La electricidad, su teoría y formas de producción

INTRODUCCIÓN

La electricidad es un fenómeno físico originado por cargas eléctricas estáticas o en movimiento y por su interacción. Cuando una carga se encuentra en reposo produce fuerzas sobre otras situadas en su entorno. Si la carga se desplaza produce también fuerzas magnéticas. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas positivas y negativas. La electricidad está presente en algunas partículas subatómicas. La partícula fundamental más ligera que lleva carga eléctrica es el electrón, que transporta una unidad de carga. Los átomos en circunstancias normales contienen electrones, y a menudo los que están más alejados del núcleo se desprenden con mucha facilidad.

La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.

Hacia el año 600 adC, el filósofo griego Tales de Mileto observo que, frotando una varilla de ámbar con una piel o con lana, podían atraer cuerpos pequeños. También habían observado que si la frotaban mucho tiempo podrían causar el salto de una chispa. Cerca de Mileto, (en la actualidad Turquía), se encuentra un sitio arqueológico llamado Magnesia, donde en la antigüedad se encontraron trozos de magnetita. Los antiguos griegos observaron que los trozos de este material se atraían entre sí, y también a pequeños objetos de hierro. La palabra magneto (en español, imán) proviene del lugar donde se descubrió.

Un objeto es encontrado en Iraq en 1938, fechado alrededor de 250 adC, llamado la Batería de Bagdad, se asemeja a una celda electroquímica. No se han encontrado documentos que evidencien su utilización, aunque hay otras descripciones anacrónicas de dispositivos eléctricos en muros egipcios y escritos antiguos.

Actualmente, la comprensión y control del fenómeno eléctrico ha posibilitado la implantación de la electricidad en todos los tipos de aplicaciones industriales del ser humano e incluso en medicina.

I ELEMENTOS DEL MAGNETISMO

A Imán

Un imán es un material capaz de producir un campo magnético exterior y atraer el hierro (también puede atraer al cobalto y al níquel). Los imanes que manifiestan sus propiedades de forma permanente pueden ser naturales, como la magnetita (Fe3O4) o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales. En un imán la capacidad de atracción es mayor en sus extremos o polos.

B Imán Natural

Un imán natural está constituido por una sustancia que tiene la propiedad de atraer limaduras de hierro, denominándose a esta propiedad magnetismo o, más propiamente, ferromagnetismo. El elemento constitutivo más común de los imanes naturales es la magnetita: óxido ferroso férrico, mineral de color negro y brillo metálico que se utiliza como mena de hierro.

C Imán Artificial

Un imán artificial es un cuerpo metálico al que se ha comunicado la propiedad del magnetismo, bien mediante frotamiento con un imán natural, bien por la acción de corrientes eléctricas aplicadas en forma conveniente.

D Electroimán

Un electroimán es una bobina por la cual circula corriente eléctrica. Esto genera un campo magnético isomórfico al de un imán de barra. Los electroimanes son componentes fundamentales de los circuitos automáticos y manuales de mando, y como frenos y embragues electromagnéticos. En los aceleradores de partículas se utilizan enormes electroimanes con núcleos de varios metros de diámetro. También se utilizan potentes electroimanes como grúas, para levantar hierro y chatarra en las plantas de recuperación y fundiciones.

D.1 Temporales: Imán temporal constituido por una bobina cilíndrica de alambre arrollada en forma de espiral (solenoide), en cuyo interior se coloca un núcleo de hierro. Cuando una corriente eléctrica recorre la bobina, se crea un fuerte campo magnético, paralelo a su eje. En el núcleo, las partículas de hierro, que pueden considerarse pequeños imanes permanentes, se alinean en la dirección del campo, aumentando notablemente la fuerza del campo magnético generado por el solenoide. El núcleo se satura cuando todas las moléculas están alineadas, por lo que a partir de entonces el aumento de la corriente no incrementa la fuerza del campo magnético. Si se interrumpe la corriente, las moléculas se redistribuyen y sólo se mantiene un débil magnetismo residual.

D.2 Permanentes: Además de la magnetita o imán natural existen diferentes tipos de imanes fabricados con diferentes aleaciones:

• Imanes cerámicos o ferritas.
• Imanes de alnico.
• Imanes de tierras raras.
• Imanes flexibles.
• Otros.

