1.1 Carga eléctrica 1.2 Corriente eléctrica 1.3 Circuitos eléctricos DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA...

1. LA CORRIENTE ELÉCTRICA

1.1 Carga eléctrica1.2 Corriente eléctrica1.3 Circuitos eléctricos

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA I.E.S EDUARDO JANEIRO

FRANCISCO JAVIER DIAZ RIVERAUNIDAD-5 Energía Eléctrica

1.1 CARGA ELECTRICA

Los cuerpos están formados por unas partículas llamadas átomos, estando estos formados por otras partículas más pequeñas, denominadas: electrones, protones y neutrones.Hay dos tipos de carga eléctrica: Positiva y negativa. Los protones tienen carga eléctrica positiva y los electrones carga eléctrica negativa. La carga de un protón tiene el mismo valor que la carga de un electrón, aunque de signo contrario.La carga eléctrica se mide en culombios. Un culombio equivale, aproximadamente, a la carga eléctrica que tienen seis trillones de electrones.1 Culombio = Carga de 6,25 x 1018 electrones



1.2 CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica consiste en un movimiento de cargas eléctricas a través de un material conductor, como puede ser el cobre o el aluminio.

Para que se produzca este movimiento es necesario que exista una tensión eléctrica; es decir, se necesita que en unos de los lados del conductor haya más carga negativa que en el otro. En estas circunstancias los electrones en exceso, serán atraídos, a través del conductor hacia el cuerpo de menor tensión (menos carga eléctrica), hasta que las cargas de ambos se equilibren.

Si queremos que la corriente eléctrica se mantenga, tendremos que proporcionar energía a las cargas eléctricas para que continúen en movimiento. Esto se consigue con un generador.


FRANCISCO JAVIER DIAZ RIVERA

Esquema de corriente eléctrica

UNIDAD-5 Energía Eléctrica

1.2 CORRIENTE ELÉCTRICA (CONTINUACIÓN)

Los generadores eléctricos toman la energía de distintas fuentes (movimiento, reacciones químicas, reacciones térmicas etc..) y la transmiten a las cargas eléctricas para que estén en movimiento.



Generador

Un generador eléctrico es un dispositivo que genera y mantiene la tensión necesaria para que se produzca y se mantenga una corriente eléctrica


1.3 CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Los circuitos eléctricos están formados por un generador y varios elementos conectados entre si mediante conductores.

El circuito eléctrico debe de tener los siguientes componentes:

1. Generador2. Receptor/es3. Conductor4. Elementos de maniobra y control5. Elementos de protección.



1-Generad

or

2-Receptor

4-Interrupto

r

5-Protección

3-Conductor

Circuito eléctrico


2. MAGNITUDES ELECTRICAS

2.1 Tensión eléctrica (Voltaje)2.2 Intensidad de la corriente2.3 Resistencia2.4 Ley de Ohm2.5 Energía y potencia eléctrica



2.1 TENSIÓN ELÉCTRICA

Entre los dos polos de un generador (pila) existe una tensión eléctrica. Esta tensión consiste en una diferencia de energía, de manera que las cargas se mueven desde el polo negativo, que es el punto de mayor energía (donde hay más electrones), hasta el polo positivo, de menor energía.

La tensión o voltaje que es capaz de proporcionar un generador es la energía transferida a cada culombio de carga para que recorra el circuito eléctrico. Se representa por la letra V y se mide en voltios.



Generador


2.1 TENSIÓN ELÉCTRICA (continuación)

Un voltio (V) equivale a 1 julio por culombio. En estas condiciones se puede decir que, un generador o pila de 12 voltios, es capaz de proporcionar 12 Julios de energía a cada culombio de carga.

Problema: Calcular la tensión de un generador que proporciona 120 julios a 10 culombios de carga.

Resolución del problema:

V

C

J



2.2 INTENSIDAD DE LA CORRIENTE

La intensidad de una corriente eléctrica se define como la cantidad de cargas eléctricas que pasan por una sección del conductor en un tiempo determinado. Esta magnitud se representa por la letra I, y se mide en amperios A.

