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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA MECNICA
ELCTRICA INGENIERA ELECTRICA 2
Catedrtico: Ing. Otto Andrino PhD
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CONCEPTOS BSICOS
En esta seccin obtendrs informacin elemental y principios bsicos
relacionados con la electricidad. La energa, los circuitos
elctricos, el magnetismo y el funcionamiento de los generadores
elctricos son algunos de los temas que se tratan y que dotan de los
conocimientos necesarios para comprender con total claridad el
resto de contenidos presentes en este documento.
La energa
1. Concepto de energa
El hombre, desde su existencia, ha necesitado la energa para
sobrevivir. Pero qu es? Por qu tiene tanta importancia la energa?
Por qu es importante el ahorro energtico?
La energa es la capacidad de los cuerpos para realizar un
trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. Es
decir, la energa es la capacidad de hacer funcionar
las cosas.
La unidad de medida que utilizamos para cuantificar la energa es
el Joule (J).
2. Tipos de energa
La energa se manifiesta de diferentes maneras, recibiendo as
diferentes denominaciones
segn las acciones y los cambios que puede provocar.
Encontramos los siguientes tipos de energa:
Energa mecnica
La energa mecnica relacionada con la posicin y el movimiento del
cuerpo, y que se divide
en estas dos formas:
Energa cintica, que se manifiesta cuando los cuerpos se mueven.
Es decir, es la
energa asociada a la velocidad de cada cuerpo. Se calcula con la
frmula:
o E c= m v 2 o Donde m es la masa (Kg), v la velocidad (m/s) y E
c la energa cintica
(J=Kgm 2 /s 2 )
Energa potencial, que hace referencia a la posicin que ocupa una
masa en el
espacio. Su frmula es:
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o E p= m g h o Donde m es la masa (Kg), g la gravedad de la
Tierra (9,81 m/s 2 ), h= la
altura (m) y E p la energa potencial (J=Kgm 2 /s 2 ).
La energa mecnica es la suma de la energa cintica y la energa
potencial de un
cuerpo. Su frmula es:
E m = E p + E c
Donde E m es la energa mecnica (J), E p la energa potencial (J)
y E c la energa
cintica (J).
Energa interna
La energa interna se manifiesta a partir de la temperatura.
Cuanto ms caliente est un
cuerpo, ms energa tendr.
Energa elctrica
La energa elctrica est relacionada con la corriente elctrica. Es
decir, en un circuito en el
que cada extremo tiene una diferencia de potencial
diferente.
Energa trmica
Se asocia con la cantidad de energa que pasa de un cuerpo
caliente a otro ms fro
manifestndose mediante el calor.
Energa electromagntica
Esta energa se atribuye a la presencia de un campo
electromagntico.
Las radiaciones que provoca el Sol son un ejemplo de ondas
electromagnticas que se
manifiestan en forma de luz, radiacin infrarroja u ondas de
radio.
Energa qumica
La energa qumica se manifiesta en determinadas reacciones
qumicas.
La energa nuclear
sta se produce cuando los ncleos de los tomos se rompen (fisin)
o se unen (fusin).
3. Propiedades de la energa
La energa tiene 4 propiedades bsicas:
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Se transforma. La energa no se crea, sino que se transforma,
siendo durante esta
transformacin cuando se ponen de manifiesto las diferentes
formas de energa.
Se conserva. Al final de cualquier proceso de transformacin
energtica nunca puede
haber ms o menos energa que la que haba al principio, siempre se
mantiene. La
energa no se destruye.
Se transfiere. La energa pasa de un cuerpo a otro en forma de
calor, ondas o trabajo.
Se degrada. Solo una parte de la energa transformada es capaz de
producir trabajo
y la otra se pierde en forma de calor o ruido (vibraciones
mecnicas no deseadas).
4. Transferencia de energa
Hay tres formas de transferir energa de un cuerpo a otro:
Trabajo
Cuando se realiza un trabajo se pasa energa a un cuerpo que
cambia de una posicin a
otra.
Por ejemplo, si en casa desplazamos una caja, estamos realizando
un trabajo para que su
posicin vare.
Ondas
Las ondas son la propagacin de perturbaciones de ciertas
caractersticas, como el campo
elctrico, el magnetismo o la presin, y que se propagan a travs
del espacio transmitiendo
energa.