II FORMAS DE PRODUCCIÓN DE LA ELECTRICIDAD

A Centrales térmicas

Las centrales térmicas convencionales utilizan la energía solar atrapada por la fotosíntesis, acumulada en los tejidos de plantas y animales para producir electricidad. Se trata de compuestos de carbono e hidrógeno, muy reactivos con el oxígeno, que producen gran cantidad de calor al quemarse. La mayoría de las centrales térmicas queman combustibles fósiles, producto de la descomposición y almacenamiento en las capas geológicas de plantas y animales que vivieron hace millones de años. Estos combustibles carbón, petróleo y gas natural tienen un poder calorífico muy variable, según el tipo de yacimiento del que son extraídos y la época en que éste se formó.

Otras centrales térmicas funcionan quemando biomasa viva, es decir, madera, leñas y residuos agrícolas. Otras pueden funcionar recuperando la energía contenida en materiales de alto poder calorífico presentes en los residuos urbanos, principalmente plásticos, papel y cartón. También es posible emplear el gas metano que produce la descomposición de la materia orgánica en los vertederos, o incluso de las deyecciones del ganado.

B Centrales eólicas

En las centrales eólicas o parques eólicos se aprovecha la energía cinética del viento para mover las palas de un rotor situado en lo alto de una torre (aerogenerador). La potencia total y el rendimiento de la instalación depende de dos factores: la situación del parque (velocidad y cantidad de horas de viento) y el número de aerogeneradores de que dispone.

Los aerogeneradores actuales alcanzan el máximo rendimiento con vientos de unos 45 Km. /h de velocidad mínima necesaria para comenzar a funcionar de unos 20 Km. /h, y la máxima, por razones de seguridad, de 100 Km. /h. Existe un tipo de centrales eólicas denominadas aisladas. Se trata de instalaciones de reducido tamaño que las pequeñas industrias, estaciones de bombeo en explotaciones agrarias, viviendas, etc., utilizan para su autoconsumo.

C Centrales Hidroeléctricas

En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica. Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.

D Centrales Nucleares

En este tipo de centrales se aprovecha la energía potencial debida a la altura del agua para, haciéndola caer, convertirla en energía cinética. Esta energía moverá los álabes (paletas curvas) de una turbina situada al pie de la presa, cuyo eje está conectado al rotor de un generador, el cual se encarga de transformarla en energía eléctrica.

Si el agua desciende hasta un embalse situado a menor altura para, con posterioridad, ser bombeada hasta que alcance el embalse superior, con objeto de utilizar de nuevo, nos encontramos frente una central hidráulica de bombeo. Este tipo de central se construye en zonas donde existe la posibilidad de que en ciertas épocas del año no llegue suficiente agua al embalse superior y, por tanto se necesite un aporte del inferior.

III TEORÍA ELÉCTRONICA

La teoría actual sobre la estructura de la materia ha demostrado que el átomo es divisible y que está constituido por partículas pequeñísimas que se denominan protones (partículas cargadas positivamente), electrones (partículas con carga negativa) y neutrones (partículas sin carga eléctrica). Estas son las tres partículas fundamentales en la constitución de todo átomo. El átomo más simple es él del hidrógeno cuyo núcleo está formado por un solo protón en torno al cual gira un solo electrón. El núcleo del resto de los elementos está formado por protones y neutrones.

La carga positiva del núcleo depende del número de protones y a este número se llama número atómico, equivale por lo tanto al número de electrones planetarios del átomo neutro. En cambio, la suma de los protones y neutrones del núcleo expresa lo que se llama número de masa = A. Si el átomo es pequeño corra para medirlo directamente, muchísimo menor son las partículas atómicas que lo forman; sin embargo, ha sido posible hacer mediciones indirectas, obteniéndose resultados bastante exactos.

Así se sabe que la masa de un electrón es 9, 1, 10 gramos y que la masa del protón es aproximadamente 1840 veces la del electrón. Como la masa del neutrón es casi igual a la del protón, significa que la masa del átomo está prácticamente concentrada en el núcleo. El átomo de hidrógeno que ha perdido su electrón planetario se convierte en protón con una masa 1, 0081 referida al oxígeno (que se toma por masa = 16) y una carga elemental positiva = + e. Se le representa por H. Los neutrones tienen una masa 1, 0085, sin carga eléctrica y se le representan por n Fueron descubiertos en 1932 por el inglés Chadwick y el matrimonio francés Jolíot-Curié.

Los átomos de un mismo elemento químico pueden ser algunos más pesados que otros; esto se debe a que el número de neutrones que existen en el núcleo puede variar, no así el número de protones. Es decir, el número atómico es el mismo, pero varía el número de masa; a estos elementos se les llama isótopos y hay elementos que pueden tener uno o más isótopos. A esto se debe el hecho de que los elementos químicos no tengan una masa atómica entera, pues están constituidas por isótopos en proporción variable. Los electrones situados en las órbitas extremas de los átomos pueden ser desprendidos de ellas con relativa facilidad y se convienen en electrones libres. En cambio, los electrones situados en las órbitas internas son atraídos por el núcleo con una fuerza mucho mayor que a los electrones de las órbitas externas; por esta razón es muy difícil que los átomos se desprendan de los electrones de las capas u órbitas internas, llamándose por este motivo electrones fijos.

