¿Para qué sirven las escobillas del taladro? El cometido de los carbones de un motor eléctrico

Los cables, en cuanto que conductores de corriente, tienen sus límites. Entre los confines del medio físico están, por una parte, el largo; por la otra, el coto impuesto por la torsión. Dicho de otra forma, un hilo eléctrico solo se puede alargar y retorcer hasta cierto punto.

De otro modo, ¿qué ventajas aportaría el taladro de batería? Mas allá de atornillar y taladrar sin acceso a la red eléctrica, ¿en qué es mejor el taladro inalámbrico que el de cable? Por ejemplo, en andamios, escaleras, tejados, prescindir del cable y el alargador es de todo punto deseable. De ahí el valor de las herramientas de batería.

¿Y todo esto qué tiene que ver con las escobillas eléctricas? ¿Acaso no las llevan tanto el taladro de cable como el de batería? Pues sí. Así es. Y lo que me propongo en este texto es aprovechar un alargador eléctrico, de los de carrete, para explicarte —del modo más simple posible— la función de las escobillas de un taladro. Venga, ¡manos a la obra!

¿Qué es un motor eléctrico?

Un motor eléctrico es una máquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica.

Hay varios modos de transformar la electricidad en movimiento. De resultas, existen varios tipos de motores; no todos ellos precisan de escobillas. Prueba de ello, en efecto, es la llegada de las llamadas herramientas brushless en los últimos años... ¡Pero esas son otras López!

Volviendo al asunto, Hans Ørsted (1777-1851) fue el físico danés que aisló el aluminio. Sin embargo, es recordado antes que nada por hallar el vínculo entre la electricidad y el magnetismo.¹ ¿Quién no ha experimentado cómo se repelen los imanes cuando se juntan por el mismo polo? ¡Pues ahí tienes la base del motor eléctrico! ²

¿Imán o electroimán? ¡He aquí la cuestión!

Lo que el motor eléctrico hace, en síntesis, es aumentar el poder de repulsión del campo magnético hasta extremos inimaginables. Y para ello se hace valer de imanes muy potentes. El motor de un taladro sin escobillas emplea imanes permanentes de tierras raras. ¿Y no hay otra opción? Sí, recurrir a electroimanes.

El artículo de Wikipedia dedicado al electroimán define así dicho dispositivo:

Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético se produce mediante el flujo de una corriente eléctrica, y desaparece en cuanto cesa dicha corriente.

Pero dicen que una imagen vale más que mil palabras:

¡Ajá, nos acercamos a nuestro destino! ¡Ya casi se divisan las escobillas! En efecto, la parte giratoria del motor eléctrico (es decir, el rotor) de un taladro con escobillas no es más que un electroimán. Es preciso, por lo tanto, hacer que llegue a él la electricidad.

Así que ¿no va siendo hora de desempolvar el alargador eléctrico de carrete del que hablé al principio del artículo?

Electricidad sin ataduras

Apuesto a que alguna vez le has dado a la manivela de un enrollador eléctrico cuyos enchufes alimentaban más de una herramienta. Lo mismo da recoger que alargar: por cosas de la física los cables se trenzan entre sí.

En todo caso, una vez acabada la tarea, se suele caminar hacia la toma de red al tiempo que se recoge cable... ¿Y acaso no sobreviene a veces, en los últimos metros, la tentación de tirar del enchufe desde el manubrio, en vez de agacharse a sacarlo como es debido?

¡Ah, qué desidia! ¡Qué negligencia! ¡Qué falta de cuidado! Sin embargo, este ejemplo de dejadez ilustra muy bien cómo llega a romperse un cable, ya sea por torsión (retorcerlo) o por tracción (tirar de él).

Qué conveniente sería, ¿verdad?, poder desenrollar el alargador sin que a la vez rotase su núcleo de cuatro enchufes. Pues te presento a las hermanas Escobillas de Carbón y a Colector de Delgas, su primo.

La función de las escobillas de carbón

La función de las escobillas consiste, sin más rodeos, en electrificar el rotor del motor del taladro. Las pastillas de grafito —material de la mina del lápiz y conductor de la corriente eléctrica— rozan para ello contra un anillo de cobre.

Bajo este párrafo, el colector y las escobillas del motor de un taladro eléctrico. La corriente (proveniente de los cables negros y azules) entra por una escobilla al rotor, produce el campo magnético del electroimán y sale por la otra escobilla.

Si observas las escobillas, distinguirás en ellas cuatro partes. De la (1) pastilla de carbón sale un pigtail, una suerte de (2) latiguillo de cobre trenzado que está soldado, a su vez, a un (3) conector de latón. Un (4) muelle entre ambos presiona la escobilla contra el colector de cobre.

