Electricidad Aplicada IFundamentos Corriente Eléctrica

(Introducción)

Docente: Mario Dominguez

1.-LA CORRIENTE ELÉCTRICA1.- LA CORRIENTE ELÉCTRICA.-Definición: “ La corriente eléctrica es un conjunto de cargaseléctricas, en concreto electrones, que se mueven a través deun conductor. Para que este movimiento se produzca esnecesario que entre los dos extremos del conductor exista unadiferencia de potencial eléctrico”.Existen dos tipos de corriente eléctrica:

a)Corriente continua: Los electrones se desplazan siempre enel mismo sentido, del punto de mayor potencial (polo negativo)al de menor potencial (polo positivo).

Su representación gráfica es una línea recta.

b)Corriente alterna: Los electrones al desplazarse cambianmuchas veces de sentido en intervalos regulares de tiempo.Es la más utilizada, ya que es más fácil de producir y de

transportar. Su representación gráfica es una onda senoidal.En la siguiente página se describen las similitudes existentesentre un circuito eléctrico y un hidráulico, las cuales resultande gran utilidad para entender cómo se relacionan lasmagnitudes eléctricas fundamentales.

Podemos establecer también un símil hidráulico para explicar ladiferencia entre la corrientecontinua y la alterna.CORRIENTE CONTINUA:

Circuito hidráulico: Cuando la llave depaso no interrumpe el circuito, la bombamueve el líquido hasta la ruedahidraáulica y la hace girar. El aguaregresa a la bomba por el circuito deretorno y la bomba la vuelve a impulsarde forma continua.

Circuito eléctrico: Cuando el interruptorno interrumpe el circuito, el generadormueve las cargas (pone las cargas a unpotencial alto). Éstas llegan al receptor,se enciende la lámpara (cae el potencialde las cargas) y el generador vuelve aponer las cargas a un potencial alto, conlo que repiten el recorrido de formacontinua.

CORRIENTE ALTERNA:

Circuito hidráulico: Cuando la llave de paso nointerrumpe el circuito, podemos mover el líquidoempujando el émbolo hacia arriba. La ruedahidráulica gira en sentido contrario a las agujasdel reloj.

Si movemos el émbolo hacia abajo, cambia elsentido del líquido, por lo que la rueda girará ensentido contrario (sentido de las agujas del reloj).

Por tanto, moviendo el émbolo hacia arriba yhacia abajo obtenemos un movimiento de tipoalterno.

Circuito eléctrico: Cuando elinterruptor no interrumpe elcircuito, el generador decorriente alterna mueve lascargas en uno y otro sentido ycon una intensidad variable.

2.-MAGNITUDES ELÉCTRICAS2.1.- CARGA ELÉCTRICA.-Se denomina carga eléctrica a la cantidad deelectricidad que posee un cuerpo o que circula porun conductor.Se representa con la letra Q.La unidad de carga eléctrica es el culombio (enhonor al físico francés Charles Coulomb). Serepresenta mediante la letra C.1 C = 6,3 · 1018 electrones

2.2.- DIFERENCIA DE POTENCIAL, VOLTAJE OTENSIÓN.-Se denomina diferencia de potencial a la diferenciaen el nivel de carga que existe entre los extremos deun conductor, de tal manera que se puede producirun flujo de electrones desde el extremo que tienemayor carga negativa hasta el de menor carga.Se representa mediante la letra V.La unidad de diferencia de potencial es el voltio (enhonor al físico italiano Alejandro Volta). Serepresenta con la letra V.

2.3.- INTENSIDAD ELÉCTRICA.-• Se denomina intensidad eléctrica

a la cantidad de carga queatraviesa una sección de unconductor en la unidad detiempo.

• Se representa mediante la letra I.• La unidad de intensidad eléctrica

es el Amperio (en honor al físicofrancés André Marie Ampére). Serepresenta mediante la letra A.

• Según su definición la intensidadeléctrica se calcula mediante lasiguiente expresión:

Donde:I = intensidad de corriente (A)Q = carga eléctrica (C)t = tiempo (s)

t

QI

2.4.- RESISTENCIA ELÉCTRICA.-

Se denomina resistencia eléctrica a la oposición que ofrece un material aque los electrones se desplacen a través de él.Se representa mediante la letra R.La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio (en honor al físico alemánGeorg Simon Ohm). Se representa con la letra griega .La resistencia eléctrica de un conductor depende de tres variables:

a) del material con el que está fabricado. Esta variable se recoge en un factordenominado resistividad.b) De la longitud, de tal modo que a mayor longitud mayor es el valor de laresistencia.c) De la sección o área del conductor, de tal modo que a mayor sección menores el valor de la resistencia.