Calor
Es un tipo de energa que se manifiesta cuando se transfiere
energa de un cuerpo caliente
a otro cuerpo ms fro. Sin embargo, no siempre viaja de la misma
manera, existiendo tres
formas diferentes de transferencia energtica:
Conduccin: cuando se calienta un extremo de un material, sus
partculas vibran y
chocan con las partculas vecinas, transmitindoles parte de su
energa.
Radiacin: el calor se propaga a travs de ondas de radiacin
infrarroja (ondas
que se propagan a travs del vaco y a la velocidad de la
luz).
Conveccin: que es propia de fluidos (lquidos o gaseosos) en
movimiento.
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La naturaleza elctrica de la materia
1. La estructura de la materia
La materia es todo aquello que tiene masa y que, por lo tanto,
ocupa un volumen.
Desde hace muchos aos, una de las grandes preocupaciones de los
cientficos ha sido poder
conocer la constitucin de la materia para poder llegar a
predecir su comportamiento.
Los avances experimentales y tericos del siglo XX han permitido
conocer mejor la
estructura interna de la materia. Ahora sabemos que toda materia
est formada por un
conjunto de tomos que, a su vez, estn constituidos por las
llamadas partculas
subatmicas: los electrones, los protones y los neutrones
(principalmente).
En los tomos que forman la materia se pueden distinguir dos
partes:
El ncleo, que es la parte central del tomo y que ocupa una parte
muy pequea. En
su interior se encuentran los protones y los neutrones, entre
otras partculas
subtomicas.
La corteza, que es la parte exterior del tomo y ocupa la mayor
parte de su volumen.
Esta parte est formada por un nico tipo de partculas subatmicas,
los electrones
que se mueven a una gran velocidad alrededor del ncleo,
describiendo unas
trayectorias elpticas llamadas rbitas.
Estructura de la materia
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2. La carga elctrica
Los protones (partculas que forman parte del ncleo del tomo) y
electrones (que rodean el
ncleo del tomo) crean fuerzas de atraccin y de repulsin debido a
que estas partculas
atmicas tienen una carga elctrica.
Se puede establecer una ley muy sencilla en relacin a las
fuerzas de atraccin y repulsin
entre partculas: las cargas de diferente smbolo se atraen y las
del mismo signo se
repelen.
La carga de un protn es la misma que la de un electrn, con la
diferencia de que la carga
de protones es positiva y la de los electrones negativa.
En cambio, los neutrones no tienen carga elctrica, ni positiva
ni negativa. Por lo tanto los
neutrones no son atrados ni repelidos por los protones ni los
electrones.
La carga elctrica es una propiedad general de la materia que se
puede medir, cuya unidad es
el Coulomb (C).
La masa y la carga elctrica de las principales partculas
subatmicas son:
Masa (Kg) Carga (C)
Protn (p) 1,6725 10-27 1,6 10 -19
Neutrn (n) 1,6748 10-27 -
Electrn (e) 9,1095 10-31 1,6 10 -19
3. El campo elctrico
El campo elctrico es el espacio alredededor de una carga
elctrica. En l se manifiestan las
fuerzas de atraccin o de repulsin sobre otras cargas elctricas
situadas en este espacio.
4. Prdida o ganancia de electrones
En relacin a la naturaleza elctrica del tomo, hay que destacar
que la carga elctrica de
un tomo es nula porque tiene el mismo nmero de protones que de
electrones, teniendo as
la misma cantidad de cargas positivas que negativas.
Hay, sin embargo, excepciones que hay que tener en cuenta:
En algunas situaciones los tomos pueden perder o ganar
electrones y quedar
cargados elctricamente. Estos tomos se llaman iones.
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Cuando un tomo pierde uno o diversos electrones queda cargado
positivamente y
recibe el nombre de catin.
De forma contraria, cuando un tomo gana uno o varios electrones
queda cargado
negativamente, recibiendo el nombre de anin.
5. De dnde viene la electricidad?
La energa elctrica o electricidad es un fenmeno fsico que se
origina a raz de las cargas
elctricas y de la interaccin entre ellas. As, son los electrones
y los protones las dos
partculas subatmicas principales que pueden originar la aparicin
de energa elctrica.
