CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE ELECTRICIDAD

ENERGÍA

Capacidad de un sistema físico para realizar trabajo.

El término energía tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar, poner en movimiento.

En física, energía se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, energía se refiere a un recurso natural y la tecnología

asociada para explotarla y hacer un uso industrial o económico del mismo.

Un rayo es una forma de transmisión de energía.El concepto de energía en física

La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. También se puede definir la energía de sistemas abiertos, es decir, partes no aisladas entre sí de un sistema cerrado mayor. Un enunciado clásico de la física newtoniana afirmaba que la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma .

La energía no es un ente físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.

Desde el punto de vista del materialismo dialéctico, la esencia fundamental y más profunda de la materia se manifiesta a través de múltiples e infinitas propiedades, esta cualidad, multiplicidad en la unidad, refleja la esencia misma de la materia: el movimiento. La medida más general y común a las diversas formas de movimiento en que se manifiesta la materia es la energía. Desde el punto de vista físico, las distintas formas de movimiento, cualitativamente distintos, en que se manifiestan las distintas formas de movimiento de los múltiples fenómenos, están caracterizan por su correspondiente energía. En este sentido hablamos de energía mecánica, potencial, nuclear, electromagnética, gravitacional, térmica etc. Cada una de estas formas de movimiento son susceptibles de transformarse unos en otros; siendo la energía la que caracteriza la forma física de movimiento así como su posible transformación cualitativa,

conservándose, sin embargo, cuantitativamente igual. Así pues, la energía no es algo externo a la materia, implantada en ella desde el exterior, sino que es una cualidad inherente de la materia.

Energía en diversos tipos de sistemas físicos

Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Física clásica

En Mecánica:

Energía mecánica que es la combinación o suma de los siguientes tipos: o Energía cinética : debida al movimiento.o Energía potencial la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas

conservativo como por ejemplo: .

En electromagnetismo se tiene:

Energía electromagnética que se compone de: o Energía radiante o Energía del campoo Energía potencial eléctrica

En termodinámica:

o energía interna , suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema

o Energía térmica

Química

En química aparecen formas específicas no mencionadas anteriormente:

o Energía de ionización , una forma de energía potencial, es la energía que

hace falta para ionizar una molécula o átomo.o Energía de enlace es la energía potencial almacenada en los enlaces

químicos de un compuesto. Las reacciones químicas liberan o absorben esta clase de energía, en función de la entalpía y energía calórica.

Si estas formas de energía son consecuencia de interacciones biológicas, la energía resultante es bioquímica, pues necesita de las mismas leyes físicas que aplican a la química, pero los procesos por los cuales se obtienen son biológicos, como norma general resultante del metabolismo (véase ATP).

Energía potencial

La energía potencial puede pensarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Más rigurosamente, la energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre B y A.

La energía potencial puede definirse solamente cuando existe un campo de fuerzas es conservativa, es decir, que cumpla con alguna de las siguientes propiedades:

1. El trabajo realizado por la fuerza entre dos puntos es independiente del camino recorrido.

2. El trabajo realizado por la fuerza para cualquier camino cerrado es nulo.3. Cuando el rotor de F es cero (sobre cualquier dominio simplemente conexo).

Se puede demostrar que todas las propiedades son equivalentes (es decir que cualquiera de ellas implica la otra). En estas condiciones, la energía potencial en un punto arbitrario se define como la diferencia de energía que tiene una partícula en el punto arbitrario y otro punto fijo llamado "potencial cero".

Magnitudes relacionadas

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes y, por tanto, se expresan en las mismas unidades. El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor. La capacidad de realizar un trabajo en una determinada cantidad de tiempo es la potencia.

La energía como recurso natural

En tecnología y economía, una fuente de energía es un recurso natural, así como la tecnología asociada para explotarla y hacer un uso industrial y económico del mismo. La energía en sí misma nunca es un bien para el consumo final sino un bien intermedio para satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios.

Formas de generación de energía eléctrica

Fuentes de energía renovables:

Energía eólica Energía geotérmica Energía hidráulica Energía mareomotriz Energía solar Biomasa Gradiente térmico oceánico Energía azul

Fuentes de energía no renovable:

Energía nuclear Carbón Gas natural Petróleo

Explotación de la energía

La explotación de la energía abarca una serie de procesos, que varían según la fuente empleada:

Extracción de la materia prima (Uranio, Carbón. Petróleo...) Procesamiento de la materia prima (enriquecimiento de uranio, refino del

petróleo...) Transporte, almacenamiento y distribución de la materia prima, hasta el punto de

utilización. Transformación de la energía (por combustión, fisión...)

Para la electricidad, además:

Generación de electricidad , por lo general mediante turbinas Almacenamiento y/o distribución de la energía Consumo

Por último

Gestión de los residuos

Unidades de medida de energía

La unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades es el Julio, que equivale a Newton x metro.

Otras unidades:

Caloría Es la cantidad de energía térmica necesaria para elevar la temperatura de un gramo de agua de 14,5 a 15,5 grados centígrados. 1 julio equivale a 0,24 calorías.

La frigoría es la unidad de energía utilizada en refrigeración y es equivalente a absorber una caloría.

Termia prácticamente en desuso, es igual a 1.000.000 de calorías o a 1 Mcal Kilovatio hora (kWh) usada habitualmente en electricidad. Y sus derivados MWh,

MW•año Caloría grande usada en biología, alimentación y nutrición = 1 Cal = 1 kcal = 1.000

cal Tonelada equivalente de petróleo = 41.840.000.000 julios = 11.622 kWh. Tonelada equivalente de carbón = 29.300.000.000 julios = 8138.9 kWh. Tonelada de refrigeración Electronvoltio (eV) Es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado por una

diferencia de potencial en el vacío de 1 Voltio. 1eV = 1.602176462 × 10-19 julios BTU , British Thermal Unit, 252,2 cal = 1.055 julios

QUE ES LA ENERGÍA ELÉCTRICA O CORRIENTE ELÉCTRICA

La palabra electricidad viene de electrón, por ende, el estudio de la electricidad es el estudio del comportamiento de los electrones. Electricidad es lo mismo que corriente

eléctrica, pero seguirán preguntándose ¿qué es? Bueno, pues existen muchas teorías sobre el significado de corriente eléctrica, pero una de las más aceptadas la conceptualiza como “El flujo de electrones energizados a través de un conductor”.

Pero para que puedan ustedes entender dicha conceptualización deben conocer primero en donde van a encontrar los electrones. Pues les cuento, que los electrones se encuentran en los átomos;

bueno ahora les pregunto ¿si se acuerdan que es un átomo?. Mmmm haber yo les voy ayudar, un átomo es la unidad más pequeña posible de un elemento químico. Los átomos están compuestos por un núcleo, dentro del cual están los protones y los neutrones y en las orbitas los famosos electrones. Ahora si les voy a decir que es un electrón ahí va: Electrón, tipo de partícula elemental de carga negativa que forma parte de la familia de los leptones y que, junto con los protones y los neutrones, forma los átomos y las moléculas. Los electrones están presentes en todos los átomos y se encuentran en sus órbitas y cuando son arrancados del átomo se llaman electrones libres.

