1 La electricidad. Generalidades

Transcripción

1 1 Autor: Manuel Roldán Álvarez

2 Índice 1. La electricidad, generalidades Producción y consumo de electricidad Efectos de la electricidad La electricidad Electricidad estática Carga eléctrica Movimiento de los electrones El circuito eléctrico Sentido de los electrones en un circuito (funcionamiento del circuito) Formas más importantes de producir electricidad Intensidad y medida de la intensidad Sentido real de la corriente Medida de la intensidad Corriente continúa Corriente alterna C.A Tensión eléctrica

3 1. La electricidad, generalidades En el escenario laboral que nos rodea observarás toda una serie de herramientas, aparatos y máquinas, que para ti en principio resultarán nuevos. Todo ello se desenvuelve alrededor de la electricidad: Cables, enchufes, motores, interruptores, etc. La electricidad es la forma de energía con más ventajas en la actualidad, produce luz con las lámparas, calor con las vitrocerámicas, frío con los frigoríficos, fuerza con los motores, etc. Trataremos de acercarte a los principios de la electricidad y a las formas de producirla a través de los contenidos. Figura 1. Herramientas básicas del electricista 3

4 Objetivos del tema Saber los procedimientos de producción, transporte y consumo de la electricidad. Conocer cuáles son las partes de un circuito eléctrico. Conocer las diferentes magnitudes eléctricas y como se miden. Adquirir el concepto de corriente continua (c.c.) y corriente alterna (c.a.). Saber utilizar el voltímetro y el amperímetro. 4

5 1.1. Producción y consumo de electricidad Dada la facilidad con que se transporta la electricidad por medio de las líneas eléctricas, la ventaja fundamental que conseguimos es que producimos energía eléctrica en zonas por donde tenemos energías primarias (hidráulica térmica, nuclear...), para luego consumirla en ciudades, empresas... Sabías que...? La electricidad se produce principalmente en las centrales eléctricas. Su misión consiste en transformar cualquier forma de energía primaria en energía eléctrica. Figura 2. Producción, transporte y distribución de la energía eléctrica El generador eléctrico, que se utiliza habitualmente en una central eléctrica, se basa en un fenómeno que fue descubierto en 1820 por Faradey. En un generador eléctrico se hacen mover bobinas en sentido giratorio en las proximidades de campos magnéticos producido por imanes. 5

6 Actualmente los generadores eléctricos son alternadores trifásicos, es decir generan corriente alterna trifásica, su transporte hasta las ciudades se realiza a través de líneas eléctricas, el generador produce una tensión de unos voltios y un transformador elevador se encarga de elevar dicha tensión hasta los o voltios pasando a las líneas eléctricas hasta las proximidades de los centros de consumo, pasando a transformadores reductores de tensión que proporcionan una tensión de 3000 a voltios y se lleva a cavo la última reducción de 230 a 400 voltios ( baja tensión) para viviendas y pequeña industria. Sabías que...? El científico Faraday descubrió que. (Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético (imán) aparece una corriente eléctrica por dicho conductor. Lo mismo ocurre si se mueve el imán y se deja fijo el conductor ). 6

7 1.2. Efectos de la electricidad Los efectos fundamentales de la electricidad son: Efecto térmico: al pasar la corriente eléctrica por materiales resistivos se produce calor, por lo que gracias a este efecto podemos tener aparatos como vitrocerámicas, termos de agua, planchas, etc. Efecto luminoso: al pasar la corriente por las lámparas emiten luz. Efecto magnético: al conectar una bobina a un circuito eléctrico, se produce un campo magnético que origina un efecto de atracción, que si se aprovecha se pueden construir motores. Actividad de investigación. 1.1 Consulta en internet, los temas tratados en esta página e intenta contrastar y ampliar información primero sobre los experimentos de Faradey y después sobre el generador, alternador trifásico moderno. Actividad de investigación 1.2 Mira a tu alrededor, en casa, en el trabajo... y clasifica los elementos eléctricos según su efecto. 7