Un amperio (A) equivale a un culombio por segundo. En estas condiciones se puede decir que por cada sección del conductor pasa una carga de un culombio cada segundo.

A

s

C



2.3 RESISTENCIA

En cualquier conductor, las cargas encuentran una oposición o resistencia a su paso por este. La resistencia depende de tres factores: de la longitud del conductor (l) de la sección de este (s) y del material con que esta hecho.

La resistencia eléctrica es la mayor o menor capacidad de un material para permitir el paso de la corriente eléctrica. Se mide en ohmios (Ω)

Un ohmio es la resistencia que presenta un conductor al paso de una corriente de un amperio cuando su tensión es un voltio.



2.4 LEY DE OHM

La tensión (V) la intensidad (I) y la resistencia (R), están relacionadas entre si mediante una ley llamada Ley de Ohm. En estas condiciones se puede decir que la tensión y la intensidad son magnitudes directamente proporcionales, de manera que en un circuito eléctrico si doblamos la tensión la intensidad se duplica

Enunciado Ley de Ohm: La intensidad (I) que circula por un circuito es directamente proporcional a la tensión (V), e inversamente proporcional a la resistencia (R).

Su expresión matemática es la siguiente:

Triángulo Ley de Ohm IV

RRV

I

IRV

RV

I



2.5 ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICA

La energía que podemos obtener de una corriente eléctrica puede ser mayor o menor, dependiendo de cuales sean los valores de intensidad y de tensión (voltaje), así como de cuanto tiempo esté circulando la corriente. Se calcula con la siguiente expresión:

Donde: V = Tensión o voltaje en voltios I = Intensidad de corriente en amperios t = Tiempo en segundos

La potencia de una corriente eléctrica es la cantidad de trabajo o energía capaz de realizar o proporcionar en un tiempo determinado. Se representa por la letra P y se mide en vatios.

Se determina dividiendo por el tiempo la expresión anterior:

tIVE

IVP



3. LA ELECTRICIDAD Y LOS IMANES

3.1 Los imanes y el campo magnético3.2 Electromagnetismo3.3 Inducción electromagnética3.4 Bobinas3.5 Electroimán



3.1 LOS IMANES Y EL CAMPO MAGNÉTICO

Un imán es un cuerpo que posee propiedades magnéticas. Nuestro planeta y las agujas de las brújulas son imanes.

Todos los imanes tienen dos polos: el polo norte y el polo sur.

Cuando enfrentamos entre si dos imanes como los de la figura, el polo norte (azul) de uno atrae al polo sur (rojo) del otro.

Un imán crea alrededor de si un campo magnético, siendo este la zona de

influencia de la acción, atracción y repulsión que el imán ejerce.



3.2 ELECTROMAGNETISMO

Uno de los efectos que tiene la corriente eléctrica es la de producir efectos magnéticos, por tanto la electricidad y el magnetismo están relacionados.

La corrientes eléctricas generan campos magnéticos. Al pasar una corriente por un conductor este genera a su alrededor un campo magnético, que hace cambiar de orientación las agujas de una brújula.

Los campos magnéticos generan corriente. Cuando un conductor se mueve dentro de un campo magnético, por este conductor aparece una corriente eléctrica.



3.3 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Cuando acercamos y alejamos un imán a un conductor eléctrico, en este se produce una corriente eléctrica . El mismo efecto se produce al contrario, es decir moviendo el conductor y dejando fijo el imán . Lo importante es el movimiento relativo del imán respecto del conductor.

Este fenómeno se conoce como Inducción electromagnética y la corriente que se produce se llama corriente inducida. Esta corriente se mantiene mientras el imán o el conductor estén en movimiento. La corriente producida es una corriente alterna , es decir una corriente que cambia de sentido periódicamente.


Inducción Electromagnética


3.4 BOBINAS

Una bobina o solenoide es un hilo de alambre enrollado por el que se hace circular una corriente. El interior de este arrollamiento se lama núcleo. En el interior del puede haber o no un material que no sea el aire.

Al circular la corriente por la bobina, se genera un campo magnético, siendo más intenso en el núcleo que en el exterior.