Los electrones intervienen en una gran variedad de fenómenos físicos y químicos. Se dice que un objeto está cargado eléctricamente si sus átomos tienen un exceso de

electrones (posee carga negativa) o un déficit de los mismos (posee carga positiva). El flujo de una corriente eléctrica en un conductor es causado por el movimiento de los electrones libres del conductor. La conducción del calor también se debe fundamentalmente a la actividad electrónica. El estudio de las descargas eléctricas a través de gases enrarecidos en los tubos de vacío fue el origen del descubrimiento del electrón. En los tubos de vacío, un cátodo calentado emite una corriente de electrones que puede emplearse para amplificar o rectificar una corriente eléctrica. Si esa corriente se enfoca para formar un haz bien definido, éste se denomina haz de rayos catódicos. Si se dirige el haz de rayos catódicos hacia un objetivo adecuado se producen rayos X; si se dirigen hacia la pantalla fluorescente de un tubo de televisión, se obtienen imágenes visibles. Las partículas beta que emiten algunas sustancias radiactivas son electrones.

Los electrones también intervienen en los procesos químicos. Una reacción química de oxidación es un proceso en el cual una sustancia pierde electrones, y una reacción de reducción es un proceso en el cual una sustancia gana electrones.

En 1906, el físico estadounidense Robert Andrews Millikan, mediante su experimento de “la gota de aceite”, determinó la carga del electrón: 1,602 × 10-19 culombios; su masa en reposo es 9,109 × 10-31 kg. La carga del electrón es la unidad básica de electricidad y se considera la carga elemental en el sentido de que todos los cuerpos cargados lo están con un múltiplo entero de dicha carga. El electrón y el protón poseen la misma carga, pero, convencionalmente, la carga del protón se considera positiva y la del electrón negativa.

Bueno, ya hablamos del electrón, entonces ahora viene el protón ahí va: Protón, partícula nuclear con carga positiva igual en magnitud a la carga negativa del electrón; junto con el neutrón, está presente en todos los núcleos atómicos. Al protón y al neutrón se les denomina también nucleones. El núcleo del átomo de hidrógeno está formado por un único protón. La masa de un protón es de 1,6726 × 10-27 kg, aproximadamente 1.836 veces la del electrón. Por tanto, la masa de un átomo está concentrada casi exclusivamente en su núcleo. Ahora le toca el turno al neutrón, y este si que es interesante, ahí va: El neutrón es una partícula constituyente de todos los núcleos y sin carga, de número másico superior a 1, es decir, de todos los núcleos salvo el del hidrógeno ordinario, esta partícula que constituye una de las partículas fundamentales que componen la materia. La masa de un neutrón es de 1,675 × 10-27 kg, aproximadamente un 0,125% mayor que la del protón. La existencia del neutrón fue profetizada en 1920 por el físico británico Ernest Rutherford y por científicos australianos y estadounidenses, pero la verificación experimental de su existencia resultó difícil debido a que la carga eléctrica del neutrón es nula (o sea neutra) y la mayoría de los detectores de partículas sólo registran las partículas cargadas.

Observe cuidadosamente la gráficaResumiendo podemos decir:

En el átomo el número total de electrones cargados negativamente que giran alrededor del núcleo es exactamente igual al número de cargas

positivas contenidas en el núcleo. Las cargas positivas se denominan protones. Además de los protones, el núcleo también contiene partículas eléctricamente neutras llamadas neutrones, que están compuestas por un protón y un electrón unidos entre sí. Los átomos de elementos distintos contienen diferentes números de neutrones dentro del núcleo, pero la cantidad de electrones que giran en torno al núcleo siempre es igual al número de protones libres que están dentro del núcleo.

Los electrones de las orbitas más externas del átomo son atraídos por el núcleo con menor fuerza que los electrones cuyas órbitas están más cerca. A los electrones exteriores se les llama electrones libres y se les puede expulsar fácilmente de sus órbitas, mientras que los electrones de las órbitas interiores se les denominan electrones fijos porque no se les puede expulsar de sus órbitas con facilidad. Lo que produce la corriente eléctrica es el movimiento de los electrones libres

Volviendo a la conceptualización de corriente eléctrica “ es el flujo de electrones energizados a través de un conductor” , ya entendemos que son los “electrones”, ahora vamos a explicar lo de “ electrones energizados”.

Haber, decíamos que el átomo tiene electrones fijos y electrones libres, y que los electrones libres se les puede expulsar fácilmente de sus órbitas, pero, para que los electrones libres se desprendan del átomo necesitan que una energía los expulse, porque ellos solitos no se van. Pero se preguntarán ¿como es ese cuento?. Observe detenidamente la gráfica

Como puedes ver, una energía hace que el electrón libre del átomo 1 se desplace hacia el átomo 2, a llegar el electrón libre desplazado del átomo 1 al átomo 2, este llega con tal energía que desplaza al electrón libre del átomo 2, el electrón libre del átomo 2 sale con tal energía que desplaza al electrón libre del átomo 3 y así sucesivamente, formando un flujo permanente de electrones en el conductor.

Bueno, ya entendido lo de “electrones energizados” entonces vamos a conceptualizar lo de “ a través de un conductor”

Hay ciertos materiales que tienen sus átomos son tan compactos, es decir tan unidos, que no permiten desprender sus electrones libres, a este tipo de materiales se les denomina

no conductores que se conocen también como materiales aislantes, y otros tipos de materiales que si permiten que sus electrones libres se desprendan y se les llaman materiales conductores. Por ende, los electrones solo pueden desplazarse por materiales conductores.

LAS SEIS FUENTES BÁSICAS DE ENERGÍA PARA PRODUCIR ELECTRICIDAD

Para producir electricidad se debe utilizar alguna forma de energía que ponga en movimiento los electrones. Las seis fuentes básicas de energía que se puede utilizar son: frotamiento, presión, calor, luz, magnetismo y acción química. Antes de comenzar el estudio de estas fuentes será necesario que usted comprenda primero que son cargas eléctricas.

CARGAS ELÉCTRICAS

Ha estudiado usted que los electrones viajan alrededor del núcleo del átomo y son mantenidos en sus órbitas por la atracción de la carga positiva del núcleo. Si de algún modo se pudiese expulsar el electrón de su órbita, la acción de ese electrón se manifestaría con lo que conocemos como electricidad.

Los electrones que son expulsados de sus órbitas por cualquier medio, dejarán un déficit de electrones en el material que abandonan y producirán un exceso de electrones en el punto al cual se han trasladado. Este exceso de electrones en un material se denomina carga negativa, mientras que la falta de electrones en el otro material se llama carga positiva. Cuando existen estas cargas se tiene lo que se denomina estática.

Para producir una carga negativa o positiva el electrón debe ser desplazado sin que se modifiquen las cargas positivas del núcleo. Todo material que tenga carga positiva contará con su número normal de cargas positivas en el núcleo, pero le faltarán electrones o los tendrá de menos. Sin embargo, el material cargado negativamente tiene en realidad un exceso de electrones.

Ahora está usted en condiciones de determinar cómo el frotamiento puede producir electricidad estática.