Los fenómenos eléctricos se explican por el movimiento de los electrones libres entre los átomos; los electrones libres expulsados por un átomo son atraídos por otros átomos que han perdido electrones; debemos hacer notar que la pérdida de electrones libres por los átomos no produce en ellos ningún cambio en su estructura íntima, salvo el de adquirir una carga eléctrica positiva y tratará, por lo tanto, de recuperar los electrones perdidos captando o atrayendo los electrones libres de otros átomos.

IV FORMAS DE PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD

A Frotamiento

Todos los cuerpos se electrizan por este método y que tanto el cuerpo frotado como el frotante se carga eléctricamente, pero uno queda con carga positiva y el otro con igual carga negativa. Esto se debe a que el cuerpo que queda cargado positivamente ha perdido electrones que capta el que queda cargado negativamente. En los cuerpos salidos son sólo los electrones los que pueden pasar de un cuerpo al otro, pues las cargas positivas del núcleo atómico si lo abandonan en caso de una desintegración atómica.

No podemos decir lo mismo de los cuerpos líquidos y de los gases en los cuales los núcleos atómicos pueden trasladarse con relativa facilidad y por lo tanto en estos cuerpos puede haber transporte, tanto de cargas positivas como negativas, como lo veremos al estudiar la electrolisis y la descarga eléctrica en gases. Un caso muy especial y no tan sencillo lo presentan los semiconductores (germanio, silicio, etc. ) en los cuales el transporte es de ‘huecos ” dejados por los electrones; es la base del transistor.

B Efecto químico

Un cuerpo aislado, por ejemplo, un electroscopio, un péndulo eléctrico, etc. puede ser cargado con sólo tocarlo con otro cuerpo previamente electrizado.

Al acercarle una varilla cargada positivamente tal como se indica en b), los electrones del electroscopio son atraídos hacia su esferita por la carga positiva de la varilla con lo cual se produce en las laminillas, un déficit de electrones, es decir se cargan positivamente, produciéndose de esta manera la separación de las laminillas. Si ahora se toca la esferilla con la varilla los electrones atraídos hacia la esferilla pasarán a la varilla donde neutralizarán algunas cargas positivas de ellas tal como se indica en c). Finalmente al retirar la varilla el electroscopio quedará cargado positivamente por haber perdido electrones; en cambio la varilla quedar! con menos carga positiva que al principio (a).

Del mismo modo, se observa que al acercar una varilla con carga negativa a la esferita del electroscopio, alguno de los electrones de éste es rechazado hacia sus laminillas, produciendo su separación. Al tocar la esferita con la varilla electrizada algunos electrones pasarán a la esferita que había quedado con déficit de electrones. Al retirar la varilla el electroscopio quedará con carga negativa.

C Magnetismo

Al acercar sin tocar, una varilla cargada negativamente a un electroscopio, los electrones de éste, son rechazados a las laminillas, como ya vimos antes. Pero si ahora, manteniendo la varilla inductora sin tocar al electroscopio tocamos la esferita con un dedo los electrones rechazados se escaparán a “tierra’ a través de nuestro cuerpo. Sí finalmente retiramos primero nuestro dedo y después la varilla inductora el electroscopio quedará cargado positivamente por haber perdido electrones.

Si en vez de una varilla con carga negativa acercamos una con carga positiva, al tocar la esferita con nuestra mano los electrones son atraídos desde la tierra hacia el electroscopio. De este modo, al retirar la mano,, el electroscopio quedará con carga negativa debido a un exceso de electrones.

V DEFINICIÓN DE ELECTRICIDAD

A Ley de Ohm

A.1 Corriente Eléctrica: Las fuentes de alimentación, como los generadores, pilas, baterías, y termoelementos, transforman determinadas formas de energía en energía eléctrica. La “presión” que ejerce la fuente sobre los electrones y que los impulsa a moverse se llama tensión eléctrica o fuerza electromotriz, que se miden en voltios. Para encender una lámpara común hogareña hacen falta 220 volt. En este gráfico podemos ver que al dar una baja tensión de electricidad la lámpara no funcionará o bien funcionará mal; al recibir la tensión necesaria la lámpara funciona normalmente, y si le damos un exceso de tensión la lámpara se quemará. Aquí podemos ver como influye la tensión de la electricidad, por ejemplo, en una lámpara.

