Читать книгу Necesidades energéticas y propuestas de instalaciones solares. ENAC0108 - Bernabé Jiménez Padilla - Страница 18

En cualquier instalación, normalmente se utiliza la electricidad para el funcionamiento de muchos de sus elementos. El conocimiento básico de las variables que intervienen en la electricidad, tanto de corriente continua como alterna, ayuda a la identificación de los problemas que pudieran aparecer en las máquinas y las instalaciones de todo tipo.

La intensidad, la tensión y la resistencia están unidas por la ley de Ohm, básica en el cálculo de los circuitos eléctricos.

La corriente eléctrica

Es el fenómeno que se produce cuando se desplazan los electrones (e-) libres de un cuerpo que los tiene en exceso (electronegativo) hacia otro cuerpo que tiene menos electrones (electropositivo) cuando estos se encuentran unidos por un elemento conductor.

Como ya se señaló anteriormente, los electrones en el átomo se encuentran realizando trayectorias alrededor del núcleo formado por protones (positivos) y neutrones (sin carga), de modo que, cuando un material se une a otro, el conductor hace de camino para que uno ceda electrones al otro y se consiga el equilibrio entre los dos.

Importante

En cualquier material, el camino para el desplazamiento de los electrones libres a través de él se realiza por los huecos de su composición atómica.

Magnitudes elementales (V, I y R). Ley de Ohm

En cualquier circuito eléctrico, ya se trate de corriente continua (CC) o corriente alterna (CA), existen tres variables: la tensión (V), la intensidad (I) y la resistencia (R), relacionadas por la ley de Ohm.

La tensión, también llamada diferencia de potencial, es la diferencia de electrones que existe entre dos cuerpos cargados que se ponen en contacto. Un cuerpo estará a más tensión o tendrá mayor potencial cuando el número de electrones libres de los que dispone para abandonarlo hacia otro cuerpo es mayor que el cuerpo a donde llegan.

La unidad de tensión eléctrica es el voltio (V), por lo que tradicionalmente también se denomina voltaje a la tensión de un circuito.

La intensidad es la cantidad de corriente eléctrica que es capaz de circular por un conductor en un tiempo determinado cuando existe una diferencia de potencial entre los dos cuerpos. Siempre estará en función del tamaño de la sección y del material por donde se desplazan los electrones.

La unidad de intensidad eléctrica es el amperio (A).

La resistencia es la oposición que un cuerpo o el conductor que une dos cuerpos opone al paso de los electrones a través de él. Según el material y las dimensiones de la sección, un conductor puede tener mayor o menor resistencia, ya que los huecos que tiene en su estructura dejan más o menos paso a los electrones libres.

La unidad de resistencia eléctrica es el ohmio, representado por la letra griega omega (Ω).

La ley de Ohm relaciona las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia:

Tensión en voltios (V) = Intensidad de corriente en amperios (A) · Resistencia eléctrica del material en ohmios (Ω)

V = I · R

Potencia eléctrica en vatios (W) = Intensidad² (A) · Resistencia (Ω)

P = I² · R

Y también:

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I

Para una potencia durante un período de tiempo se tiene:

Energía eléctrica = Potencia eléctrica (W) · Tiempo en segundos (t)

Ee = P · t

El voltaje o diferencia de potencial que existe en un circuito eléctrico cerrado depende de la resistencia que el conductor oponga al paso de la intensidad de corriente eléctrica, representada por los electrones libres que realizan el camino.

Aplicación práctica

Está ayudando a su sobrina a realizar una práctica de electricidad para el colegio y necesita comprar una lámpara para un circuito de corriente continua. La pila es de 12 voltios y la intensidad máxima de seguridad permitida en el circuito es de 0,03 amperios.

Calcule la potencia que deberá tener la lámpara y la resistencia que tendrá una vez montada y con el circuito cerrado.

SOLUCIÓN

Potencia eléctrica en vatios (W) = Tensión (V) · Intensidad (A)

P = V · I = 12 voltios · 0,03 amperios = 3,6 W

La potencia eléctrica es: P = I² · R

Despejando el valor de la resistencia (R):

R = P / I² = 3,6 W / 0,03² amperios = 4.000 ohmios (Ω)

Siempre existen las tres magnitudes de tensión, intensidad y resistencia, relacionadas por la ley de Ohm, cuando el circuito se encuentre cerrado o en carga.

Actividades

7. Cuando en su casa enciende y apaga la luz, ¿dónde está la resistencia eléctrica del circuito y por dónde llega a ella la corriente?