La electricidad se puede originar o transmitir provocando el
movimiento de cargas
elctricas de un punto a otro.
Esta situacion es muy comn ya en la propia Naturaleza, dado que
la energa elctrica se
manifiesta de diversas formas, transformndose en otros tipos de
energa. Ejemplos de este
fenmeno son las tormentas elctricas o el sistema nervioso de los
seres vivos.
En el siguiente enlace puedes conocer una serie de magnitudes
elctricas que ayudan a definir
las caractersticas de la electricidad.
La rama que estudia la interaccin de las cargas elctricas cuando
estas estn en reposo se
denomina electrosttica.
6. Materiales conductores y materiales aislantes
Las cargas elctricas se pueden mover a travs de los materiales,
per no se mueven de la
misma manera en todos ellos. A la propiedad que indica la
facilidad con que las cargas se
mueven a a travs de un material especfico se la denomina
conductividad.
Segn su conductividad, podemos dividir todos los materiales en
dos grandes grupos:
Materiales conductores. Son los que tienen una estructura atmica
que favorece que
las cargas elctricas se puedan mover con facilidad por su
interior. En general, todos
los metales son buenos conductores.
Materiales aislantes, son los que tienen los electrones muy
ligados al tomo al que
pertenecen, de manera que no se pueden mover con facilidad.
Algunos ejemplos
aislantes son la madera, la resina o el cristal.
Deseas saber ms sobre la conductividad elctrica? Tienes un juego
a tu disposicin.
7. La corriente elctrica
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La corriente elctrica es el movimiento de los electrones por un
conductor. Este
movimiento de cargas elctricas se puede comparar con el agua del
ro, y de la misma manera
que podemos medir el caudal de un ro en un punto podemos medir
la intensidad de la
corriente elctrica.
Para que el movimiento de electrones se produzca hace falta que
entre los extremos del
conductor haya una diferencia de potencial , que tambin se llama
tensin o voltaje.
8. Tipos de corriente elctrica
El movimiento de electrones (cargas negativas) del generador se
produce desde su polo
positivo (lugar de salida de los electrones) hasta su polo
negativo (lugar donde vuelven los
electrones). Cuando dicho flujo es al revs (de polo negativo a
positivo), se considera que la
corriente es negativa. Asi, y dependiendo del sentido del
movimiento de dichos electrones,
se puede clasificar la corriente elctrica en:
Corriente continua , que se caracteriza porque los electrones se
mueven en un solo
sentido por el hilo conductor. Ejemplos de generadores de
corriente continua son las
pilas o las dinamos.
Corriente alterna, cuya caracterstica principal es que los polos
del generador
cambian de negativo a positivo en el mismo periodo, provocando
que el flujo de
electrones no mantengan el mismo sentido. La generacion de este
tipo de corriente
la realizan los alternadores.
Los circuitos elctricos
1. Elementos de un circuito elctrico
Se denomina circuito elctrico al conjunto de elementos elctricos
conectados entre s que
permiten generar,transportar y utilizar la energa elctrica con
la finalidad de transformarla
en otro tipo de energa como, por ejemplo, energa calorfica
(estufa), energa lumnica
(bombilla) o energa mecnica (motor). Los elementos utilizados
para conseguirlo son los
siguientes:
Generador. Parte del circuito donde se produce la electricidad,
manteniendo una
diferencia de tensin entre sus extremos.
Conductor. Hilo por donde circulan los electrones impulsados por
el generador.
Resistencias. Elementos del circuito que se oponen al paso de
la
corriente elctrica .
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Interruptor. Elemento que permite abrir o cerrar el paso de la
corriente elctrica.
Si el interruptor est abierto no circulan los electrones, y si
est cerrado permite su
paso.
2. Resistencias de los conductores elctricos
La resistencia es la oposicin que encuentra la corriente
elctrica para pasar por los
materiales y esta depende de tres factores:
El tipo de material. Cada material presenta una resistencia
diferente y unas
caractersticas propias, habiendo materiales ms conductores que
otros. A esta
resistencia se le llama resistividad [] y tiene un valor
constante. Se mide [m]. La longitud. Cuanto mayor es la longitud
del conductor, ms resistencia ofrece. Se
mide en metros [m].