Cargas Estáticas por Frotamiento

Ya ha estudiado usted el electrón y el significado de las cargas positivas y

negativas, de manera que están ahora en condiciones de saber como se producen estas cargas. La principal fuente de electricidad

estática que habrá de emplear será el frotamiento. Si frota dos materiales diferentes entre sí, los electrones de uno de ellos puede ser expulsados de sus órbitas e incorporarse al otro. El material que capta los electrones tendrá entonces carga negativa, mientras el material que pierde electrones adquirirá carga positiva.

Cuando hay frote entre dos materiales, en la superficie de frote algunas órbitas de electrones se entrecruzan y uno de los materiales puede ceder electrones al otro. Cuando esto sucede se forman cargas estáticas en ambos materiales, siendo la fuente de electricidad el frotamiento, en este caso. La carga que se produce puede ser positiva o negativa, dependiendo de cuál de los dos materiales cede electrones con mayor facilidad.Todos los materiales no producen electricidad estática, solo algunos y estos son el vidrio, al ámbar, la baquelita, ceras, franela, seda, rayón y nylon. Si se frota baquelita y piel, esta cede electrones a la varilla de baquelita, y esta varilla adquiere carga negativa y la piel carga positiva. Frotando vidrio con seda, la varilla de vidrio pierde electrones y se carga positivamente, mientras la seda adquiere carga negativa. Usted hallará que las cargas estáticas pueden pasar de un material a otro aún sin frote, pero la fuente original de esas cargas estáticas ha sido el frotamiento.

Atracción y Repulsión de Cargas

Los materiales cargados de electricidad estática se comportan de manera distinta a lo normal. Por ejemplo, si se coloca una esferita cargada positivamente cerca de otra con carga negativa, ambas se atraen entre sí. Si las cargas son suficientemente grandes y las esferas son livianas y tienen libertad para moverse, se pondrán en contacto. Puedan moverse o no, siempre habrá fuerza de atracción.

Esta atracción tiene lugar debido a que los electrones en exceso de la carga negativa tratan de encontrar un lugar donde se necesitan electrones adicionales. Si usted une dos materiales de cargas opuestas, el exceso de electrones de la carga negativa pasará la material en que faltan electrones. Este paso o traslado se denomina descarga .

De ahí la ley de Coulomb que dice:

La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la separación, r, entre las dos partículas y dirigida a lo largo de la línea que une las partículas.

La fuerza es proporcional al productos de las cargas q1 y q2

sobre las dos partículas. La fuerza es atractiva si las

cargas son de signos opuestos y repulsivos si las cargas tienen el mismo signo.

Empleando dos bolitas de cargas iguales, sean positivas o negativa, encontrará que se repelen.ELECTRICIDAD PRODUCIDA POR PRESIÓN (PIEZOELECTRICIDAD)

La electricidad producida por presión se denomina piezoelectricidad. Está generada por la comprensión y descompresión de determinados materiales de cristal, como el cuarzo.

La capacidad de los cristales para desarrollar una carga eléctrica cuando son sometidos a presión, es muy útil cuando se necesitan señales de referencia muy precisas. Así, se utilizan los cristales en múltiples equipos electrónicos que necesitan realizar cálculos con errores despreciables, o incluso para la calibración de otros equipos menos precisos. Para ello, mediante circuitos osciladores se les hace vibrar permanentemente, es decir comprimirse y descomprimirse, a miles e incluso millones de veces por segundo.

Que es un cristal

Un cristal es una sustancia en donde las moléculas están colocadas de una manera uniforme. Puede ser un cuerpo simple o compuesto, pero generalmente es simple. Las materias cristalinas naturales son escasas, así, los diamantes y la mayoría de las piedras preciosas son cristales.

Por motivo de simplicidad se supone que las moléculas cristalinas son esféricas. En el estado no cristalino las moléculas están situadas de forma irregular, mientras que en el estado cristalino se sitúan de una manera uniforme y regular.

Características piezoeléctricas de los cristales

Los cristales de algunas sustancias, tales como las sales de Rochela o el cuarzo, tienen características piezoeléctricas peculiares. Cuando se comprime un cristal de cuarzo, los electrones tienden a moverse en una dirección. Esta tendencia crea una diferencia de potencial en las caras opuestas del cristal que puede ser medido con un voltímetro. Si se conectase un hilo conductor entre la cara positiva y la negativa del cristal los electrones fluirían del polo negativo hacia el positivo a través del hilo.

Si presionamos las dos caras de un cristal se produce una diferencia de

potencial en sus extremos que puede ser medida con un voltímetro

Si la presión se mantiene constante, la corriente sigue fluyendo hasta el momento en que las cargas se igualan. Cuando cesa la fuerza de presión y el cristal se descomprime, entonces éste desarrolla una fuerza en sentido contrario que hace fluir la corriente igualmente pero en dirección opuesta.

Pero además, los cristales tienen la característica de ser reversibles, es decir, pueden desarrollar una energía mecánica a partir de una energía eléctrica. Así, si aplicamos una fuerza electromotriz a ambas caras de un cristal, éste se dilatará o contraerá en proporción directa a la fuerza aplicada.

Los cristales son reversibles: si se aplica una energía eléctrica en sus extremos se dilata o contrae en proporción a la fuerza aplicada

De lo dicho, se resume en que un cristal puede convertir una energía mecánica (presión) en una fuerza eléctrica (voltaje), o viceversa, una fuerza eléctrica en energía mecánica. La capacidad en potencia de un cristal es muy pequeña, pero es muy útil por su gran sensibilidad a los cambios de fuerza mecánica y temperatura.

ELECTRICIDAD PRODUCIDA POR CALOR

Cargas Eléctricas producidas por Calor

Otro medio para obtener electricidad consiste en convertir el calor directamente en electricidad, calentando una unión de dos metales distintos unidos en un extremo (hierro y otro de constantán que es la aleación de cobre y nickel, y soldados generalmente). Al aplicar temperatura en la unión de los metales se genera un voltaje muy pequeño (efecto Seebeck la conversión de una diferencia de temperatura en electricidad. Se crea un voltaje en presencia de una diferencia de temperatura entre dos metales o semiconductores diferentes. Una diferencia de temperaturas T1 y T2 en las

juntas entre los metales A y B inducen una diferencia de potencial V) del orden de los milivolts el cual aumenta con la temperatura.

Este tipo de unión se denomina termocupla y produce electricidad siempre que se le aplique calor. Si bien se pueden hacer termocuplas con alambre trenzado, las más eficaces se hacen con dos piezas de metales distintos remachados o soldados.

Las termocuplas no suministran cantidad grande de carga y no se pueden emplear como fuente de corriente eléctrica. Normalmente se las utiliza en termómetros especiales, en los cuales hacen accionar una aguja indicadora sobre un dial o un display de cristal líquido dando la lectura de la temperatura.

LA ENERGÍA SOLAR FOTOVOLTAICA

La célula fotovoltaica: cómo funciona

La palabra fotovoltaico procede de photo = luz y voltaico = electricidad y significa electricidad producida a través de la luz. El efecto fotovoltaico se basa sobre la capacidad de algunos semiconductores, como el silicio, de generar directamente energía eléctrica cuando se exponen a la radiación solar.