Estas tres variables se relacionan entre sí mediantela siguiente expresión:

Donde:R = resistencia eléctrica () = resistividad (·mm2/m)l = longitud (m)S = sección (mm2) S

lR

2.5.- ENERGÍA ELÉCTRICA.-Se denomina energía eléctrica a laenergía que poseen las cargas (loselectrones) cuando se desplazanpor un conductor.Se representa mediante la letra E.La unidad de energía eléctrica es eljulio (en honor al físico británicoJames P. Joule). Se representa conla letra J.Matemáticamente su expresión es:

E = Q·V

Donde:E = energía eléctrica (J)Q = carga transportada ( C)V = diferencia de potencial (V)

Como la carga transportada es difícil demedir, es

más frecuente expresar el valor de la energíaeléctrica en función de la intensidad:

E = I · t · VDonde:E = energía eléctrica (J)I = intensidad de corriente (A)t = tiempo (s)V = diferencia de potencial (V)

Otra expresión para calcular la energíaeléctrica se obtiene partiendo de la ley deOhm:

E = I2 · R · tDonde:E = energía eléctrica (J)I = intensidad de corriente (A)R = resistencia ()t = tiempo (s) Si queremos expresar la energía eléctrica en

calorías,E = 0,24 ·I2 · R · t

2.6.- POTENCIA ELÉCTRICA.-Se denomina potencia eléctrica a la cantidad de energía desarrollada o consumida por unaparato en la unidad de tiempo.Se representa mediante la letra P.La unidad de potencia eléctrica es el vatio (en honor al ingeniero británico James Watt).Se representa con la letra W.Según su definición su expresión matemática será:

Donde:P = potencia eléctrica (W)I = intensidad de corriente (A)V = diferencia de potencial (V)

Nota: Según la definición de potencia obtenemos una nueva fórmula para calcular laenergía eléctrica:

E = P · tDonde:E: energía eléctrica (Kwh)P: Potencia (Kw)T: Tiempo (h)Así, la energía consumida por un aparato eléctrico puede medirse simplementemultiplicando la potencia del receptor (medida en kilovatios) por el tiempo defuncionamiento (medido en horas).

VIPt

VtIP

t

EP

3.- LEY DE OHMLa ley de Ohm expresa la relación queexiste entre las tres principalesmagnitudeseléctricas que definen un circuito.Su expresión matemática es lasiguiente:

Donde:V = diferencia de potencial (V)I = intensidad de corriente (A)R = resistencia eléctrica ()

Conociendo dos magnitudes, podemoscalcular la tercera de dos modosdistintos:a) Usando las matemáticas:

b) Usando el siguiente triángulo:

La tensión eléctrica se define como el trabajo por unidad de carga que seejerce sobre una partícula cargada para moverla de un lugar a otro, através de un conductor localizado en un circuito eléctrico cerrado.

PRINCIPIOS DE LOS GENERADORES Y MOTORES ELÉCTRICOS

La tensión eléctrica, puede ser producida por un generador. En el generadorsimplificado que se muestra en la figura anterior, la espira conductora gira en elcampo magnético y corta las líneas de fuerza para generar un voltaje inducidode corriente alterna (CA) entre sus terminales. Una revolución completa de laespira es un ciclo.

MEDIDAS ANGULARES

Como los ciclos del voltaje corresponden a una rotación de la espiradescribiendo un círculo, las partes del círculo se expresan como ángulos. Elcírculo completo es 360°. Medio ciclo, o una alternación, es 180°. Un cuartode vuelta es 90°. Los ángulos se expresan también en radianes (rad). Un radiánes igual a 57.3°.En un generador de dos polos magnéticos, la rotación completa de la bobina dela armadura en 360 grados eléctricos (1 revolución), siempre generará un ciclo(360°) de voltaje de CA. Pero en un generador de 4 polos, la rotación de laarmadura en 180 grados eléctricos, generará 1 ciclo de CA a los 180 gradoseléctricos. En consecuencia, la escala de los grados a lo largo del eje horizontaldel voltaje o de la corriente de CA se refiere a los grados eléctricos y no agrados geométricos.