La seccin. Cuanto ms grande es la seccin, menos resistencia
ofrece el conductor.
Por lo tanto, presenta ms resistencia un hilo conductor delgado
que uno de grueso.
Se mide en [m 2].
La resistencia de un conductor se cuantifica en ohmios (), y se
puede calcular mediante frmula:
R = l / s
3. Interpretacin del cdigo de colores de una resistencia
Las resistencias comerciales (las que se acostumbran a usar para
hacer prcticas de circuitos
elctricos) tienen 4 anillos pintados que sirven para identificar
su valor.
El primer anillo corresponde a la primera cifra, el segundo
anillo a la segunda cifra, el tercer
anillo al nmero de ceros y el cuarto anillo al lmite de
tolerancia de la resistencia.
El cdigo de colores de las resistencias es el siguiente:
Resistencia ()
Color 1 a Cifra 2 a Cifra 3 a Cifra 4 a Cifra
ninguno - - - 20%
Plata - - 10 -2 10%
Oro - - 10 -1 5%
Negro - 0 10 0
Marrn 1 1 10 1
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Rojo 2 2 10 2
Naranja 3 3 10 3
Amarillo 4 4 10 4
Verde 5 5 10 5
Azul 6 6 10 6
Lila 7 7 10 7
Gris 8 8 10 8
Blanco 9 9 10 9
4. Asociacin de resistencias
Las resistencias (y otros elementos del circuito)pueden
conectarse de dos formas diferentes:
Asociacin en serie. Los elementos asociados se colocan uno a
continuacin del
otro. La corriente elctrica tiene un nico camino por recorrer,
habiendo as la misma
intensidad en todo el circuito.
Por ejemplo, en caso de tener cuatro resistencias conectadas en
serie, la resistencia
equivalente se puede calcular como:
R eq = R1 + R2 + R3 + R4
Asociacin en paralelo. Se crean derivaciones en el circuito. La
corriente elctrica
que sale del generador tiene distintos caminos por recorrer.
Por ejemplo, en caso de tener cuatro resistencias asociadas en
paralelo, la resistencia
equivalente del circuito se calcula como:
1/R eq = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4
Para entender y poner en prctica, dispones de un juego
interactivo sobre la asociacin de
resistencias.
Todos los componentes de un circuito elctrico son representados
graficamente mediante
smbolos elementales aceptados por normas internacionales. Los
esquemas de los circuitos
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elctricos son dibujos simplificados que se utilizan para ver de
forma clara y rpida como
estn conectados los circuitos.
6. La Ley de Ohm
Son varias las leyes que han estudiado los circuitos elctricos.
Entre ellas destaca la del ao
1827 cuando, de forma experimental, Georg Simon Ohm encontr la
relacin que se poda
expresar de forma matemtica entre las tres magnitudes ms
importantes de un circuito
elctrico: diferencia de potencial, intensidad de corriente y
resistencia.
La ley de Ohm es la ley fundamental de la corriente elctrica que
dice:
"En un circuito elctrico, la intensidad de la corriente que lo
recorres directamente
proporcional a la tensin aplicada e inversamente proporcional a
la resistencia que este
presenta".
Y se expresa de la siguiente manera:
V=R I
En el siguiente juego interactivo puedes entender de una manera
ms grfica la ley de Ohm.
7. La Ley de Joule
Cuando por un conductor circula corriente elctrica, este se
calienta y produce calor. Esto es
debido a que parte del trabajo que se realiza para mover las
cargas elctricas entre dos puntos
de un conductor se pierde en forma de calor.
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El ao 1845, James Prescott Joule fue capaz de encontrar la ley
que permite calcular este
efecto, viendo que este trabajo disipado en forma de calor
es:
Proporcional al tiempo durante el que pasa la corriente
elctrica.
Proporcional al cuadrado de la intensidad que circula.
Proporcional a la resistencia del conductor.
Se expresa de la siguiente manera:
W = R I 2 t
El efecto Joule limita la corriente elctrica que pueden
transportar los cables de las
conducciones elctricas. Este lmite asegura que la temperatura
que pueden conseguir los
cables no pueda producir un incendio. Una manera de asegurar que
no supere el lmite es
utilizando un fusible: un dispositivo formado por un hilo de
metal que va conectado en serie
al circuito general de la instalacin elctrica.
