UD: 3. ENERGÍA Y POTENCIA ELÉCTRICA.

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1 D: 3. ENEGÍA Y OENCA ELÉCCA. La energía es definida como la capacidad de realizar rabajo y relacionada con el calor (ransferencia de energía), se percibe fundamenalmene en forma de energía cinéica, asociada al movimieno, y poencial, que depende sólo de la posición o el esado del sisema involucrado. Energía cinéica: El rabajo realizado por fuerzas que ejercen su acción sobre un cuerpo o sisema en movimieno se expresa como la variación de una canidad llamada energía cinéica, cuya fórmula viene dada por: El produco de la masa m de una parícula por el cuadrado de la velocidad v se denomina ambién fuerza viva, por lo que la expresión anerior se conoce como eorema de la energía cinéica o de las Fuerzas Vivas. Energía poencial graviaoria: odo cuerpo someido a la acción de un campo graviaorio posee una energía poencial graviaoria, que depende sólo de la posición del cuerpo y que puede ransformarse fácilmene en energía cinéica. n ejemplo clásico de energía poencial graviaoria es un cuerpo siuado a una ciera alura h sobre la superficie erresre. El valor de la energía poencial graviaoria vendría enonces dado por: siendo m la masa del cuerpo y g la aceleración de la gravedad.

2 Si se deja caer el cuerpo, adquiere velocidad y, con ello, energía cinéica, al iempo que va perdiendo alura y su energía poencial graviaoria disminuye. Energía mecánica: En los procesos físicos, la energía suele almacenarse en los cuerpos en forma combinada de ipo cinéico y poencial. Esa suma de energías se denomina energía mecánica, y se escribe genéricamene como: Fuerzas que inervienen en un cuerpo lanzado hacia arriba: una genera movimieno (energía cinéica) y la ora, el peso, va acumulando energía poencial graviaoria hasa el puno más elevado de la rayecoria. Conservación de la energía mecánica: no de los principios básicos de la física sosiene que la energía no se crea ni se desruye, sino que sólo se ransforma de unos esados a oros. Ese principio se exiende ambién a la energía mecánica. Así, en un sisema aislado, la suma de energías cinéica y poencial enre dos insanes de iempo se maniene consane. De ese modo, la energía cinéica se ransforma en poencial, y a la inversa, pero la suma de ambas siempre se conserva.

3 En un conducor elécrico los elecrones se mueven a velocidad consane. La energía poencial que van perdiendo los elecrones al moverse por un conducor se ransforma ínegramene en calor al chocar ésos con los iones que consiuyen el conducor. El calor que desprende ese conducor es la manifesación exerna de que en su inerior esán vibrando con mayor ampliud los iones Expresión de la energía y de la poencia de la corriene elécrica. Si consideramos a la fuerza elecromoriz (fem) y a la diferencia de poencial (ension) (ddp), respecivamene, como una causa y su efeco, podemos decir que un generador posee una fem(causa) si a circuio abiero da lugar a una ddp (efeco) enre sus erminales. or ejemplo enre dos elecrodos de una pila, aparece una ddp porque exise en ella una fem que la produce. Energía _ que _ produce fem Canidad _ de _ elecricidad _ que _ circula === E q En un generador de corriene elécrica se define fem como el cociene enre la energía que produce o rabajo y la canidad de elecricidad que por él circula q. Si despejamos obenemos que: E q eniendo en cuena que la canidad de elecricidad es E Q al susiuirla en la ecuación:

4 Si dividimos esa expresión enre el iempo resula que obenemos la poencia producida por el J generador: E Se mide en W s Si por enendemos la ensión enre los erminales del generador, la energía cedida por ése será: q de donde, dividiendo enre endremos la poencia cedida por el generador: 3.5. Medida de la poencia elécrica. Como hemos viso aneriormene de poencia elécrica es el vaio (w). Si nos pregunan qué lámpara lucirá más, una de 60w o una de 40w, la respuesa sería muy clara, la de 60w que es la que más consume. Como hemos viso aneriormene el rabajo se produce gracias a la energía. rabajo y energía son dos concepos que dicen lo mismo. rabajo oencia iempo = oencia en vaios (w) = rabajo o Energía en julios (J) = iempo en segundos (s) Energía oencia iempo

5 La fuerza con que mueve un objeo es similar a la ensión que impulsa a moverse los elecrones por un circuio elécrico. or oro lado, la velocidad con que se mueve un objeo se puede comparar con la canidad de elecrones que fluyen en un circuio elécrico en la unidad de iempo, es decir la inensidad de la corriene elécrica. El aparao que mide la poencia elécrica es el vaímero. En realidad, el vaímero mide por separado la ensión y la inensidad de la corriene, para después realizar la operación = * Ese aparao consa de dos bobinas, una amperimérica y ora volímerica. La bobina amperimérica posee unas caracerisicas similares a la de un amperímero: iene una resisencia muy baja y se coneca en serie. La bobina volimérica posee las mismas caracerísicas que las de un volímero: iene una resisencia muy ala y se coneca en paralelo.