Materiales conductores, semiconductores y aislantes

Sabido es que un material conductor es el que permite el paso de la electricidad a través de él. En realidad, todos los materiales son conductores de la electricidad, pero, como cada uno es diferente, unos tienen más facilidad que otros para permitir el paso de los electrones libres.

Está en relación con los movimientos que se producen dentro del mismo cuerpo a nivel atómico, ya que por ejemplo los metales tienen sus átomos más quietos que los que contiene la madera.

De esta forma, un material, por su constitución propia, puede ser conductor, semiconductor o aislante:

1 Un material conductor permite el paso de electrones libres a través de él. Los metales, por su constitución atómica en forma de red, tienen menos movimientos en sus átomos, de forma que existen más huecos por donde los electrones libres pueden circular.

2 Un material aislante tiene sus átomos en continuo movimiento, de forma que no existen tantos huecos para el paso libre de los electrones. La madera y el plástico son algunos ejemplos de materiales aislantes de la electricidad.

3 Un material semiconductor es aquel que puede permitir el paso de los electrones libres a través de él dependiendo de las condiciones de temperatura a la que se encuentre, así como la radiación o la presión a la que esté sometido. El silicio (arena) es el material más utilizado en la electrónica para realizar circuitos en los que se necesita en ocasiones dejar pasar o no la electricidad a través del elemento.

La resistividad, nombrada mediante la letra griega ro (ρ), es la capacidad que tiene cada material de permitir el paso de los electrones a través de él. Varía bastante en cada material, incluso en los metales considerados siempre buenos conductores de la electricidad.

Actividades

8. Realizar de memoria un listado de materiales conductores y no conductores de la electricidad.

Corriente continua y alterna

Existen dos tipos de corriente eléctrica que se definen observando los cambios que se producen en sus variables de tensión y polaridad positiva o negativa.

La corriente continua (CC), también denominada AC, tiene a lo largo del tiempo de utilización siempre la misma tensión, de manera constante.

En la imagen se puede ver que la tensión es siempre la misma durante el tiempo de funcionamiento del circuito, siendo su polaridad positiva.

La corriente alterna (CA), también denominada DC, es la que cambia el valor de la tensión y su polaridad de positivo a negativo y de negativo a positivo de manera instantánea, siendo utilizada en casi todas las aplicaciones habituales en viviendas, edificios, iluminación, etc.

En el gráfico se observa que, durante el tiempo de utilización, la tensión en su avance varía el valor de cero al máximo y del máximo a cero, siendo su polaridad primero positiva y después negativa, describiendo una curva en forma senoidal.

El ciclo T se repite, siendo el número de ciclos por segundo lo que se llama frecuencia, que se mide en hercios (Hz). La corriente alterna en Europa es de 50 Hz, y en América de 60 Hz.

Sabía que...

Existe, además, un tipo de corriente llamada “pulsatoria” que tiene valores constantes de polaridad con picos y valles en su tensión.

El origen de la utilización de la corriente alterna se debe al descubrimiento de las propiedades magnéticas de la electricidad (Oersted), y con las que se puede generar electricidad en las centrales a partir de energía de movimiento mecánico de las aspas de una turbina.

Actividades

9. ¿No siente curiosidad por saber en qué consistió el experimento de Oersted? Cuando lo conozca, nunca lo olvidará. Es sorprendente.

Transformador

Con el transformador se pueden variar los valores de tensión e intensidad de la corriente alterna, consiguiéndose en el devanado del secundario una reducción de la tensión y un aumento de la intensidad, o viceversa, debido a la influencia del núcleo ferromagnético y a la variación del número de espiras que lo envuelven (N1 → N2). Solo se pueden realizar estas variaciones en la corriente alterna (CA), en la que circulan los electrones de un extremo a otro del generador, cambiando su polaridad de manera instantánea cuando el circuito está cerrado.

Definición

Núcleo ferromagnético

Es donde se genera el campo magnético de la electricidad, compuesto de hierro dulce y arrollamiento de hilo de cobre.

El transformador se emplea para reducir la intensidad y subir el voltaje de la electricidad a la salida de la planta generadora, así como para conseguir que en el transporte por la red no se produzcan calentamientos excesivos por el ya conocido efecto Joule. De esta manera, se podrá transportar la electricidad hasta los puntos de consumo, pero habrá que transformarla de nuevo antes de utilizarla, reduciendo su tensión y aumentando su intensidad para conseguir una tensión de 230 voltios, habitual en las viviendas.