ONDA SENOIDAL

La forma de onda del voltaje se llama onda senoidal. El valor instantáneo delvoltaje en cualquier punto de la onda senoidal se expresa por la ecuación:

Ejemplo: Un voltaje de onda senoidal fluctúa entre cero y un máximo de10 V. ¿Cuál es el valor del voltaje en el instante en el que el ciclo está en30°?

PRODUCCIÓN Y TRANSPORTE ENERGIA ELECTRICA

La energía eléctrica

ES La más demandada del mundo industrializado.

DEPENDEMOS DEELLA PARA

El transporte, las comunicaciones, la alimentación, el funcionamiento de lasoficinas, fábricas y establecimientos de todo tipo.

El bienestar y la calidad de vida en nuestras casas.

NO SE PUEDEALMACENAR

A diferencia del carbón o del petróleo, no podemos almacenarla, lo que nosobliga a tener una extensa y compleja red que una el proceso de generaciónde esta energía con su consumo, y que permita el abastecimiento de energíaeléctrica en situaciones de gran demanda.

SE PRODUCE APARTIR

De las fuentes de energía renovables y no renovables, en diferentes tipos decentrales.

PRESENTAINCONVENIENTES

A pesar de ser una energía limpia, su proceso de producción tieneconsecuencias negativas para el medio ambiente.

Las fuentes de energía primaria, renovables y no renovables, se aprovechan paraproducir energía eléctrica en centrales que suelen tener una estructura común,compuesta por:

CALDERAEn ella se quema el combustible; así, su energía química se transforma en energíatérmica que calienta agua, haciendo que esta pasa a estado de vapor.

TURBINAEs un conjunto de aspas situadas sobre un eje y que giran en la misma dirección

cuando pasa por ellas vapor de agua. De ese modo, la energía térmica del vapor setransforma en energía cinética.

REFRIGERADOR El vapor de agua que ha movido la turbina tiene que enfriarse para volver autilizarse.

GENERADOREs la parte de toda central eléctrica que transforma la energía cinética de las aspasde la turbina en electricidad.

Cómo son las centrales de producción de energía eléctrica

TÉRMICA

NUCLEAR

HIDROELÉCTRICA

GEOTÉRMICA

SOLAR TÉRMICA

SOLARFOTOVOLTAICA

EÓLICA

MAREMOTRIZ

Las centrales térmicas utilizan de forma general combustibles fósiles, esto es,energías no renovables, como energía primaria; otro inconveniente que presentanes que emiten gases contaminantes a la atmósfera.

Esquema de funcionamiento de una central térmica

Combustible

Caldera Vapor

Agua Generador Transformador

Torre derefrigeración

Línea detransmisión

Turbinas

Las centrales nucleares funcionan de un modo similar al de una central térmica,pero aquí su combustibles es uranio, que, tras una reacción nuclear, desprendeuna gran cantidad de energía. Su ventaja es que no emiten gases contaminantes yproducen una energía barata; el inconveniente, la generación de residuosnucleares letales para los seres vivos.

Esquema de funcionamiento de una central nuclear

Reactor

Vapor

Barrasde control

Generadorde vapor

Edificiode contención

Agua

Generador Transformador

Torre derefrigeración

Línea detransmisión

Turbinas

Las centrales hidroeléctricas utilizan una energía renovable, ya que el aguaalmacenada en los embalses, que es la energía primaria, es repuesta por el ciclohidrológico natural. Junto con las centrales térmicas y las nucleares, son las másutilizadas en la actualidad.

Esquema de funcionamiento de una central hidroeléctrica

Compuerta

Presa

Embalse

Turbina

Generador

Transformador

Línea detransmisión

Las centrales geotérmicas se pueden aprovechar, tan solo, en zonas donde lasmanifestaciones geotérmicas, como géiseres y volcanes, sean más superficiales;así, su uso está muy poco extendido.