6 3.6. Medida de la energía elécrica. De la expresión que relaciona la energía con la poencia se deduce que la energía es le produco de la poencia por el iempo. El cálculo de la energía elécrica consumida por un recepor es muy ineresane, especialemene para los consumidores, ya que sobre él se esablecen los cosos que facuran las compañias elécricas. despejando La poencia es medida en W * s = Julios y si es medida en Kw * h = Kilovaios *hora 1 julio (J) =,778 x 10-7 kilowaio hora (kw.h) 1 kilowaio hora (kw.h) = 3,6 x 10 6 julios (J) Como la unidad de medida del Julio es muy pequeña se suele uilizar el Kwh

7 El aparao que mide la energía elécrica consumida es el conador y, como odos bien sabemos, es el que nos dice lo que debemos pagar a la compañía elécrica. El conador se coneca exacamene igual que un vaímero, y nos da la lecura de la energía consumida, gracias a que inegra el produco de la poencia por el iempo. El conador de energía que más se uiliza hasa ahora es el de inducción, que realiza la medida gracias a un sisema moorizado, que obliga a girar un disco. La velocidad de dicho disco depende del produco de la ensión por la inensidad, es decir, de la poencia. Exise un siema que cuena el número de vuelas y presena un lecura direca de los KWh consumidos.

8 3.. Efeco érmico de la corriene elécrica. Efeco Joule. Como hemos viso aneriormene al circular la corriene elécrica por un conducor, ése se caliena. Ese fenómeno, es conocido con efeco Joule y se enuncia: oda energía elécrica absorbida por un conducor homogéneo en el que no exisen fems y que esá recorrido por una corriene elécrica, se ransforma ínegramene en calor. Susiuyendo quedaría: o bien, Susiuyendo quedaría: Ambas expresadas en julios como produco de vaios por segundo. La poencia correspondiene se obiene al dividir enre el iempo ambas expresiones:

9 3..1. Calenamieno de un conducor por efeco Joule: emperaura de equilibrio. Sabiendo que 1 Julio equivale a 0,4 calorías, si muliplicamos la expresión: en julios, por 0,4 obendremos: Q 0,4 expresada en calorias. Ese calor aumenará la emperaura del conducor hasa que la canidad de calor que se produzca en él sea igual a la que pierda por conducción, por convección o por radiación oencia, energía y rendimieno de un generador. En el siguiene circuio E represena la fem del generador, la ensión en bornes, la inensidad de corriene y r su resisencia inerior, la ecuación en ensiones de dicho circuio viene dada por la siguiene expresión: E 1 r r

10 En la que, siendo el valor de la resisencia exerior del circuio y el produco la caída de ensión en el inerior del generador. Si en la ecuación anerior expresada en volios se muliplican ambos miembros por se obiene la ecuación de poencia. en la que: E E oencia oal del generador, W r oencia úil del generador en bornes, W r oencia perdida por el generador, W ara obener la ecuación de energías basa con muliplicar por (seg) los miembros de la ecuación anerior, con lo que se obiene la expresión: E r Donde: E Energía producida (J). Energía uilizada (J). r Energía perdida (J).

11 El rendimieno se define como la relación enre la poencia úil y la poencia oal: E E Como E > resula que η < 1 ; eso es debido a que: Despejando enemos: Y susiuyendo su valor en la expresión del rendimieno queda: 3.4. oencia, energía y rendimieno de un recepor. Fuerza conraelcromoriz: Al igual que en un generador eníamos la fuerza elecromoriz, en un recepor vamos a ener la fuerza conraelecromoriz (f.c.e.m.), que es una fuerza que se produce en odos los bobinados. Las cargas inducivas como relés, bobinas pueden generar reboes de corriene muy grandes 1

12 En el siguiene circuio se represena un recepor cuya fcem es E conecado a la red de volios con una resisencia inerior r, y por el que circula una corriene de amperios. La ecuación de ensiones del circuio viene dada por: E' r Si se muliplican ambos miembros de la ecuación expresada en volios por el valor de la corriene se obiene la ecuación de poencias: E' r E' r oencia absorbida por el recepor de la red, a W oencia úil, W oencia perdida, W En la ecuación de energías se obendrá muliplicando la ecuación por el iempo en segundos:

13 r E ' Donde: Energía absorbida por el recepor de la red, (J). Energía úil, (J). Energía perdida (J). El rendimieno del recepor será en ese caso: Como la ensión en bornes del recepor es mayor que la fcem, el rendimieno será igualmene menos que la unidad. E' r r r E 1 '

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