,002 V
12. Kuphaldt, 2009. p. 104
18
Figura 13: Puenterectificador de diodos.
(Elaboración propia)
Para cada semiciclo de corriente alterna actuarán solamente dos diodos del puente rectificador,
por lo que la tensión disipada en el circuito tomará valores distintos dentro de un mismo periodo,
pues en mi caso, la tensión disipada no coincide en todos los diodos.
Semiciclo positivo: V+dsp= VD 2+VD 3= 0 ,537+0 ,533= 1 ,07 V
Incertidumbre: EaV+dsp= Ea VD 2+EaVD3= 0 ,001+0 ,001= 0 ,002 V
Semiciclo negativo: V−dsp= VD1+VD 4= 0 ,171+0 ,533= 0 ,704 V
Incertidumbre: EaV−dsp= Ea VD1+Ea VD 4= 0 ,001+0 ,001= 0 ,002 V
Por lo tanto, los resultados obtenidos son los siguientes:
Diodos:
Diodo Modelo Tensión disipada Incertidumbre
Diodo 1 (D1) 1N5819 0,171 ±0,001
Diodo 2 (D2) 1N4007 0,537 ±0,001
Diodo 3 (D3) 1N4007 0,533 ±0,001
Diodo 4 (D4) 1N4007 0,533 ±0,001
Tabla 4: Tensión disipada por cada diodo, con su respectiva incertidumbre (Elaboración propia).
Puente rectificador:
• Semiciclo positivo: 1,07 ± 0,002
• Semiciclo negativo: 0,704 ± 0,002
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Análisis de datos
Hasta el momento, he recogido los siguientes valores:
• Pdin= 3W±0 ,5 (Potencia media de la dinamo. Denominada P anteriormente).
• Vdin= 6 V±0 ,5 (Tensión eficaz del generador. Denominado V anteriormente).
• V+dis= 1 ,07V±0 ,002 (Voltaje disipado por el rectificador en el semiciclo positivo).
• V−dsp= 0 ,704 V±0 ,002 (Voltaje disipado por el rectificador en el semiciclo negativo).
Intensidad de la corriente:
Partiendo de estos valores debo hallar la intensidad de la corriente del circuito, I. Para ello me
basaré en la ley de Ohm, V= I · R 13, aplicada a ambos la dinamo y los diodos:
Dinamo: Vdin= I · (R+ r) → La dinamo no solo tendrá una resistencia interna, r, sino que a esta
se añadirán las resistencias de los diodos, R, pues están en serie con el generador.
Diodos: Vdsp= I · R
Aunque hay tres incógnitas en total en las dos ecuaciones anteriores (la intensidad y las dos
resistencias), puedo obtener el valor de r mediante los valores conocidos para la dinamo:
Pdin= Vdin2 / r → r= Vdin
2 / Pdin= 62/ 3 = 12Ω 14
Incertidumbre:
Er r = [Er Vdin · 2] +Er Pdin= [8· 10−2 · 2] + 0 ,2 = 0 ,4Ω
Ear = Er r · r = 0 ,4 · 12 = 5Ω
13. Serra, S.; Armengol, M.; Mercadé, J., 2017. p. 25014. Ibidem. p. 261
20
Habiendo obtenido este valor, ya puedo hallar la intensidad mediante un sistema entre las dos
ecuaciones anteriores basadas en la ley de Ohm:
{Vdin= I · (R+r)Vdsp= I · R → Vdsp/ I = R [1]
Vdin= I · (R+r) → [1] Vdin= I · (Vdsp
I +r) → Vdin= Vdsp+Ir → I =Vdin−Vdsp
r
Semiciclo positivo: I =Vdin−V+dsp
r = 6−1 ,0712 = 0 ,4 A
Semiciclo negativo: I =Vdin−V−dsp
r = 6−0 ,70412 = 0 ,4 A
Incertidumbre:
Primeramente hallaré la incertidumbre relativa del numerador de la ecuación (Vdin – Vdsp):
Vdin−Vdsp → Ea Vdin+EaVdsp= Ea V = 0 ,5+0 ,002 = 0 ,5V
Semiciclo positivo: Er V = Ea V / V = Ea V / (Vdin−Vdsp) = 0 ,5/ (6−1 ,07)= 0 ,1 V
Semiciclo negativo: Er V = Ea V / V = Ea V /(Vdin−Vdsp) = 0 ,5 /(6−0 ,704) = 0 ,1V
Ahora ya puedo utilizar las incertidumbres relativas del numerador y el denominador (resistencia
interna) para luego obtener el error absoluto que corresponde a la intensidad de la corriente:
Er I = Er V+Er r = 0 ,1+0 ,4 = 0 ,5 A → Ea I = Er I · I = 0 ,5 · 0 ,4 = 0 ,2 A
Intensidad de la corriente: 0,4 ± 0,2 A
21
Tensión:
Para hallar el voltaje resultante del circuito aplicaré la ley del voltaje de Kirchoff, según la que la
suma de los voltajes de una red eléctrica cerrada será cero15:
∑ V=0 → Vdin−Vdsp−V = 0 , donde V es la tensión final que llega al USB.