La conversión de la radiación solar en energía eléctrica tiene lugar en la célula fotovoltaica, que es el elemento base del proceso de transformación de la radiación solar en energía eléctrica.

La luz está formada por partículas, los fotones, que trasportan energía. Cuando un fotón con suficiente energía golpea la célula, es absorbido por los materiales semiconductores y libera un electrón. El electrón, una vez libre, deja detrás de sí una carga positiva llamada hueco.

Por lo tanto, cuanto mayor será la cantidad de fotones que golpean la célula, tanto más numerosas serán las parejas electrón-hueco producidas por efecto fotovoltaico y por lo tanto más elevada la cantidad de corriente producida.

Cómo está hecha la célula fotovoltaica

La célula fotovoltaica es un dispositivo formado por una delgada lámina de un material semi-conductor, muy a menudo de silicio. Se trata del mismo silicio utilizado en la industria electrónica, cuyo coste es todavía más alto.

Actualmente el material más utilizado es el silicio mono-cristalino, que presenta prestaciones y duración en el tiempo superiores a cualquier otro tipo de silicio:

· Silicio Mono-cristalino: Rendimiento energético hasta 15 – 17 %.

· Silicio Poli-cristalino: Rendimiento energético hasta 12 – 14 %.· Silicio Amorfo: Rendimiento energético menos del 10 %.

La célula fotovoltaica está hecha por una placa de silicio, normalmente de forma cuadrada, con aproximadamente 10 cm de lado y con un grosor que varía entre los 0,25 y los 0,35mm, con una superficie de más o menos 100 cm2.

El módulo fotovoltaico

Las células solares constituyen un producto intermedio: proporcionan valores de tensión y corriente limitados en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos usuarios, son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y sin un soporte mecánico. Se ensamblan de la manera adecuada para formar una única estructura: el módulo fotovoltaico, que es una estructura sólida y manejable.

Los módulos pueden tener diferentes tamaños: los más utilizados están formados por 36 células conectadas eléctricamente en serie, con una superficie que oscila entre los 0,5 m2 a los 1,3 m2. Las células están ensambladas entre un estrato superior de cristal y un estrato inferior de material plástico (Tedlar).

El producto preparado de esta manera se coloca en un horno de alta temperatura, con vacío de alto grado. El resultado es un bloque único laminado en el que las células están “ahogadas” en el material plástico fundido.

Luego se añaden los marcos, normalmente de aluminio; de esta manera se confiere una resistencia mecánica adecuada y se garantizan muchos años de funcionamiento. En la parte trasera del módulo se añade una caja de unión en la que se ponen los diodos de by-pass y los contactos eléctricos.

El generador fotovoltaico

Más módulos fotovoltaicos ensamblados mecánicamente entre ellos forman el panel, mientras que un conjunto de módulos o paneles conectados eléctricamente en serie, forman la rama. Más ramas conectadas en paralelo, para obtener la potencia deseada, constituyen el generador fotovoltaico. Así el sistema eléctrico puede proporcionar las características de tensión y de potencia necesarias para las diferentes aplicaciones.

Los módulos fotovoltaicos que forman el generador, están montados sobre una estructura mecánica capaz de sujetarlos y orientada para optimizar la radiación solar. La cantidad de energía producida por un generador fotovoltaico varía en función de la insolación y de la latitud del lugar.

La producción de energía eléctrica fotovoltaica, al depender de la luz del sol, no es constante, sino que está condicionada por la alternancia del día y de la noche, por los ciclos de las estaciones y por la variación de las condiciones meteorológicas. Además, el generador fotovoltaico proporciona corriente eléctrica continua.

A menudo estas características no se adaptan a las necesidades de los usuarios que, normalmente, necesitan corriente eléctrica alterna, con valores constantes de tensión. Por lo tanto, el envío de la energía del sistema fotovoltaico al usuario se realiza a través de otros dispositivos necesarios para transformar y adaptar la corriente continua producida por los módulos a las exigencias de utilización: el más significativo es un dispositivo estático (Inversor), que transforma la corriente continua en corriente alterna.

Algunos tipos de Inversores.

Cuánta energía produce un sistema fotovoltaico

La cantidad de energía eléctrica producida da un sistema fotovoltaico depende básicamente de la eficiencia de los módulos y de la irradiación solar, o de la radiación solar incidente.

La radiación solar incidente en la tierra tiene un valor variable en función de la distancia entre la Tierra y el Sol, o de la latitud de la localidad donde están instalados los módulos fotovoltaicos. También es importante la inclinación de los módulos: una correcta inclinación influye mucho en la cantidad de energía solar captada y por lo tanto en la cantidad de energía eléctrica producida.

La presencia de la atmósfera, finalmente, implica una serie de fenómenos sobre la radiación incidente, entre los cuales el efecto de filtro que reduce considerablemente la intensidad de la radiación en el suelo y la fragmentación de la luz.

Se calcula aproximadamente que un metro cuadrado de módulos fotovoltaicos de buena calidad, puede producir de media 180 KWh al año (0,35 KWh al día en periodo invernal, y 0,65 KWh. al día en periodo estival.

ELECTRICIDAD PRODUCIDA POR ACCIÓN QUÍMICA

Hasta ahora se ha enterado usted de lo que es la electricidad y de varias fuentes de energía que se pueden emplear para producirla. Otra fuente de energía usada comúnmente es la acción química de las pilas eléctricas.

Las pilas suelen usarse para obtener corriente eléctrica portátil o para casos de emergencia. Toda linterna o equipo eléctrico portátil emplea pilas como fuente e energía.

Además existe una amplia gama de equipos que usan pilas como fuente de energía normal o de emergencia. Pila Primaria.

Para comprender cómo funciona la acción química de las pilas usted podría imaginar que ve los electrones y qué les sucede en una pila eléctrica primaria.

La fuente básica de electricidad producida por acción química es la pila eléctrica; cuando se combinan dos pilas o más se tiene una batería.

Ahora bien, si usted pudiese ver lo que sucede dentro de una de esas pilas, ¿qué le parece que vería?

Primero, observaría las partes de la pila y su relación entre ellas mismas. Vería un envase o recipiente con dos placas de metales distintos, separados entre sí, sumergidas en el líquido que llena el recipiente.

Observando las partes de la pila y los electrones dentro de ella vería que el líquido, que se denomina electrolito lleva electrones a una placa y los saca de la otra. Esta acción da como resultado la acumulación de un exceso de electrones o carga negativa en una de las placas se le denomina terminal negativo. La otra placa pierde electrones y adquiere carga positiva, de modo que el conductor adherido a ella se llama terminal positivo.

La acción del electrolito al llevar electrones de una placa a otra es en realidad una reacción química entre el electrolito y las dos placas. Esta acción convierte la energía química en cargas eléctricas en las placas y terminales de la pila.

Acción Química en una Pila Primaria

Si los terminales de la pila no están conectados, verá que los electrones se acumulan en la placa negativa hasta que no caben más. El electrolito tomará de la placa positiva una cantidad de electrones igual a la que acumuló la placa negativa.