Magnetismo
El magnetismo es un fenmeno fsico por el que los objetos ejercen
fuerzas de atraccin o
repulsin sobre otros materiales. Hay materiales que presentan
propiedades magnticas
detectables fcilmente, como el nquel, el hierro o el cobalto,
que pueden llegar a convertirse
en un imn.
Existe un mineral llamado magnetita que es conocido como el nico
imn natural. De hecho
de este mineral proviene el trmino de magnetismo.
Sin embargo, todos los materiales son influidos, de mayor o
menor forma, por la presencia
de un campo magntico.
Historia del magnetismo: sus orgenes
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La magnetita es un mineral ferromagntico, formado principalmente
por xido ferroso
frrico
Los fenmenos magnticos fueron conocidos por primera vez por los
antiguos griegos, a
travs de una mineral llamado magnetita (de ah surge el trmino
magnetismo). Se dice que
se pudo observar por primera vez en la ciudad de Magnesia, en
Asia
Menor. Originariamente se pens que la magnetita se podra
utilizar para mantener la piel
joven. De hecho, Cleopatra dorma con una magnetita en la frente
para retrasar el proceso de
envejecimiento.
Esta reputacin teraputica de la magnetita se transmiti tambin a
los griegos, los cuales la
usaban para la curacin de dolencias. En el siglo III a.C.,
Aristteles escribi acerca de las
propiedades curativas de los imanes naturales, que llamaba
"imanes blancos".
Posteriormente las aplicaciones basadas en el magnetismo fueron
desarrollndose. Por el
siglo 12 d.C., los marineros chinos ya utilizaban magnetitas
como brjulas para la navegacin
martima.
Para qu sirven los imanes?
Un gran nmero de mdicos y sanadores utilizaron los imanes para
curar diferentes
problemas mdicos a lo largo de la historia. Hoy en da la ciencia
mdica utiliza el
magnetismo ms que nunca, por ejemplo:
La magnetoencefalografa (MEG) se utiliza para medir la actividad
cerebral.
La terapia de choque para volver a iniciar corazones.
El uso de imanes en aplicaciones industriales y mecnicas tambin
es muy comn. Los
imanes son la fuerza motriz bsica para todos los motores
elctricos y generadores elctricos.
Los imanes
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Qu es un imn?
Los imanes son los materiales que presentan las propiedades del
magnetismo. Hay que
destacar que estos pueden ser naturales o artificiales. El ms
comn de los imanes naturales
e sun mineral llamado magnetita.
Los imanes pueden ser permanentes o temporales, segn el material
con el que se fabriquen
y segn la intensidad de campo magntico al que le sometan.
Imn artificial temporal (a) y permanente (b)
Partes de un imn: los polos magnticos
Cualquier imn presenta dos zonas donde las acciones se
manifiestan con mayor fuerza.
Estas zonas estn situadas en los extremos del imn y son los
denominados polos
magnticos: Norte y Sur.
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Detalle sobre las zonas de accin de mayor fuerza magntica
Efecto repulsin y atraccin en un imn
Una de las propiedades fundamentales de la interaccin entre
imanes es que los polos iguales
se repelen, mientras que los polos opuestos se atraen.
El efecto de atraccin y repulsin tiene que ver con las lneas de
campo magnticas. Las
lneas de campo magnticas exteriores suelen ir del polo Norte al
polo Sur. Por lo tanto,
cuando se acercan dos polos opuestos, estas lneas tienen a
saltar de un polo a otro: tienden
a pegarse. Y segn sea la distancia entre los dos imanes esta
atraccin ser mayor o menor.
En cambio, cuando se acercan dos polos iguales, estas lneas de
campos no tienden a saltar
de un polo a otro, si no que se empiezan a comprimir hacia su
propio polo. Cuando esta
compresin es mxima, las lneas de campo tienden a expandirse, lo
que provoca que los
polos iguales de dos imanes no puedan acercarse y se
repelan.
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Efecto de un imn al ser dividido en varias partes
Otra caracterstica de los imanes es que los polos no se pueden
separar. Si un imn se rompe
en dos partes no se obtienen un polo norte y un polo sur sino
que se obtienen dos imanes,
cada uno de ellos con un polo norte y un polo sur.