Las bobinas se emplean para la fabricación de transformadores, electroimanes, motores, y relés.


Bobina


3.5 ELECTROIMÁN

Un electroimán es un imán temporal, formado por una bobina en cuyo interior se ha colocado un núcleo de hierro u otro material ferromagnético.

Cuando una corriente eléctrica recorre la bobina, se genera un fuerte campo magnético paralelo a su eje, de manera que el núcleo de hierro se comporta como un imán, desapareciendo este comportamiento cuando cesa la corriente que la produce. La intensidad del campo magnético se puede controlar con el número de espiras o la intensidad de la corriente.


Electroimán


4. ALTERNADORES Y DINAMOS

4.1 Corriente continua CC.4.2 Corriente alterna CA.4.3 Alternadores4.4 Dinamos



4.1 CORRIENTE CONTINUA (C.C.)

La corriente eléctrica que proporcionan las pilas y las baterías siempre circula en el mismo sentido, es decir del polo negativo hacia el polo positivo. Esta corriente se denomina corriente continua. La corriente continua procede de las reacciones químicas de las sustancias con las que se fabrican las pilas y baterías, además de una maquina llamada dinamo, de la que hablaremos en el apartado 4.4.



4.2 CORRIENTE ALTERNA (C.A.)

La corriente eléctrica que llega hasta nuestras casas y de la que se alimentan la mayoría de los aparatos eléctricos de la casa, cambia de sentido 100 veces cada segundo. Esta corriente se denomina corriente alterna. La corriente alterna se obtiene del alternador y de las centrales eléctricas, mediante el fenómeno denominado y ya estudiado de la inducción electromagnética.



4.3 ALTERNADORES

Como su nombre indica, los alternadores son aparatos que generan corriente alterna . El alternador más sencillo es aquel que esta formado por un imán que entra y sale periódicamente de una bobina.

El alternador se compone de dos elementos básicos:

1. El inductor.

2. El inducido.

El inductor puede ser un imán o un electroimán, mientras que el inducido es una bobina, con los extremos conectados a un circuito externo.


Inductor

Inducido


4.3 ALTERNADORES (CONTINUACIÓN)

En los extremos del hilo que forman la bobina hay conectados unos anillos llamados delgas . Estas delgas se encuentran en contacto permanente con unas escobillas, que son las encargadas de recoger la corriente eléctrica, así como permitir que la bobina gire libremente.

Cada vez que la bobina gira media vuelta, la corriente que se genera en su interior cambia de sentido, ya que cambia la polaridad del campo magnético enfrentado en la bobina.



4.4 DINAMOS

El funcionamiento de la dinamo es muy similar al del alternador. La diferencia principal consiste en la forma en la que se recoge la electricidad producida.

Cuando la bobina gira dentro del campo magnético que crea el imán, se induce una corriente en la bobina,

recogida por un colector provista de dos delgas semicirculares. La corriente es captado por medio de dos escobillas en contacto con las delgas


La dinamo es una máquina que se emplea para generar corriente eléctrica continua. Esta corriente se obtiene al igual que con el alternador, haciendo girar unan bobina de cable entre los polos de un imán.

Dinamo


5. MOTORES ELECTRICOS

5.1 El motor eléctrico5.2 Componentes del motor eléctrico



5.1 EL MOTOR ELÉCTRICO

El motor es un máquina que transforma la energía eléctrica en energía mecánica, es decir tiene una entrada eléctrica y una salida mecánica. La entrada eléctrica consiste en unos bornes a los que se le suministra corriente eléctrica y la salida mecánica consiste en un eje que gira, solidario con la armadura de la bobina.


Eje

Bornes


5.2 COMPONENTES DEL MOTOR ELÉCTRICO

Los motores eléctricos están divididos en dos partes fundamentales:1. Parte fija2. Parte Móvil

La parte fija se denomina estator y esta unido a la carcasa.La parte móvil denominado rotor es el que gira cerca, dentro o alrededor del estator.Las partes del motor eléctrico también se pueden clasificar según su función.