Entonces ambas placas estarán cargadas al máximo y no habrá movimiento de electrones.Imagínese ahora, que conecta un conductor entre los terminales negativo y positivo de la pila. Verá que los electrones del terminal negativo lo abandonan y viajan por el conductor hasta el terminal positivo. Dado que ahora habrá más lugar en terminal negativo, el electrolito transportará más electrones desde la placa positiva a la negativa. Mientras los electrones sigan abandonando el terminal negativo para viajar al terminal positivo por fuera de la pila, el electrolito continuará llevando electrones desde la placa positiva a la placa negativa.

Mientras el electrolito transporta electrones, verá que la placa negativa va corroyendo y que aparecen burbujas en el terminal positivo. Eventualmente la placa negativa se disolverá por completo en el electrolito debido a la acción química, y la pila quedará muerta o incapaz de suministrar carga hasta que se reemplace la placa negativa. Por este motivo a esta pila se le llama pila primaria lo que significa que una vez descargada por completo ya no se le puede volver a cargar si no se utilizan materiales nuevos.

Como placas para pilas primarias se pueden emplear carbón y la mayoría de los metales, mientras que con el electrolito se puede utilizar ácidos o compuestos salinos. Las pilas secas de las linternas, son pilas primarias.

Pilas Secas Y Baterías

En las pilas primarias pueden emplearse casi todos los metales, ácidos y sales. Muchos tipos de pilas primarias se usan el laboratorios y con fines especiales, pero la que habrá utilizado usted y que utilizará con mayor frecuencia es la pila seca. Utilizará pilas secas de distintos tamaños, formas y pesos, desde la

pila tipo lenteja, la triple A hasta la pila extra grande de las linternas de emergencia. Cualquiera que sea su tamaño, siempre encontrará que el material empleado y el funcionamiento de toda pila seca son los mismos.Si pudiese mira el interior de una pila seca, encontraría que consiste en un recipiente de cinc que hace las veces de placa negativa, una varilla de carbón suspendida en el centro del recipiente como

placa positiva, y solución de cloruro de amonio en pasta como electrolito. En el fondo del recipiente de cinc vería un círculo de cartón alquitranado para impedir que la varilla de carbón toque el recipiente de cinc. En la parte superior el recipiente contendrá capas de aserrín, arena y resina. Estas capas sirven para mantener a la varilla de carbón en su lugar e impedir las filtraciones del electrolito. Cuando la pila seca suministra electricidad, el recipiente de cinc y el electrolito se van gastando gradualmente. Una vez desaparecidos el cinc útil y el electrolito, la pila ya no puede dar carga y debe cambiarse por otra. Las pilas de este tipo son herméticas y se pueden almacenar por cierto tiempo sin que se deterioren. Cuando se conectan varias pilas, se les llama batería seca. Como no se pueden utilizar pilas secas para suministrar grandes cantidades de corriente, usted las encontrará solamente donde se les da uso infrecuentemente o de emergencia.

Pila Secundaria

Al estudiar la pila primaria ha aprendido usted que la acción química se utiliza comúnmente como fuente de corriente eléctrica para casos de emergencia de equipos portátiles. Sin embargo, con eso solo se obtiene una pequeña cantidad de corriente y no se les puede volver a cargar.

La batería o acumulador de pilas secundarias puede suministrar grandes cantidades de energía por breve tiempo y se les puede volver a cargar. Las baterías de este tipo requieren mayor atención y cuidado que las baterías de pilas secas, pero se las emplea ampliamente en equipos en los cuales se necesitan cantidades de electricidad por periodos cortos de tiempo.

Las pilas secundarias de las baterías acumuladores son del tipo de plomo. En esta pila el electrolito es ácido sulfúrico, mientras que la placa positiva es peróxido de plomo y la negativa de plomo. Durante la descarga de la pila el ácido se va diluyendo y ambas placas se modifican químicamente, transformándose en sulfato de plomo.

El recipiente de la pila de plomo es de baquelita o vidrio, que impide la corrosión y las pérdidas de ácido. En un espacio situado en el fondo se acumula el sedimento formado a medida que se va utilizando la pila. La tapa del recipiente se puede y sirve de soporte para las placas

Debido a que los materiales activos no tiene suficiente rigidez como para poderlos montar independientemente, se emplea una rejilla especial de metal inactivo para sostenerlos. Para obtener el máximo de acción química es deseable una gran superficie de placa, de manera que cada placa positiva está entrelazada entre dos placas negativas. En una pila secundaria típica encontrará usted siete placas positivas unidas a un soporte común, entrelazadas con ocho placas

negativas adheridas a un soporte distinto. Los separadores, que se hacen de madera o vidrio poroso, mantienen separadas a cada una de las placas positivas y negativas dejando pasar entre ellas el electrolito.

Las placas positivas y negativas están aseguradas a la tapa del recipiente, que, a su vez, se mantiene en su lugar mediante un alquitrán especial resistente al ácido. En la tapa hay un orificio con un tapón por el cual se agrega agua al electrolito para reemplazar el agua que se evapora. El tapón, a su vez, tiene un pequeño agujero de ventilación para permitir la salida de gas, porque cuando la pila funciona se forma gas en la placa positiva.

Esta pila requiere terminales y conductores más grandes porque suministran grandes cantidades de electricidad. Las conexiones y terminales se hacen con barras de plomo, porque otros metales sufrirían rápidamente la corrosión debido al electrolito.

Pila Alcalina: O batería de níquel y hierro. El principio de funcionamiento es el mismo que en la pila de ácido y plomo, pero aquí el electrodo negativo es de hierro, el electrodo positivo de óxido de níquel y el electrolito es una disolución de hidróxido de potasio. La pila de níquel y hierro tiene la desventaja de desprender gas hidrógeno durante la carga. Esta batería se usa principalmente en la industria pesada. Tiene una vida útil de unos diez años y produce aproximadamente unos 1,15 V.

Otra pila alcalina similar, es la pila de níquel y cadmio o batería de cadmio, en la que el electrodo de hierro se sustituye por uno de cadmio. Produce también 1,35 V y su vida útil es de unos 25 años.

Acumuladores

Cuando se conectan dos o más pilas secundarias se tienen un acumulador.

Este acumulador almacena electricidad y puede volverse a cargar cuando se descarga.

La mayoría de los acumuladores constan de tres pilas de plomo situadas en un recipiente común y conectado permanentemente en serie. Dado que cada pila de plomo tiene alrededor de 3 voltios, conectando cuatro de ellas en serie se obtiene un voltaje de batería de 12 voltios.

El símbolo de la pila secundaria es el mismo que se utiliza para la pila primaria, pero el símbolo de la batería o acumulador aparecen tres pilas conectadas en serie.

MAGNETISMO

En tiempos antiguos los griegos descubrieron que cierta clase de piedra, que encontraron originariamente cerca de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, tenia la propiedad de recoger trozos de hierro. La piedra que descubrieron era en realidad un tipo de mineral llamado magnetita (fundamentalmente de óxido de hierro (Fe3O4)), cuya propiedad de

atracción se denomina magnetismo, las rocas que contienen mineral con este poder de atracción se denominan imanes naturales.