Un análisis más minucioso de la escobilla pone de relieve su posición respecto al anillo de cobre. Comprueba cómo en la foto de arriba (la misma escobilla vista desde dos ángulos) se aprecia que la parte inferior de la pastilla adopta la curva del colector. En cuanto a la ranura ovalada (a la izquierda), su fin no es otro que encajar en la guía del portaescobillas (véase la foto anterior).

En suma, la escobilla establece una conexión eléctrica ininterrumpida con la parte móvil del motor. No es otro que ese su cometido. Aunque se trata de un sistema muy eficaz, tiene sus contras.

Por ejemplo, en tanto en cuanto el carbón se desgasta a causa de la fricción (roce), las escobillas se deben sustituir cuando el bloque de grafito, por ser demasiado corto, y el resorte, por no dar más de sí como elemento elástico, dejan de proporcionar un buen contacto.

El propósito del colector de delgas

El diccionario de la RAE define delga como 'cada una de las láminas de cobre o segmentos metálicos que forman el colector de una máquina de corriente continua'. Cierto es. En la foto del colector pudiste ver que el anillo de cobre no era continuo, antes al contrario: lo formaban pequeños segmentos.

Por otra parte, la definición habla de corriente continua... Al respecto hay que decir que en los taladros, así como en la mayor parte de las herramientas con cable, se usan motores universales, que son aquellos diseñados para funcionar con corriente continua (la de pilas y baterías) o alterna (la de casa).

Ahora bien, ¿para qué sirve el colector de delgas? En resumidas cuentas, y por no alargar mucho más este artículo, su función consiste en invertir cada 180º de giro del rotor la polaridad del electroimán y, en consecuencia, mantener fijo el sentido del flujo magnético.

El gato persigue al ratón

Para recapitular un poco, hemos dicho que un imán solo repele a otro si se juntan por el mismo signo. Pongamos que un gató persigue a un ratón. Si en un momento dado el incauto ratón se voltea, se dará de bruces contra el fiero felino. Con los imanes pasa igual, salvo que también ocurre, aunque suene paradójico, si es el gato el que se da la vuelta.

¿Pero qué ocurre al llegar a una mesa? En una persecución alrededor de un mueble, perseguidor y perseguido se mueven, en realidad, casi siempre en línea recta. Primero de izquierda a derecha. Luego de arriba abajo. Acto seguido de derecha a izquierda. Y así sucesivamente.

Con el motor eléctrico ocurre algo parecido. Para que no cese el movimiento, los campos magnéticos del rotor y el estator (parte fija del motor) deben ser siempre de sentido opuesto. Eso pasa por cambiar la dirección de la corriente cada 180º de giro, como en el ejemplo de la mesa. Y de eso se ocupa el colector de delgas.

Pero, como ya he dicho, no quiero entrar en detalle, pues, en todo caso, la conmutación no es, en rigor, el cometido de la escobilla de carbón, que es la pieza eléctrica a la que se dedica este artículo. De hecho, ¡la escobilla nada sabe sobre el colector! ¡Tan solo aplica presión mecánica y corriente al cobre!

Si tienes curiosidad, este vídeo te explica con total detalle el asunto:

¿Por qué se llaman escobillas?

Si me parece interesante, para acabar, desvelar el porqué del término escobilla. ¿O es que acaso se parece la pieza eléctrica que nos ocupa a una pequeña escoba?

Hay que viajar a un pasado muy lejano para encontrar escobillas —de las de verdad— en máquinas eléctricas. Por ejemplo, la máquina de James Wimshurst, inventor británico que vivió desde 1832 hasta 1903, empleaba un par de cepillos metálicos.

La máquina de Wimshurst no era sino un generador electrostático de alto voltaje. Consistía en dos discos que giraban en sentido opuesto al tiempo que rozaban contra dos pinceles para producir carga eléctrica:

Imagina ahora que tomas un puñado de hilos de cobre y los anudas en un manojo, a modo de pincel de brocha gorda. ¿Sirve eso como escobilla eléctrica? ¡Desde luego! Y no en vano así eran las escobillas primitivas...

Pero no hay rosas sin espinas y, así como un diamante raya a otro diamante, un cobre raya a otro cobre. Pues ahí tienes el grafito: carbono puro, al igual que el diamante, pero dureza 1-2 en la escala de Mohs. ¡Cuán mejor (y barato) resulta cambiar las escobillas que el rotor del taladro!

Con eso y todo, para evitar dañar el colector, el cambio de escobillas no se debe procrastinar. De ahí que taladros como el percutor Makita HP2071 incluyan una luz que avisa del desgaste de los carbones.