Semiciclo positivo: Vdin−V+dsp−V= 0 → Vdin−V+dsp= V → V= 6−1 ,07 = 5 V
Semiciclo negativo: Vdin−V−dsp−V= 0 → Vdin−V−dsp= V →V= 6−0 ,704= 5 V
Incertidumbre:
Semiciclo positivo: Ea V = Ea Vdin+Ea V+dsp= 0 ,5+0 ,002 = 0 ,5 V
Semiciclo negativo: EaV = Ea Vdin+EaV−dsp= 0 ,5+0 ,002 = 0 ,5 V
Tensión: 5 ± 0,5 V
Potencia:
Mediante los valores obtenidos anteriormente, y la expresión P=I · V 16hallaré la potencia
suministrada al circuito, pues de los 3W generados, una parte es disipada en forma de calor.
P= I · V → P= 0 ,4 · 5 = 2 W
Incertidumbre:
Er P= Er I+Er V= Er I+ [Ea V / V] = 0 ,5+[0 ,5 / 5] = 0 ,5+0 ,1 = 0 ,1 W
Ea P= Er P · P= 0 ,1 · 2 =0 ,2 W
Potencia: 2 ± 0,2 W
15. Gettys, E.; Keller, F.; Skove, M., 2002. p. 657
16. Serra, S.; Armengol, M.; Mercadé, J., 2017. p. 250
22
Análisis de los resultados
A través de los resultados obtenidos, trataré de descubrir porqué el cargador elaborado no
funciona como es debido. Para ello, compararé estos valores con los de un adaptador de corriente:
Tensión Intensidad de la corriente Potencia
Cargador para bicicleta 5 ± 0,5 V 0,4 ± 0,2 A 2 ± 0,2 W
Adaptador de corriente 5 V 2 A 10 W
Tabla 5: Comparación de los valores de un adaptador de corriente y el cargador elaborado (Elaboración propia)
Aunque la intensidad y la potencia son significativamente inferiores a los del adaptador, esto se
debe a que los segundos valores hacen referencia al máximo que se puede alcanzar.
Mediante la aplicación Ampere17, he podido observar que mi modelo concreto de móvil pierde
0,2A cuando no recibe corriente, por lo que para cargar mi dispositivo, la intensidad solamente ha
de sobrepasar este valor. Utilizando la expresión P=I · V 18, podemos obtener el valor de la
potencia mínima: P= I · V= 0 ,4 · 5= 1 W
Por otro lado, el móvil indica que está cargando, por lo que el error no se encuentra el el circuito
elaborado, pues si este fuera el caso, el dispositivo no reaccionaría al accionar el cargador.
Aunque no puedo probarlo numéricamente, cabe la posibilidad que el dispositivo móvil no reciba
suficiente corriente debido al condensador, el cual he omitido en los cálculos.
Debido al elevado margen de error, también existe la posibilidad que el dispositivo no reciba
suficiente energía para cargarse; pero sí obtenga bastante como para indicar que su batería está
siendo alimentada.
17. Braintrapp, 2015.
18. Ibidem. p. 250
23
Extracción de conclusiones
Tras superar mi primer objetivo, construir el cargador, no he podido hacer funcionar este
debidamente, por lo que, tal y como he expresado al definir la metodología, he centrado el resto
de la investigación en explicar el porqué de esta falta de operatividad. Sin embargo, me he
encontrado con la imposibilidad de definir con total certeza la causa de este suceso.
Debido a esta imposibilidad para determinar el error en el sistema, no puedo negar o afirmar mi
hipótesis, pues no puedo saber con seguridad si la falta de funcionalidad es exclusiva de mi
sistema, caso en el que mi hipótesis podría ser cierta; o si realmente es inviable cargar el
dispositivo móvil mediante una bicicleta, por lo que mi hipótesis sería errónea.
Independientemente de la imposibilidad de comprobar mi proposición inicial, considero que la
realización de este trabajo no ha sido en vano, pues me ha permitido explorar un ámbito de la
física que, aunque llamaba mi atención, nunca me había decidido a investigar en profundidad.
Además, la elaboración de esta monografía me ha permitido familiarizarme con la metodología
pertinente para realizar investigación y citas bibliográficas.
Aunque estoy satisfecha con el estudio realizado, creo que hay lugar para mejoras y trabajo futuro.