Estator

Rotor


5.2 COMPONENTES DEL MOTOR ELÉCTRICO (CONTINUACIÓN)

Según su función todos los motores eléctricos constan de: Un inductor este es el que crea

el campo magnético. El inductor puede estar formado por uno o varios imanes o bien electroimanes.

Un inducido este esta formado por una o varias bobinas de cable, que se sitúan dentro del campo magnético, que crea el inductor.

El colector es el encargado e llevar la corriente a la o las bobinas.

Las escobillas son las que se encargan de transmitir la corriente al colector, mediante el contacto con las delgas


Inducido

Escobillas

Inductor

Colector


6. CENTRALES ELÉCTRICAS

6.1 Turbinas6.2 Cogeneración6.3 Centrales térmicas6.4 Centrales nucleares6.5 Centrales hidroeléctricas6.6 Centrales solares de alta temperatura6.7 Centrales solares de media temperatura6.8 Centrales eólicas



6.1 TURBINAS

La corriente eléctrica que llega nuestras viviendas se genera en las centrales eléctricas. En estas instalaciones el movimiento del inductor (generador del campo magnético) es decir rotor de los alternadores se suele conseguir acoplando el eje de estos a grandes turbinas en movimiento.

Una turbina consta de un conjunto de palas o álabes unidas a un eje, sobre las que hace presión un fluido (agua, aire, vapor o gas) obligándolas a girar.

La mayoría de las centrales eléctricas están provistas de estas turbinas que están acopladas al rotor de sus alternadores, de manera que cuando la turbina gira también lo hace el alternador, produciendo de esta manera energía eléctrica.

La diferencia ente unas centrales y otras se encuentra en la forma en la que se aprovecha o se genera el movimiento de la turbina.



6.2 COGENERACIÓN

La cogeneración es el procedimiento mediante el que se obtiene simultáneamente energía eléctrica y energía térmica útil.

Al generar electricidad en una central térmica, tan solo es aprovechable un 30% de la energía que se obtiene al quemar el combustible, lo demás se pierde. En un sistema de cogeneración, este calor se aprovecha para otros usos, como puede ser la calefacción de un edificio.

La cogeneración supone un ahorro energético importante.


Cogeneración


6.3 CENTRALES TÉRMICAS

La energía necesaria para mover la turbina se obtiene a partir del vapor que se produce al hervir agua en una caldera. El calor necesario para generar dicho vapor se obtiene mediante la combustión de carbón, fuel o gas.


Central Térmica


6.4 CENTRALES NUCLEARES

La energía que se necesita para mover el rotor del alternador se obtiene a partir del vapor formado al hervir agua en un reactor nuclear.


Central Nuclear


6.5 CENTRALES HIDROELECTRICAS

La turbina que se encuentra solidaria con el eje del rotor, es movida por la fuerza de la caída del agua procedente del embalse. Encontrándose los álabes de la turbina en el camino de caída del agua.


Central Hidroeléctrica


6.6 CENTRALES SOLARES DE ALTA TEMPERATURA

La radiación solar incide en una amplia superficie cubierta de grandes espejos (helióstatos) que concentran la radiación solar en un punto fijo llamado colector. Esta radiación concentrada calienta, sodio y este a su vez agua produciendo vapor de agua en una caldera. Se alcanzan temperaturas próximas a los 2000 ºC


Central Solar de A. Temperatura


6.7 CENTRALES SOLARES DE MEDIA TEMPERATURA

La radiación solar incide en unos espejos llamados colectores que la concentran en un elemento receptor de superficie muy reducida, con lo que se alcanzan temperaturas de hasta 300º C. Con esta temperatura se calienta agua para producir vapor a presión que impulsa el movimiento de la turbina.


Central Solar de M. Temperatura


6.8 CENTRALES EÓLICAS

Las centrales eólicas tienen un número de aerogeneradores, provistos de unas aspas o palas que al incidir el aire sobre ellas ponen en movimiento un eje solidario con el rotor del alternador.