Los imanes naturales tuvieron poco uso hasta que se descubrió que un imán montado de manera que pueda girar libremente, siempre rotaba sobre sí mismo hasta que uno de sus lados apuntaba hacia el norte. Los trozos de magnetita suspendidos de un cordel se llamaban piedras guías y los chinos las emplearon como brújulas rudimentarias para viajar por el desierto hace mas de 2000 años."Siendo la misma tierra un gran imán natural, la acción del imán natural de volverse hacia el norte se debe al magnetismo o fuerza de atracción de la tierra."

La brújula se empezó a utilizar en Occidente como instrumento de navegación alrededor del 1300 d.C. En el siglo XIII, el erudito francés Petrus Peregrinus realizó importantes investigaciones sobre los imanes. Sus descubrimientos no se superaron en casi 300 años, hasta que el físico y médico británico William Gilbert publicó su libro, De magnete en 1600. Gilbert aplicó métodos científicos al estudio de la electricidad y el magnetismo. Observó que la Tierra también se comporta como un imán gigante, y a través de una serie de experimentos investigó y refutó varios conceptos

incorrectos sobre el magnetismo aceptado en la época. Posteriormente, en 1750, el geólogo británico John Michell inventó una balanza que utilizó para estudiar las fuerzas magnéticas. Michell demostró que la atracción o repulsión entre dos polos magnéticos disminuye a medida que aumenta el cuadrado de la distancia entre ellos. El físico francés Charles de Coulomb, que había medido las fuerzas entre cargas eléctricas, verificó posteriormente la observación de Michell con una gran precisión.

Al emplear imanes naturales se descubrió que un trozo de hierro adquiría magnetismo al tocar un imán natural, transformándose así en un imán artificial.

Los imanes artificiales también pueden hacerse mediante electricidad y para imanes mas potentes se pueden usar otros metales, aparte del hierro. Los mejores imanes son aleaciones de acero que contienen níquel y cobalto, y por lo general se les utiliza en imanes fuertes.

El hierro se imanta con mayor facilidad, pero también se desimanta con facilidad, de manera que a los imanes de hierro dulce se les llama imanes temporales. Los imanes de aleaciones de acero conservan su magnetismo por un lapso mayor y se les llaman imanes permanentes.

El magnetismo del imán se concentra en dos puntos, por lo general en sus extremos. Estos puntos se denomina polos del imán, siendo uno el polo norte, y el otro el polo sur. El polo norte se encuentra en un extremo del imán que apunta hacia el norte si pudiese girar libremente, mientras que el polo sur es el extremo opuesto.Lo imanes se hacen de distintas formas, tamaños y potencia.

El magnetismo es una fuerza invisible que solo puede observarse por los efectos que produce. Usted sabe que el viento, por ejemplo, ofrece una fuerza tremenda, a pesar de ser invisible; del mismo modo, la fuerza magnética puede sentirse pero no se ve.

El campo magnético de un imán podría explicarse mejor diseñando unas líneas invisibles de fuerza que abandonan el imán por un punto y entran por otro. Estas líneas de fuerza invisibles se llaman líneas de flujo ó de inducción, y la zona que ocupan se denomina diagrama de flujo ó campo magnético. La cantidad de líneas de flujo o de inducción por cm2 se llama densidad de flujo.Los puntos en que las líneas de flujo o de inducción salen o entran se denominan polos. El circuito magnético es la trayectoria que siguen estas líneas de flujo o inducción.

Si usted acercase dos imanes con sus polos norte mirándose el uno al otro, sentiría una fuerza de repulsión entre los polos. Acercando los polos sur también se produciría un rechazo, pero, si se acerca uno de los polos norte a un polo sur, aparece una fuerza de atracción. Por lo tanto podemos deducir que: polos iguales se rechazan, y polos distintos se atraen.

ATRACCIÓN REPULSIÓN No se conoce ningún aislante para las líneas magnéticas. Se ha comprobado que las líneas de flujo atraviesan todos los materiales, sin embargo, por algunos pasan con mayor dificultad que por otros. Esto hecho permite concentrar líneas de flujo en los lugares donde se les utiliza, o hacerlas pasar al rededor de una zona o instrumento.Se dice que los materiales que no dejan pasar las líneas de flujo con tanta facilidad, o que parecen dificultar el paso de esas líneas, tienen una reluctancia comparativamente alta para los campos magnéticos. Los materiales que dejan o que no obstaculizan las líneas de flujo se dice que tienen una reluctancia comparativamente baja para los campos de fuerza magnética. La reluctancia cuando se habla de un circuito magnético, es más o menos equivalente de la resistencia cuando se trata de circuitos eléctricos.

Las líneas de fuerza magnética siguen el camino de menor reluctancia; por ejemplo, viajan con mayor facilidad a través del hierro que del aire. Dado a que el aire tiene una reluctancia mayor que el hierro, la concentración del campo magnético se hace mayor en el hierro (en comparación con el aire) porque en éste la reluctancia esta disminuida.

Tipos de materiales magnéticos

Las propiedades magnéticas de los materiales se clasifican siguiendo distintos criterios.

Una de las clasificaciones de los materiales magnéticos que los divide en diamagnéticos, paramagnéticos y ferromagnéticos, se basa en la reacción del material ante un campo magnético.

Cuando se coloca un material diamagnético en un campo magnético, se induce en él un momento magnético de sentido opuesto al campo. En la actualidad se sabe que esta propiedad se debe a las corrientes eléctricas inducidas en los átomos y moléculas individuales. Estas corrientes producen momentos magnéticos opuestos al campo aplicado. Muchos materiales son diamagnéticos; los que presentan un diamagnetismo más intenso son el bismuto metálico y las moléculas orgánicas que, como el benceno, tienen una estructura cíclica que permite que las corrientes eléctricas se establezcan con facilidad.

El comportamiento paramagnético se produce cuando el campo magnético aplicado alinea todos los momentos magnéticos ya existentes en los átomos o moléculas individuales que componen el material. Esto produce un momento magnético global que se suma al campo magnético. Los materiales paramagnéticos suelen contener elementos de transición o lantánidos con electrones desapareados. El paramagnetismo en sustancias no metálicas suele caracterizarse por una dependencia de la temperatura: la intensidad del momento magnético inducido varía inversamente con la temperatura. Esto se debe a que al ir aumentando la temperatura, cada vez resulta más difícil alinear los momentos magnéticos de los átomos individuales en la dirección del campo magnético.

Las sustancias ferromagnéticas son las que, como el hierro, mantienen un momento magnético incluso cuando el campo magnético externo se hace nulo. Este efecto se debe a una fuerte interacción entre los momentos magnéticos de los átomos o electrones individuales de la sustancia magnética, que los hace alinearse de forma paralela entre sí. En circunstancias normales, los materiales ferromagnéticos están divididos en regiones llamadas ‘dominios’; en cada dominio, los momentos magnéticos atómicos están alineados en paralelo. Los momentos de dominios diferentes no apuntan necesariamente en la misma dirección. Aunque un trozo de hierro normal puede no tener un momento magnético total, puede inducirse su magnetización colocándolo en un campo magnético, que alinea los momentos de todos los dominios. La energía empleada en la reorientación de los dominios desde el estado magnetizado hasta el estado desmagnetizado se manifiesta en un desfase de la respuesta al campo magnético aplicado, conocido como ‘histéresis’.