8 1.3. La electricidad La electricidad es una manifestación física que se dan en los átomos. El átomo es muy pequeño, más o menos como si un milímetro lo partiésemos en de partes y este átomo a su vez está compuesto por el núcleo formado por protones y neutrones, y alrededor del núcleo giran los electrones. Actividad experimental 1.1 Coge un papel y rómpelo en partes muy pequeñas, después con un bolígrafo de plástico frótalo enérgicamente sobre tú pantalón y acércalo a los pedacitos de papel que serán atraídos y se quedara " pegados", eso es debido a las cargas eléctricas, que antes no existían. 8

9 Si fuese posible situar un electrón frente a un protón se atraerían y si enfrentamos a dos protones a dos electrones éstos se repelen. El protón tiene carga positiva. El electrón tiene carga negativa. Átomo con carga neutra: cuando un átomo tiene el mismo número de protones y de electrones permanece eléctricamente neutro, ejemplo: si un átomo tiene 4 protones y 4 electrones, 4 positivos y 4 negativos es igual a 0. Figura 5. 9

10 Átomo con carga positiva: si por medio de una fuerza (ejemplo frotación) logramos arrancar algún electrón tendríamos más cargas positivas que negativas y por lo tanto sería de carga positiva, tendrá 3 electrones y 4 protones, 3 negativos y 4 positivos, es igual a 1 positivo. Figura 6. 10

11 Átomo con carga negativa: si por el contrario conseguimos poner un algún electrón este exceso de electrones produce una carga negativa 4 protones y 5 electrones sería 4 positivo y 5 negativo igual a 1 negativo. Figura 7. Átomo con carga negativa Electricidad estática Al rozar o frotar algunos materiales aislantes, éstos pierden o ganan electrones, quedándose en ese objeto (electricidad estática) hasta que no es tocado por otro objeto, este fenómeno lo observaras en los carritos del supermercado, en los coches,... elementos que con el movimiento producen electrones que no se transfieren hasta que alguien los toca, produciendo pequeñas descargas. 11

12 1.5. Carga eléctrica La carga eléctrica de un cuerpo es el exceso o defecto de electrones que éste posee: Si tiene exceso de electrones tiene carga negativa. Si tiene exceso de protones tiene carga positiva. La unidad de carga eléctrica Q es el culombio 1 culombio Q = 6,3 x electrones. de Actividades 1.1 Qué carga tendrá un bolígrafo de plástico?, si al frotarlo tiene un exceso de electrones de 18,9 * (Solución al final del tema) Movimiento de los electrones Si cargamos eléctricamente por frotamiento una bola de vidrio y otra de ebonita, y las disponemos como en la figura inferior. Entre ambas aparece una diferencia de cargas, una tensión eléctrica. Figura 8. Diferencia de cargas. Tensión eléctrica (voltios). Protón Electrón 12

13 Si uniésemos mediante un conductor las dos bolas, los electrones en exceso de la bola de ebonita serían atraídos por la carga positiva de la bola de vidrio. Como existe un camino conductor por donde se pueden desplazar los electrones de una bola a otra, aparece un movimiento de electrones hasta que la diferencia de cargas deje de existir. Figura 9.Movimiento de electrones. Corriente eléctrica. Al movimiento de electrones que se establece por el conductor eléctrico se le denomina corriente eléctrica. El sentido de la corriente lo establecen los electrones desde el negativo al positivo. A la diferencia de cargas que se establece entre los dos cuerpos cargados eléctricamente y que provoca el movimiento de electrones se le conoce como tensión El circuito eléctrico Los elementos que tiene que estar para que tengamos un circuito eléctrico básico son: Un generador, que genera una diferencia de carga entre sus polos. Un conductor, que permite que se muevan los electrones de una parte a otra del circuito. Un receptor o aparato eléctrico, que aprovecha la fuerza de los electrones para que funcione dicho aparato. 13