Si tenemos un imn supendido por un hilo colocado en su centro de
gravedad, observamos
que siempre queda orientado hacia una misma direccin. Uno de los
polos se orienta hacia el
norte y otro hacia el sur, pues los polos del imn se alinean
segn los polos magnticos de
la Tierra, que acta como imn natural.
Sentido de los polos magnticos de la tierra
El campo magntico, flujo magntico e intensidad de
campo magntico
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El campo magntico es la agitacin que produce un imn a la regin
que lo envuelve.
Es decir, el espacio que envuelve el imn en donde son
apreciables sus efectos magnticos,
aunque sea imperceptible para nuestros sentidos.
Para poder representar un campo magntico utilizamos las llamadas
lneas de campo. Estas
lneas son cerradas: parten (por convenio) del polo Norte al polo
Sur, por el exterior del imn.
Sin embargo por el interior circulan a la inversa, de polo Sur a
polo Norte.
Las lneas de campo no se cruzan, y se van separando, unas de las
otras, en alejarse del imn
tangencialmente a la direccin del campo en cada punto.
El recorrido de las lneas de fuerza recibe el nombre de circuito
magntico, y el nmero de
lneas de fuerza existentes en un circuito magntico se le conoce
como flujo magntico.
Estas lneas nos dan una idea de:
Direccin que tendr el campo magntico. Las lneas de campo van
desde el polo
sur al polo norte en el interior del imn y desde el polo norte
hasta el polo sur por el
exterior.
La intensidad del campo magntico,tambin conocida como intensidad
de campo
magntico, es inversamente proporcional al espacio entre las
lneas (a menos espacio
ms intensidad).
En un campo magntico uniforme, la densidad de flujo de campo
magntico que atraviesa
una superficie plana y perpendicular a las lneas de fuerza
valdr:
Donde la letra griega phi es el flujo magntico y su unidad es el
Weber (Wb).
En el caso de que la superficie atravesada por el flujo magntico
no sea perpendicular a la
direccin de este tendremos que:
Donde alfa es el angulo que forma B con el vector perpendicular
a la superficie.
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Detalle de un imn con la direccin de las lneas de campo
Las propiedades magnticas de la materia
Las lneas de campo magntico atraviesan todas las sustancias. No
se conoce ninguna
sustancia que impida la penetracin del campo magntico, pero no
todas las sustancias se
comportan de la misma manera.
Segn su comportamiento, los materiales se pueden clasificar de
la siguiente manera:
Materiales ferromagnticos
Cuando a un material ferromagntico se le somete a un campo
magntico este se
magnetiza: se consigue un imn artificial. Este fenmeno se conoce
como imantacin. Una
vez se aleja el imn del material magntico y segn la intensidad
de campo magntico
aplicada, este puede quedarse imantado permanentemente o
mantener sus propiedades
magnticas durante un periodo determinado de tiempo (imn
temporal).
El ferromagnetismo est presente en el cobalto, el hierro puro,
en el nquel y en todas las
aleaciones de estos tres materiales.
Materiales paramagnticos
Los materiales paramagnticos son aquellas sustancias, como el
magnesio, el aluminio, el
estao o el hidrgeno, que al ser colocados dentro de un campo
magntico se convierten en
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imanes y se orientan en la direccin del campo. En cesar el campo
magntico desaparece el
magnetismo inmediatamente y, por tanto, dejan de actuar como
imanes.
Materiales diamagnticos
Los materiales diamagnticos son aquellas sustancias, como el
cobre, el sodio, el
hidrgeno, o el nitrgeno, que en ser colocadas dentro de un campo
magntico, se magnetizan
en sentido contrario al campo aplicado.
La permeabilidad relativa
El hecho de que los materiales ferromagnticos, se queden
imantados permanentemente, y
que tengan la propiedad de atraer y de ser atrados con ms
intensidad que los paramagnticos
o diamagnticos, es debido a su permeabilidad relativa.
Le permeabilidad relativa es el resultado del producto entre la
permeabilidad
magntica y la permeabilidad de vaco (constante magntica).
La permeabilidad del vaco es una constante magntica cuyo valor
es:
Para los materiales ferromagnticos esta permeabilidad relativa
tiene que ser muy superior a
1, para los paramagnticos es aproximadamente 1, y para los
diamagnticos es inferior a 1.