Un material ferromagnético acaba perdiendo sus propiedades magnéticas cuando se calienta. Esta pérdida es completa por encima de una temperatura conocida como punto de Curie, llamada así en honor del físico francés Pierre Curie, que descubrió el fenómeno en 1895. (El punto de Curie del hierro metálico es de unos 770 °C).

ELECTROMAGNETISMO

Electromagnetismo es el campo magnético que se induce por medio de una corriente eléctrica.

Teoría electromagnética

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819, el físico danés Hans Christian Oersted llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica.

Este descubrimiento, que mostraba una conexión entre la electricidad y el magnetismo, fue desarrollado por el científico francés André Marie Ampère, que estudió las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes eléctricas, y por el físico francés Dominique François Arago, que magnetizó un pedazo de hierro colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831, el científico británico Michael Faraday descubrió que el movimiento de un imán en las proximidades de un cable induce en éste una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético, mientras que Faraday demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica. La unificación plena de las teorías de la electricidad y el magnetismo se debió al físico británico James Clerk Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identificó la luz como un fenómeno electromagnético.

Los estudios posteriores sobre el magnetismo se centraron cada vez más en la comprensión del origen atómico y molecular de las propiedades magnéticas de la materia. En 1905, el físico francés Paul Langevin desarrolló una teoría sobre la variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las sustancias paramagnéticas, basada en la estructura atómica de la materia. Esta teoría es uno de los primeros ejemplos de la descripción de propiedades macroscópicas a partir de las propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de Langevin fue ampliada por el físico francés Pierre Ernst Weiss, que postuló la existencia de un campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto, combinado con la teoría de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de los materiales fuertementenéticos como la piedra imán.

Después de que Weiss presentara su teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez más detallada.

La teoría del físico danés Niels Bohr sobre la estructura atómica, por ejemplo, hizo que se comprendiera la tabla periódica y mostró por qué el magnetismo aparece en los elementos de transición, como el hierro, en los lantánidos o en compuestos que

incluyen estos elementos. Los físicos estadounidenses Samuel Abraham Goudsmit y George Eugene Uhlenbeck demostraron en 1925 que los electrones tienen espín y se comportan como pequeños imanes con un ‘momento magnético’ definido. El momento magnético de un objeto es una magnitud vectorial que expresa la intensidad y orientación del campo magnético del objeto. El físico alemán Werner Heisenberg dio una explicación detallada del campo molecular de Weiss en 1927, basada en la recientemente desarrollada mecánica cuántica (Teoría cuántica). Más tarde, otros científicos predijeron muchas estructuras atómicas del momento magnético más complejas, con diferentes propiedades magnéticas.

Aplicaciones

En los últimos 100 años han surgido numerosas aplicaciones del magnetismo y de los materiales magnéticos. El electroimán, por ejemplo, es la base del motor eléctrico y el transformador. En épocas más recientes, el desarrollo de nuevos materiales magnéticos ha influido notablemente en la revolución de los ordenadores o computadoras. Es posible fabricar memorias de computadora utilizando ‘dominios burbuja’. Estos dominios son pequeñas regiones de magnetización, paralelas o antiparalelas a la magnetización global del material. Según que el sentido sea uno u otro, la burbuja indica un uno o un cero, por lo que actúa como dígito en el sistema binario empleado por los ordenadores. Los materiales magnéticos también son componentes importantes de las cintas y discos para almacenar datos.

Los imanes grandes y potentes son cruciales en muchas tecnologías modernas. Los trenes de levitación magnética utilizan poderosos imanes para elevarse por encima de los raíles y evitar el rozamiento. En la exploración mediante resonancia magnética nuclear, una importante herramienta de diagnóstico empleada en medicina, se utilizan campos magnéticos de gran intensidad. Los imanes superconductores se emplean en los aceleradores de partículas más potentes para mantener las partículas aceleradas en una trayectoria curva y enfocarlas.

Campo magnético originado por un conductor

En todo conductor, a través del cual circula corriente, se genera un campo magnético circular. La intensidad de este campo está dada por líneas de fuerza que se producen, así como por la distancia que hay entre ellas.

El sentido de las líneas de fuerza se determina mediante la regla de la mano izquierda: si se cierra la mano izquierda alrededor de un conductor, de manera que el pulgar señale la dirección del flujo de la corriente, el campo magnético que rodea el conductor tendrá la dirección de los dedos que rodean el conductor.

Puede considerarse que el campo magnético en torno a un conductor rectilíneo por el que fluye una corriente se extiende desde el conductor igual que las ondas creadas cuando se tira una piedra al agua. Las líneas de fuerza del campo magnético tienen sentido antihorario cuando se observa el conductor en el mismo sentido en que se desplazan los electrones. El campo en torno al conductor es estacionario mientras la corriente fluya por él de forma uniforme.

Campo magnético originado por un solenoide

Solenoide es conductor arrollado en forma de espiral y al circular la corriente por él, se genera un campo magnético similar al de imán.

La polaridad de dicho campo se conoce mediante la regla de la mano izquierda: si se cierra la mano izquierda alrededor de un solenoide de manera que los dedos que rodean al solenoide señalen la dirección de la corriente, el dedo pulgar señalará el polo norte.

Campo magnético originado por una corriente alterna

Como la corriente alterna varía constantemente en magnitud y sentido, también el campo magnético generado en el conductor y/o solenoide cambiará constantemente en intensidad (magnitud) y polaridad (sentido de las líneas de fuerza).

Cuando una corriente empieza a circular por un conductor, se genera un campo magnético que parte del conductor. Este campo atraviesa el propio conductor e induce en él una corriente en sentido opuesto a la corriente que lo causó (según la llamada regla de Lenz). En un cable recto este efecto es muy pequeño, pero si el cable se arrolla para formar una bobina, el efecto se amplía ya que los campos generados por cada espira de la bobina cortan las espiras vecinas e inducen también una corriente en ellas. El resultado es que cuando se conecta una bobina (solenoide) así a una fuente de diferencia de potencial, impide el flujo de corriente cuando empieza a aplicarse la diferencia de potencial. De forma similar, cuando se elimina la diferencia de potencial, el campo magnético se desvanece, y las líneas de fuerza vuelven a cortar las espiras de la bobina. La corriente inducida en estas circunstancias tiene el mismo sentido que la corriente original, y la bobina tiende a mantener el flujo de corriente. Debido a estas

propiedades, una bobina se resiste a los cambios en el flujo de corriente, por lo que se dice que posee inercia eléctrica o autoinducción. Esta inercia tiene poca importancia en circuitos de corriente continua, ya que no se observa cuando la corriente fluye de forma continuada, pero es muy importante en los circuitos de corriente alterna

EL ELECTROIMÁN

Dispositivo que consiste en un solenoide (una bobina cilíndrica de alambre recubierta de una capa aislante y arrollado en forma de espiral), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Si una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético en su interior, paralelo a su eje.