14 Actividad de investigación 1.3 Busca en internet, una simulación de funcionamiento de un circuito para después realizar un resumen Sentido de los electrones en un circuito (funcionamiento del circuito) El generador separa las cargas en su interior, gracias a la fuerza electromotriz toma electrones de una placa y los deposita en la otra, la placa donde son arrancado los electrones queda cargada positivamente y donde se depositan se carga negativamente (exceso de electrones), formándose el polo positivo y el negativo del generador. Entre dichos polos tenemos una diferencia de cargas o tensión eléctrica, que hace que los electrones sean atraídos por el polo positivo. El único camino posible por donde pueden fluir los electrones desde el negativo al positivo es el conductor atravesando el receptor hasta llegar al polo positivo. La fuerza electromotriz del generador se encarga de seguir separando electrones continuamente y estos de volver a realizar el mismo viaje a través del conductor y receptor, completando lo que se denomina circuito eléctrico. Figura nº 10. Diferencia de cargas, tensión. 14

15 1.9. Formas más importantes de producir electricidad Producción de electricidad por acción de la luz. Mediante células fotovoltaicas se transforma la energía luminosa en energía eléctrica. La célula fotovoltaica se construye con materiales semiconductores que al incidirle la luz se desprende electrones provocando una diferencia de cargas entre sus caras, a las cuales si les instalamos un circuito eléctrico podemos aprovechar el movimiento de electrones. Actividad de investigación 1.4 Busca en internet simulación de funcionamiento de célula fotovoltaica para después realizar un pequeño resumen de su funcionamiento. Producción de electricidad por acción magnética. Se basa en el principio de Faraday, 15

16 Es la forma con la que se produce la energía en las grandes centrales eléctricas, mediante los alternadores trifásicos. Generadores. Cuando se mueve un conductor en el seno de un campo magnético aparece una corriente eléctrica que es lo mismo si el conductor se queda fijo y es el rotor el que se mueve con un gran imán que desplaza a los electrones Intensidad y medida de la intensidad La intensidad de la corriente eléctrica es la cantidad de electricidad (electrones) en la unidad de tiempo. La unidad de medida de la intensidad (símbolo I) es el Amperio A. De esta manera, cuando en un circuito se mueven un culombio (6,3 * 10 elevado a la 18) en el tiempo de 1 segundo se dice que la corriente tiene una intensidad de 1 A (amperio). I= Q / t I = intensidad Q = carga t = tiempo Actividad 1.2 Determinar la intensidad de corriente que se establece en un conductor si por él ha pasado una carga de 6 culombios en 3 segundos. (Solución al final del tema). 16

17 1.11. Sentido real de la corriente En un circuito, el sentido de la corriente lo determina el movimiento de electrones, que van desde el polo negativo al positivo. Del negativo al positivo Medida de la intensidad Para medir la intensidad de la corriente eléctrica utilizamos un aparato de medida llamado amperímetro. Para medir el caudal de agua en una tubería intercalamos un contador, de la misma manera para medir la cantidad de electrones que se mueven en un circuito (I intensidad) tenemos que intercalar el amperímetro. A esta forma de intercalar el amperímetro se le llama en serie. 17

18 Figura 11. Amperímetro Corriente continúa La corriente continua es la que proporcionan las pilas y las baterías, los paneles fotovoltaicos, etc... su símbolo de representación es - y se caracteriza porque todos sus electrones se mueven en el mismo sentido con una intensidad constante. Generador de corriente continua, ejemplo: una pila mantiene invariable la polaridad de sus terminales, es decir el + el - están siempre en el mismo sitio. 18

19 En el gráfico se representa la corriente continua C.C. con un valor de 1A. Observa en el gráfico inferior que este valor se mantiene invariable con el paso del tiempo, es decir que el amperímetro intercalado medirá 1 amperio en el primer segundo, 1 amperio en el segundo siguiente y así sucesivamente. La forma de representar gráficamente un circuito de corriente continua es con una línea roja o positivo y una negra o negativo. Y después a la tensión que funciona el circuito, ejemplo 12v- 24v- etc Corriente alterna C.A. La corriente alterna es la que producen los alternadores (generadores trifásicos) en las centrales eléctricas. Es la forma más común de llevar la energía de un lugar a otro. Una corriente alterna se caracteriza por que el flujo de electrones se mueve por el circuito en un sentido y en otro, y además el flujo (cantidad de electrones) de la corriente es variable. 19