No solamente considero interesante tratar de descubrir la razón para la inoperatividad del sistema,
sino que también considero importante una mejora en cuanto a la exactitud de los resultados. Para
ello, sería necesario considerar el condensador en el proceso de cálculos, además de tratar de
reducir el margen de error.
En conclusión, aunque el trabajo realizado contiene un elevado número de aspectos a mejorar,
creo que el proceso seguido ha sido provechoso, pues no solo me ha permitido familiarizarme con
el proceso de investigación, sino que también me ha dado la oportunidad de profundizar en un
ámbito que, a lo mejor nunca habría tenido la oportunidad de poder explorar.
24
Agradecimientos
• En primer lugar, a Jordi Tulsà, por ambos su implicación personal, y sus muchos consejos y
enseñanzas, pues estos no solo han favorecido a un proyecto de investigación ameno, sino
que también me han permitido aventurarme a realizar un proceso que, de otro modo, me
habría parecido inasequible.
• A mi supervisora, Clara Blanch, por su acertado asesoramiento y orientación durante la
realización de la monografía.
• A Maria Rosa Sànchez, mi madre, por su comprensión y apoyo incondicional.
• A José Blanch Pomar y Judit Acín por su contribución.
25
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28
Anexo
1. Marco teórico
Muchos de los conceptos tratados en esta monografía pertenecen al temario de física NS. Es por
ello que he decidido incluirlos en el anexo, para así asegurar que un público más amplio pueda
comprender con totalidad esta investigación.
1.1. Corriente continua y corriente alterna
Durante las lecciones de física, hemos introducido brevemente la corriente alterna, aunque
mayoritariamente, nos hemos familiarizado con la corriente continua. Estas, se diferencian en el
sentido de la corriente a lo largo del tiempo: mientras que en una este será constante, la otra
presentará variaciones.
Por un lado, será continua toda corriente que no cambie de sentido a lo largo del tiempo. Esta
corriente, a su vez, puede clasificarse en diferentes tipos. Por un lado, la corriente continua
constante, con la que hemos trabajado habitualmente durante las clases de física, se caracteriza
por mantener un valor constante para la tensión a lo largo del tiempo. Por otro lado, la corriente
continua puede también ser pulsante. En este caso, tendrá un valor variable para la tensión, a la
vez que esta mantiene un mismo sentido, lo cual le da su carácter continuo.
En caso contrario, si la tensión va variando su signo a medida que avanza el tiempo, la corriente
será de tipo alterno. Como consecuencia de estos cambios en el sentido de la corriente, el gráfico
29
para el voltaje en función del tiempo (V-t) formará una onda que, de forma periódica, crecerá
hasta un valor de tensión máxima y positivo, para luego decrecer, pasando por cero de nuevo,
hasta un valor mínimo y negativo. Este proceso, el cual se irá repitiendo a lo largo del tiempo, se
denomina ciclo, y se puede dividir en dos
intervalos: un semiciclo positivo, cuando la tensión
sea mayor a cero; y un semiciclo negativo, cuando
esta sea menor a cero19.
Al igual que la continua, la corriente alterna puede
ser de diferentes tipos. En este caso, quiero
destacar la corriente alterna senoidal, que nos encontramos frecuentemente en nuestro día a día,
en las bases de enchufes, por ejemplo. Esta se caracteriza por un cambio periódico en el sentido de
la corriente, es decir, los diferentes semiciclos se producirán a intervalos iguales de tiempo.
1.2. Electromagnetismo20
Antes de introducir el electromagnetismo, considero importante aclarar algunos conceptos
básicos, para evitar confusiones y facilitar lo máximo posible la comprensión de esta idea.
Primeramente, el magnetismo es el fenómeno físico por el que diferentes materiales,
generalmente conocidos como “imán”, experimentan fuerzas de atracción o repulsión entre sí.
Estos imanes producen una agitación de la región que los rodea, la cual denominamos “campo
magnético”. Aunque este no sea visible, suele representarse con líneas imaginarias que conectan
por el exterior del imán sus dos extremos, denominados polos. La cantidad de líneas que
representan este campo magnético se denomina “flujo magnético”.
19. Tolocka, E., 2012
20. Endesa, 2020b
30
Figura A.1: Corriente alterna senoidal (superior) ycontinua pulsante (inferior). (Endesa, 2020a)
Según los estudios del físico y químico Hans Christian Oersted, la electricidad y el magnetismo son
en realidad representaciones de un mismo fenómeno: Una carga eléctrica en movimiento,
producirá un campo eléctrico y un campo magnético a su alrededor. A su vez, este campo
magnético producido por la carga, ejercerá una
fuerza sobre cualquier otra carga que se encuentre
dentro de su radio de acción, es decir, el área que
alcanza este campo magnético. Esta fuerza se
denominará “electromagnética”.