Al colocar el núcleo de hierro en este campo los dominios microscópicos que forman las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando de forma notable la fuerza del campo magnético generado por el solenoide.

a imantación del núcleo alcanza la saturación cuando todos los dominios están alineados, por lo que el aumento de la corriente tiene poco efecto sobre el campo magnético. Si se interrumpe la corriente, los dominios se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

Los electroimanes se utilizan mucho en tecnología; son los componentes fundamentales de cortacircuitos y relés y se aplican a frenos y embragues electromagnéticos. En los ciclotrones se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro; también se utilizan potentes electroimanes para levantar hierro y chatarra.

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Inducción electromagnética quiere decir: La generación de una corriente eléctrica en un conductor en movimiento en el interior de un campo magnético (de aquí el nombre completo, inducción electromagnética). El efecto fue descubierto por el físico británico Michael Faraday y condujo directamente al desarrollo del generador eléctrico rotatorio, que convierte el movimiento mecánico en energía eléctrica.

Fuerza electromotriz inducida (f.e.m.i.)

Cuando un conductor se mueve de forma que atraviesa las líneas de fuerza de un campo magnético, este campo actúa sobre los electrones libres del conductor desplazándolos y creando una diferencia de potencial y un flujo de corriente en el mismo (El Generador).

Se produce el mismo efecto, si el campo magnético es estacionario y el cable se mueve, o si el campo se mueve y el cable permanece estacionario (El Transformador).

GENERADOR ELEMENTAL

Generador se define como una máquina que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.

Funcionamiento del Generador Elemental

Supongamos que la espira este girando en sentido de las agujas del reloj y que su posición inicial es A (cero grado).

En la A la espira está posición perpendicular con respecto al campo magnético, y el conductor blanco y negro de la espira se desplazan paralelamente al campo magnético. Todo conductor que se mueva paralelamente a un campo magnético no corta ninguna de sus líneas de fuerza y, por lo tanto, no puede inducirse fuerza electromotriz en él. Esto se aplica a los conductores en el instante en que se encuentra en posición A: no se induce FEM y, por lo tanto no hay flujo de corriente en el circuito. El instrumento medidor (voltímetro) de corriente indica cero.

A medida que la espira va girando para colocarse en posición B, los conductores cortan cada vez más líneas

de inducción o de fuerza hasta que, cuando están a 90º (posición B), cortan cantidad de líneas de fuerza.

POSICIÓN B 90ºEn otras palabras entre 0º y 90º la FEM inducida en los conductores va aumentando desde cero hasta un valor máximo. Observe que 0º a 90º el conductor negro corta el campo hacia abajo, mientras que, al mismo tiempo, el conductor blanco corta el campo hacia arriba. Las fuerzas electromotrices inducidas (voltajes) en ambos conductores se suman en serie y el voltaje resultante las escobillas (tensión de terminales) representa la suma de las dos FEM inducidas, o sea el doble de la de un solo conductor, por cuanto los voltajes inducidos son iguales entre sí. La intensidad del circuito variará exactamente de la misma manera que la FEM inducida; siendo 0 a 0º, y máxima a 90º. La aguja del instrumento va desplazándose cada vez más a la derecha entre las posiciones Ay B, indicando que la corriente de carga está circulando en ese sentido. El sentido del flujo de corriente y la polaridad de FEMI (fuerza electromotriz inducida) dependen de la orientación del campo magnético y del sentido de rotación de la espira.A medida que la espira sigue girando desde la posición B (90º grados) hasta posición C (180º grados), los conductores que cortan una cantidad máxima d líneas de fuerza en la posición B van encontrando menos líneas de fuerza, hasta que en la posición C se desplazan paralelamente al campo magnético y ya no cortan ninguna de sus líneas de fuerza.

POSICIÓN C 180º

Por loa tanto, la FEMI descenderá desde los 90º hasta los 180º, de la misma manera que aumentaba desde 0º a 90º. Del mismo modo, el flujo de corriente seguirá las variaciones de tensión.

De 0º a 180º los conductores de la espira han venido desplazándose en el mismo sentido dentro del campo magnético, y por lo tanto la polaridad de la FEMI no ha variado. Cuando la espira empieza a girar más allá de los 180º para volver a la posición A, el sentido del corte de los conductores en el campo magnético se invierte. Ahora el conductor negro asciende dentro del campo. Mientras el blanco desciende. A raíz de esto la polaridad de la FEMI y el flujo de corriente tendrá un sentido contrario que desde las posiciones A, B

hasta la C. La tensión en los terminales del generador será la misma que desde A a C, excepto que la polaridad será invertida.

La tensión de salida para una revolución completa de la espira es la que aparece en los gráfico

POSICIÓN 270º POSICIÓN 360º

LA ONDA DE CA (Un Ciclo)

EL TRANSFORMADOR

Se define como una máquina eléctrica de corriente alterna que tiene como función elevar o reducir un voltaje sin variar su frecuencia.

Funcionamiento Del Transformador

Cuando por una bobina pasa corriente alterna, se genera en torno a ella un campo magnético también alterno. Este campo magnético alterno se extiende desde el centro de la bobina y se contrae hacia ella medida que la corriente alterna que pasa por la bobina varia desde cero a un máximo y del máximo a cero. Como el campo magnético alterno debe desplazarse a través de las espiras de la bobina, esto induce en ella una FEM de autoinducción que se opone a la variación del flujo de corriente.

FEM AUTOINDUCIDA

Expansión del campo flujo de CA

Contracción del campo Oposición ofrecida al flujo de

Corriente por la FEM contraria

Si el campo magnético alterno generado por una bobina atraviesa el arrollamiento de otra bobina, se producirá una FEM en esta segunda bobina, exactamente de la misma forma en que se induce una FEM (fuerza electromotriz) en una bobina cortada por su propio campo magnético. La FEM generada en la segunda bobina se denomina FEM de inducción mutua, mientras que la acción de generar este voltaje se llama acción transformadora.

Acción Transformadora

El transformador simple consiste en dos bobinas muy cerca entre sí, pero aisladas eléctricamente una a la otra. La bobina a la cual se le aplica la CA se llama Primario. Esta genera un campo magnético que atraviesa el arrollamiento de la otra bobina a la cual se llama Secundario y produce en ella una tensión. Las bobinas no están conectadas una con otra. Sin embargo, existe entre ambas un acoplamiento magnético porque en el transformador se transfiere potencia eléctrica de una bobina a otra mediante un campo magnético alterno o alternativo.

Presumiendo que todas las líneas de fuerza magnética del primario atraviesan todas las espiras del secundario, la tensión inducida en el secundario dependerá de la relación entre el número de espiras del secundario y el número de espiras del primario.

Si el secundario tiene más espiras que el primario se llama Elevador.

Si el secundario tiene menos espiras que el primario se llama Reductor.

La capacidad de los transformadores se expresa en KVA (kilovoltioamperio) porque es independiente del factor potencia.

CLASES DE ENERGIA ELECTRICA

Corriente continua D.C ó C.C

Es aquella que no presenta variación ni en magnitud, ni en sentido.

Corriente alterna A.C

Es aquella corriente que varía, a intervalos periódicos, tanto en magnitud, como en sentido o duración.