20 Observa el gráfico de la figura posterior, representa la c.a. el eje de tiempos lo ponemos en milisegundos, la corriente circula en un sentido 10 milisegundos y el sentido contrario los siguientes 10 milisegundos este proceso se repite mientras funcione el generador. Explicaré esto de una forma más sencilla, cuando el rotor, que es la parte interior del generador, que es la que gira y que está compuesto por un gran imán, el campo magnético que genera el imán pasa por la fase que desprende electrones y los lanza, ya que es su polo negativo y los electrones son repelidos, cuando pasa la otra mitad del imán (polo positivo) este al ser de signo contrario los atrae. Si estos electrones atraviesan una lámpara la encendería tanto en un sentido como en otro, pero no vemos la lámpara apagarse y encenderse porque es muy rápido, a razón de 3000r.p.m revoluciones por minuto, o lo que es lo mismo a 50 veces por segundo, esta cifra de 50 veces por segundo es siempre fija y se denomina frecuencia que se mide en Hertzios Hz, la frecuencia con la que funcionan las máquinas en Europa es de 50Hz. y en América 60 Hrz. 20

21 Sentido de la corriente 50 veces en 1 segundo 50Hz Figura 12. Eje de tiempos de corriente alterna. 21

22 1.15. Tensión eléctrica Ya hemos visto en varias ocasiones (dada la importancia que tiene) el funcionamiento del generador que es el encargado de crear diferencia de cargas. Para crearlas tiene que arrancar electrones del polo positivo y depositarlos en el polo negativo. Para realizar esta tarea necesita de energía. A la fuerza necesaria para trasladar los electrones desde el polo positivo al negativo se le llama fuerza electromotriz f.e.m., es esta energía la que permite la circulación de electrones. A esta diferencia de cargas que se crea en el generador se le llama tensión (símbolo U) i se mide en voltios (v.). En el dibujo posterior vamos a hacer un comparación entre un generador hidráulico y uno eléctrico. Comparativa entre circuito hidráulico y circuito eléctrico Circuito hidráulico. La bomba de agua eleva el agua del depósito A hasta el B. Circuito eléctrico. El generador arranca los electrones de la placa positiva y los deposita en la negativa lo que crea una tensión. Circuito hidráulico. El depósito B al estar más alto que el A, adquiere una energía y al descender hacia A mueve el motor hidráulico. 22

23 Circuito eléctrico. El defecto de cargas negativas del polo positivo atrae con fuerza a los electrones del polo negativo a través del circuito produciéndose un movimiento de electrones o corriente eléctrica que la hace lucir. Figura 13. Comparativa entre circuito hidráulico y circuito eléctrico Medida de la tensión Para que podamos medir la tensión es necesario un aparato (polímetro) que sea capaz de captar la diferencia de cargas entre un punto y otro, es decir cuando ponemos las puntas del polímetro sobre por ejemplo, un enchufe nos dirá cuanto en exceso de electrones tenemos de un polo a otro, en este caso la diferencia de cargas es de 220v. 23

24 Esta forma de conectar el polímetro para que mida tensión es en paralelo. (En capítulos posteriores veremos detenidamente el manejo del polímetro). Ampliación de conocimientos: 1.1 Puedes ver si lo deseas la película Frankestein de Mary Shelley donde se recrean muy fielmente todos los aparatos eléctricos en sus comienzos. Año Director Kenneth Branagh 24

25 Solución actividad 1.1 Q =18,9 x / 6,3 x Q =3 colombios Q igual a 3 culombios de carga negativa, es negativa por que el exceso es de electrones que tienen son de carga negativa. Solución actividad 1.2 Intensidad = carga / tiempo = Amperios I = Q/t 6C / 3s = 2A 25