A.2 Voltaje: A partir de este resultado vemos que la resistencia tiene unidades del Sistema Internacional (SI) de volts por ampere. Un volt por ampere se define como un ohm (Ω).

Es decir, si una diferencia de potencial de 1V a través de un conductor produce una corriente de 1ª, la resistencia del conductor es 1Ω. Por ejemplo, si un aparato eléctrico conectado a una fuente de 120 V conduce una corriente de 6ª, su resistencia es de 20 Ω.

El inverso de conductividad es resistividad ρ.

A.3 Resistencia: En su recorrido a través de un conductor y de un aparato eléctrico, los electrones encuentran diferentes obstáculos que se oponen a que los mismos fluyan libremente. Este fenómeno recibe el nombre de resistencia eléctrica, medida en ohmios. En un cuerpo conductor esta resistencia es muy baja; y en un cuerpo aislante esta resistencia es muy elevada. Si queremos calcular cual es la resistencia de un cuerpo debemos aplicarle un cierto voltaje y ver cuanta corriente eléctrica deja pasar. Para saber cuantos Ohms tiene un cuerpo debemos dividir el voltaje por la corriente:

RESISTENCIA = VOLTAJE / CORRIENTE que expresado en unidades da:

OHM = VOLT / AMPER

B Ley de Watt

B.1 Potencia: Si a un determinado cuerpo le aplicamos una fuente de alimentación (es decir le aplicamos un Voltaje) se va a producir dentro del cuerpo una cierta corriente eléctrica. Dicha corriente será mayor o menor dependiendo de la resistencia del cuerpo. Este consumo de corriente hace que la fuente este entregando una cierta potencia eléctrica; o dicho de otra forma el cuerpo esta consumiendo determinada cantidad de potencia. Esta potencia se mide en Watt. Para calcular la potencia se debe multiplicar el voltaje aplicado por la corriente que atraviesa al cuerpo. Es decir:

POTENCIA = VOLTAJE x CORRIENTE que expresado en unidades da:

WATT = VOLT x AMPER

B.2 Voltaje: La potencia es directamente proporcional a la corriente y directamente proporcional al voltaje. El voltaje es directamente proporcional a la potencia que hay en un circuito e inversamente proporcional a la corriente. La corriente es directamente proporcional a la potencia e inversamente proporcional al voltaje. La formula es la siguiente:

W = I * V I = W / V V = W / I

B.3 Intensidad: El flujo luminoso nos da una idea de la cantidad de luz que emite una fuente de luz, por ejemplo una bombilla, en todas las direcciones del espacio. Por contra, si pensamos en un proyector es fácil ver que sólo ilumina en una dirección. Parece claro que necesitamos conocer cómo se distribuye el flujo en cada dirección del espacio y para eso definimos la intensidad luminosa.

Se conoce como intensidad luminosa al flujo luminoso emitido por unidad de ángulo sólido en una dirección concreta. Su símbolo es I y su unidad la candela (cd).

VI CIRCUITO ELÉCTRICO Y DIAGRAMA

A Definición

Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistencias, inductancias, condensadores y fuentes, o electrónicos, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas.

B La Pila

La pila seca consiste en un receptáculo de zinc (placa negativa de la pila), en cuyo interior hay una varilla de carbón rodeado de una mezcla de polvo de carbón, bióxido de manganeso (MnO₂), cloruro de amonio y cloruro de zinc en agua. La reacción química entre el cloruro de amonio (ClNH₄) y el zinc deja a este con un exceso de electrones, mientras la varilla de carbón, que actúa como segunda placa, queda con escasez de electrones, es decir cargada positivamente. El bióxido de magnesio actúa como despolarizador: elimina el H adherido al carbón.

C Clases de circuitos

C.1 Circuitos en serie: Los elementos de un circuito están conectados en serie cuando se conectan uno a continuación del otro formando una cadena, de manera que la corriente que circula por un determinado elemento, sea la misma que circula por el resto. La tensión en los extremos del generador, será igual a la suma de todas las tensiones intermedias en los receptores.

En caso de que uno de los receptores se estropee, se desconectan todos los demás. En la figura, tenemos un circuito serie que tiene una lámpara, un timbre y un motor. Si uno de los tres receptores se estropea, los otros dos se desconectan porque se abre el circuito.

C.2 Circuito paralelo: Todos lo elementos están conectados entre los mismos puntos y, por tanto, a todos ellos se les aplica la misma diferencia de potencial. La intensidad de corriente que sale del generador es igual a la suma de las intensidades que circulan por los receptores. En caso de que un receptor se estropee, a los demás receptores no les ocurre nada. En la figura, tenemos un circuito paralelo.