Esta fuerza electromagnética se manifiesta, por
ejemplo, cuando hacemos que una espira por la que circula corriente entre en contacto con un
campo magnético. Este campo magnético ejercerá fuerza electromagnética sobre dos puntos de la
espira, tal y como indica la Figura A.2, lo cual resultará en un giro de esta alrededor de su eje.
1.3. Ley de Faraday21
Partiendo de las conclusiones de Oersted, el físico y químico inglés Michael Faraday trató de
averiguar si, del mismo modo que una carga eléctrica era capaz de generar un campo magnético,
podía ocurrir el suceso contrario, es decir, la generación de cargas eléctricas a partir de un campo
magnético. Fue con esta idea que Faraday descubrió el fenómeno denominado “inducción
electromagnética”, es decir, la producción de corrientes eléctricas por medio de campos
magnéticos. Más concretamente, halló que la producción de cargas era el producto de variaciones
en el flujo magnético: cuanto más rápido se produjeran estas variaciones, mayor sería la corriente
eléctrica inducida, es decir, más fuerza electromotriz (o f.e.m) se generaría.
21. Endesa, 2020b.
31
Figura A.2: Giro de una espira, debido a la fuerzaelectromagnética de un imán. (Endesa, 2020b.)
Sintéticamente, la Ley de Faraday afirma que la fuerza electromotriz inducida en un circuito, es
proporcional a la rapidez con que se producen variaciones en el flujo magnético que lo atraviesa.
Anteriormente he explicado como, exponiendo una espira por donde circula una corriente
eléctrica a un campo magnético, se generan fuerzas electromagnéticas que provocan que la espira
gire. Del mismo modo, según la Ley de Faraday, podemos inducir corriente si introducimos una
espira dentro de un campo magnético, y la hacemos girar.
Cabe destacar como, a lo largo del giro los polos se invertirán respecto la espira, tal como he
mostrado anteriormente en la Figura 2. Esto resulta en una variación en la tensión a lo largo del
tiempo, pues de 0o a 180o, los polos se invertirán, dándole un valor negativo a esta.
Consecuentemente, la corriente tendrá una forma alterna.
1.4. El diodo22
El diodo es un dispositivo electrónico compuesto por un extremo positivo, denominado cátodo, y
uno negativo, el ánodo. Cuando el cátodo del diodo entre en contacto con electricidad fluyendo en
sentido positivo, o el ánodo con electricidad en sentido negativo, este componente adquirirá una
polarización directa: presentará una resistencia idealmente nula, permitiendo así el paso de la
corriente. En caso contrario, cuando el sentido de la corriente no coincida con el signo del extremo
del diodo, el dispositivo ofrecerá una resistencia muy elevada, o en caso ideal infinita, evitando así
el paso de la corriente. En este caso, el diodo tendrá una polarización inversa. Por lo tanto, este
componente electrónico permitirá el paso de la energía eléctrica en un solo sentido. Esta
característica, proporciona al diodo una gran variedad de usos, entre los que destacaré la función
de rectificación debido a su relevancia en esta investigación.
22. Kuphaldt, 2009, pág. 98-100
32
Tal y como he expresado al introducir el concepto de diodo, el valor nulo o infinito de la resistencia
es un caso ideal. En realidad, la resistencia del diodo no llegará a estos valores extremos, aunque
tratará de acercarse a ellos. Debido a esta condición real, el paso de la tensión y corriente a través
de un diodo, supondrá pérdidas.
Cuando la tensión entra en contacto con un diodo que se encuentra en polarización directa, el
componente conducirá la corriente, aunque se perderá una pequeña cantidad de voltaje. Esta
pérdida se debe a que, para poder pasar a través del diodo, la electricidad tiene que utilizar
energía, la cual supondrá una pérdida de tensión. Aunque este voltaje depende de varios factores,
los diodos rectificadores tienen asociada una caída de tensión de unos 0.7V23.
Cuando la tensión se aplica sobre un diodo en polarización inversa, según las bases ideales de
funcionamiento del diodo, no se permite el flujo de la corriente. Sin embargo, cuando se da esta
situación en la realidad, sucede una pequeña fuga de corriente, aunque su valor es negligible24.
1.5. Puente rectificador de diodos
El puente rectificador de diodos, es un circuito que se caracteriza por llevar a cabo una rectificación
de onda completa. Esto significa que, cuando una corriente alterna entre en contacto con este
componente, un semiciclo mantendrá su corriente, mientras que el otro lo invertirá. Esto resulta
en una corriente continua pulsante.
Para llevar a cabo este tipo de rectificación, el puente se sirve de cuatro diodos, dos de los cuales
actuarán en cada semiciclo25.
23. Lombardero, n.d., pág. 1-224. Ibidem, pág. 1
25. Kuphaldt, T., 2009, pág. 111.
33