DEPARTAMENTO DE TECNOLOGIA I.E.S LOS PACOS

Central Eólica


7. TRANSPORTE DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA

7.1 Los transformadores7.2 Los tendidos eléctricos



7.1 LOS TRANSFORMADORES

Son aparatos que se emplean para aumentar o disminuir la tensión (voltaje) en un circuito eléctrico de corriente alterna.

Están formados por dos bobinas enrolladas alrededor de un núcleo de hierro , común a ambas bobinas. Dichas bobinas se denominan circuito primario y circuito secundario.

En la figura de la derecha si el circuito primario se conecta a una fuente de corriente alterna, se induce una tensión alterna en el circuito

secundario.


Esquema de un transformador


7.1 LOS TRANSFORMADORES (CONTINUACIÓN)

La magnitud del voltaje inducido (voltaje en el circuito secundario Vs), depende de la magnitud del voltaje inductor (voltaje en le circuito primario Vp) y del número de espiras de ambos bobinados , representados por Ns y Np. La relación entre estas magnitudes viene dada mediante la siguiente expresión:

Donde: Vs es la tensión inducida en el circuito secundario. Vp es la tensión en el circuito primario. Ns número de espiras en el circuito secundario. Np número de espiras en el circuito primario.




En un transformador ideal (transformador sin perdidas energéticas), la potencia que proporciona el circuito secundario es el mismo que proporciona el circuito primario.

Ip·Vp=Is·Vs

Donde: Ip es la intensidad en el circuito primario. Vp es la tensión en el circuito primario. Is es la intensidad en el circuito secundario. Vs es la tensión en el circuito secundario.




Ejercicio resuelto:Para convertir una tensión de 220 V en otra de 125 V, se dispone de un transformador cuya bobina primaria tiene 500 espiras. ¿Cuál será el número de espiras de la bobina secundaria (Ns)?

Usando la ecuación del transformador:

Despejando Ns:



7.2 LOS TENDIDOS ELÉCTRICOS

La conexión entre las centrales eléctricas y las viviendas o puntos de suministro (urbanizaciones, parcelas, etc..), se realiza mediante los tendidos eléctricos.El transporte de la energía eléctrica por los tendidos de cables eléctricos, presenta un gran inconveniente, que es la gran cantidad de energía que se pierde en forma de calor. Estas perdidas de calor son producidas por el efecto Joule, y por tanto dependen de la intensidad de la corriente que circula por los conductores.


Distribución de la energía


7.2 LOS TENDIDOS ELÉCTRICOS (CONTINUACIÓN)

Según esto es conveniente que la intensidad se reduzca lo máximo posible. La forma de conseguirlo es aumentado mucho el voltaje (V), en la línea del tendido, de forma que se reduzca mucho la intensidad de la corriente (I). Según la expresión de la Energía, si subimos mucho (V) la intensidad (I) baja mucho.

De esta manera al ser la energía constante y aquella que deseamos transportar, si aumentamos V, la intensidad se reducirá, con lo que el calor producido por el efecto Joule se reducirá, y por tanto las perdidas energéticas derivadas de este efecto.

Como las tensiones que se generan están comprendidas entre 10.000 y 20.000 Voltios, estas se tienen que elevar para el transporte energético, generalmente a 110.000, 220.000 o 380.000 V.



Ecuación de la Energía


Las estaciones transformadoras y transformadores son los encargados de realizar tal tarea.Los tendidos por los que circula y transporta la energía, tienen una tensión superiores a los 100.000 V. y se encuentran interconexionados, formando una gran red eléctrica, que se extiende por todo el país y que facilita la distribución de la energía eléctrica, en todos y cada uno de los puntos de consumo (viviendas, comercio, fabricas, etc..)




Cerca de las ciudades y de otros puntos importantes de consumo, como grandes polígonos o explotaciones industriales, se realiza la conversión de la corriente eléctrica de alta tensión en corriente de media tensión. Esto se hace en las estaciones transformadoras, en las que la corriente se transforma a 66.000 V.En las subestaciones transformadoras, el voltaje se reduce aún mas dejándolo en 22.000 V. La última reducción de la tensión se lleva a cabo en los centros de

transformación, en los que la tensión se reduce a 400 V. que es la que se denomina baja tensión



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