Esquema de funcionamiento de una central geotérmica

Lluvia

Circulaciónde agua

Aguacaliente

Bombas

Aguafría

Bomba

Generador

Condensador Bomba

Terreno impermeable

Torre derefrigeración

Línea detransmisiónTurbina

Fuente de calor

Cambiadorde calor

Las centrales solares térmicas constan de un campo de heliostatos, que es unagran superficie cubierta de espejos que concentran la radiación captada en unreceptor, generalmente una torre, en el que se encuentran la turbina y el receptor.

Esquema de funcionamiento de una central solar térmica

Central solar de media temperatura Central solar de media temperatura

Emplean colectores que concentran la radiaciónsolar que reciben en un elemento receptor desuperficie muy reducida en las que se alcanzantemperaturas de hasta 300 ºC.

En ellas, la radiación solar incide en un campode heliostatos (grande espejos) que concentranla radiación solar en un receptor, generalmenteuna torre, donde están la turbina y el generador.

Colectores

Tanquesde aceite Caldera Vapor

TurbinaAlternador

Transformador

Colector

Tanquesde sodio

Caldera

VaporTurbina

Alternador

Transformador

Heliostatos

Agua

Las centrales solares fotovoltaicas transforman directamente la energía solar enenergía eléctrica, sin necesidad de que exista ningún elemento móvil, gracias a lascélulas fotovoltaicas, que están fabricadas con silicio. Se utilizan, además, parasuministrar electricidad a satélites y estaciones espaciales.

Esquema de funcionamiento de una célula fotoeléctrica

Dos capasde silicio

Contacto metálico superior (+) Contacto metálico inferior (--)

Radiaciónsolar

Las centrales eólicas aprovechan la energía del viento para producir electricidad;presenta inconvenientes, como un impacto visual negativo y la interferencia con lasrutas de aves migratorias; además, se ve afectada por las condicionesmeteorológicas.

Esquema de funcionamiento de un aerogenerador

Pala del rotor,generalmenteconstruida enfibra de vidrio Soporte o torre

Generador

El transporte de energía eléctrica:

La red de transporte de energía eléctrica es la parte del sistema de suministro eléctrico constituida por los elementosnecesarios para llevar, a través de largas distancias, la energía eléctrica generada en las distintas centrales hacia lospuntos de consumo.

Esta red está formada por una extensa y entramada red de 34700 km de cables y torres de alta tensión y 3400subestaciones que permiten que se transforme el voltaje de salida en el adecuado para las industrias o losconsumidores.

Esquema de la red de transporte de energía eléctrica

Planta degeneración

Red de transporte(200 kV-400 kV)

Parquede generación

Consumo industrial(132 kV-12,5 kV)

Consumo doméstico(220 V-380 V)

Subestaciónde distribución

Centro de control eléctrico

Una línea de transporte de energía eléctrica o línea de alta tensión es el medio físico mediante el cual se realiza latransmisión de la energía eléctrica a grandes distancias.Está constituida por un elemento conductor, usualmente cables de cobre o aluminio, y por elementos de soporte, queson las torres de alta tensión.

Elementoconductor

Elementode soporte

La energía que llega de la red de transporte tiene un voltaje alto para poder recorrer largas distancias; en lasubestación, mediante un transformador, se reduce esta tensión para iniciar su distribución.

Salida de la energía eléctrica alvoltaje adecuado (132 kVo menor)

Entrada de la energíaeléctrica procedente de laplanta de generacion (220kV-400 kV)

El centro de control eléctrico es el responsable de la operación y supervisión coordinada en tiempo real de lasinstalaciones de generación y de transporte del sistema eléctrico español.Con toda la información recibida de las subestaciones se comprueba el funcionamiento del sistema eléctrico en suconjunto, y se toman decisiones para modificarlo o corregirlo si procede.

Los problemas asociados al transporte y producción de energía eléctrica:

La energía eléctrica es una energía limpia, ya que una vez obtenida apenas produce impacto ambiental, pero suproceso de producción y transporte tiene consecuencias muy negativas para el medio ambiente, tales como:

Ingreso en la atmósfera de gases y vapor de agua, responsables del efecto invernadero, la lluvia ácida,la contaminación de aguas y ríos y la destrucción del manto fértil del suelo.

Impacto visual en el paisaje de las torres de alta tensión y de los parques eólicos.

Alteración de flora y fauna fluvial por los embalses.

Escapes radiactivos y contaminación térmica de los ríos.