VIII CONDUCTORES ELÉCTRICOS

A Tipos de conductores y su características

Diferentes tipos de conductores se citan:

• Conductor aislado: Conductor rodeado de un material de composición y espesor reconocidos por esta NOM como aislamiento eléctrico.
• Conductor cubierto: Conductor rodeado de un material de composición o espesor no reconocidos por esta NOM como aislamiento eléctrico.
• Conductores de acometida: Conductores comprendidos desde el punto de acometida hasta el medio de desconexión de la acometida.
• Conductor desnudo: Conductor que no tiene ningún tipo de cubierta o aislamiento eléctrico.
• Conductor de puesta a tierra: Conductor utilizado para conectar un equipo o el circuito puesto a tierra de un sistema de alambrado al electrodo o electrodos de puesta a tierra.

B Materiales del conductor

Generalmente es un elemento metálico capaz de conducir la electricidad cuando es sometido a una diferencia de potencial eléctrico. Para que ello sea efectuado eficientemente, se requiere que posea una baja resistencia para evitar pérdidas desmedidas por Efecto Joule y caída de tensión. Para el transporte de la energía eléctrica el metal empleado universalmente es el cobre en forma de cables de uno o varios hilos. Alternativamente se emplea el aluminio, metal que si bien tiene una conductividad eléctrica del orden del 60% de la del cobre es, sin embargo, un material mucho más ligero, lo que favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica.

C Aislamientos

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. Aunque no existen cuerpos absolutamente aislantes o conductores, sino mejores o peores conductores, son materiales muy utilizados para evitar cortocircuitos, forrando con ellos los conductores eléctricos, para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que, de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión, pueden producir una descarga, y para confeccionar aisladores, elementos utilizados en las redes de distribución eléctrica para fijar los conductores a sus soportes sin que haya contacto eléctrico. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas.

El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. Un material aislante de la electricidad tiene una resistencia teóricamente infinita. Algunos materiales, como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por ejemplo, aislante a temperatura ambiente y bajo condiciones de frecuencia de la señal y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.

D Tamaño del conductor

Tamaño nominal mínimo de los conductores

Tensión eléctrica nominal del conductor	mm2 (AWG)	Material
De 0 a 2000De 2001 a 5000 De 5001 a 8000 De 8001 a 15000 De 15001 a 25000 De 28000 a 35000	2,082 (14) 13,3 (6) 8,367 (8) 13,3  (6) 13,3 (6) 33,62 (2) 42,41 53,48 (1/0)	Cobre Aluminio Cobre Aluminio Cu o Al Cu o Al Cu o Al Cu o Al

Esta tabla nos muestra el tamaño que debe tener un conductor dependiente de la tensión y del materia.

VIII SÍMBOLOS ELÉCTRICOS

IX CÓDIGOS DE COLORES DE LOS CONDUCTORES

X VOCABULARIO

1. Voltaje: Cantidad de voltios que actúan en un aparato o sistema eléctrico.
2. Corriente: Magnitud física que expresa la cantidad de electricidad que fluye por un conductor en la unidad de tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es el amperio.
3. Resistencia: Dificultad que opone un circuito al paso de una corriente.
4. Circuito: Conjunto de conductores que recorre una corriente eléctrica, y en el cual hay generalmente intercalados aparatos productores o consumidores de esta corriente.
5. Diferencia de Potencia: entre dos puntos de un campo eléctrico es igual al trabajo que realiza dicha unidad de carga positiva para transportarla desde el punto 1 al punto 2.y dichos puntos
6. Fuerza electromotriz: es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico.
7. Kilovatio – Hora: es una unidad de energía. Equivale a la energía desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios.
8. Ley de Ohm: es una propiedad específica de ciertos materiales, y no una ley general del electromagnetismo.
9. Potencia: Cantidad de energía producida o consumida por unidad de tiempo.
10. Voltio: Unidad de potencial eléctrico y fuerza electromotriz del Sistema Internacional, equivalente a la diferencia de potencial que hay entre dos puntos de un conductor cuando al transportar entre ellos un coulomb se realiza el trabajo de un julio.
11. Tensión: Intensidad de la fuerza con que los gases tienden a dilatarse.
12. Subestación: Instalación, generalmente eléctrica, dependiente de otra principal, que da servicio a una zona determinada.

Citar este texto en formato APA: _______. (2013). WEBSCOLAR. La electricidad, su teoría y formas de producción. https://www.webscolar.com/la-electricidad. Fecha de consulta: 21 de noviembre de 2024.