Histresis magntica
El estudio de la histresis tiene gran importancia en los
materiales magnticos ya que
produce prdidas. Las prdidas por histresis representan una
prdida de energa que se
manifiesta en forma de calor en los ncleos magnticos. El calor
as generado reduce el
rendimiento de los dispositivos con circuitos magnticos como
transformadores, motores
y/o generadores.
La histresis es el fenmeno de inercia por el cual un material
ofrece resistencia a un cambio,
ya que tiene tendencia a conservar sus propiedades. Esta
resistencia se manifiesta haciendo
que el proceso de variacin sea distinto en un sentido
contrario.
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Despus de someter a una sustancia ferromagntica a la accin de un
campo magntico,
cuando este desaparece la sustancia manifiesta todava un cierto
nivel de induccin
magntica, que llamamos magnetismo remanente.
La prdida de potencia es directamente proporcional al rea de la
curva de histresis.
Curva de histresis magntica
La curva de histresis muestra la curva de magnetizacin de un
material. Sea cual sea el
material especfico, la forma siempre tiene caractersticas
similares:
Al principio, la magnetizacin requiere un mayor esfuerzo
elctrico. Este intervalo es
la llamada zona reversible.
En un determinado punto, la magnetizacin se produce de forma
proporcional. En ese
punto se inicia la denominada zona lineal.
Finalmente, se llega un instante a partir del cual, por mucha
fuerza magntica que
induzcamos al material, ya no se magnetiza ms. Este es el
llamado punto de
saturacin, que determina el inicio de la llamada zona de
saturacin.
La curva de histresis magntica se representa:
En horizontal la intensidad de campo magntico H.
En vertical representamos la induccin magntica B, que aparece en
el material que
estamos estudiando como consecuencia del campo magntico
creado.
1) En el inicio, punto O, el material no ha sido magnetizado
todava y la induccin magntica
es nula.
2) En el tramo O-Hs, se va aumentando progresivamente la
intensidad de campo magntico,
y en el material aparece una induccin cada vez mayor hasta
llegar al su punto de saturacin,
punto Hs.
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3) En el tramo entre Hs y Br, se reduce la intensidad de campo
magntico en el material. La
induccin tambin ser reduce pero en una proporcin menor que
antes.
4) En el punto Br, se ha anulado la intensidad de campo magntico
pero el material manifiesta
todava un cierto magnetismo remanente.
5) En el tramo Br-Hc, se invierte el sentido de campo magntico (
la corriente circula en
sentido contrario, a travs del material).
6) En el punto Hc, la induccin(B) es nula, se ha eliminado el
magnetismo remanente, para
ellos ha sido necesario aplicar una intensidad Hc, llamada campo
coercitivo.
7) En el tramo Hc-D, se sigue aplicando una intensidad de campo
negativa, con lo que se
consigue que la induccin aumente hasta el punto de saturacin
D.
8) En el tramo D-Hs, se completa el ciclo. La curva no vuelve a
pasar por O, a causa de la
histresis.
Las prdidas que se originan en los materiales ferromagneticos
debido a la histresis son
proporcionales al rea del ciclo. Una medida de su amplitud la da
el valor del campo
coercitivo, Hc.
Por lo tanto para construir aparatos que funcionan con corriente
alterna se eligen materiales
con un campo coercitivo lo ms pequeo posible. En cambio, si se
desean fabricar imanes
permanentes, se buscan materiales con un campo coercitivo muy
grande.
Electromagnetismo
El electromagnetismo es la parte de la electricidad que estudia
la relacin entre los
fenmenos elctricos y los fenmenos magnticos. Los fenmenos
elctricos y magnticos
fueron considerados como independientes hasta 1820, cuando su
relacin fue descubierta por
casualidad.
As, hasta esa fecha el magnetismo y la electricidad haban sido
tratados como fenmenos
distintos y eran estudiados por ciencias diferentes. Sin
embargo, esto cambi a partir del
descubrimiento que realiz Hans Chirstian Oersted , observando
que la aguja de una brjula
variaba su orientacin al pasar corriente a travs de un conductor
prximo a ella. Los estudios
de Oersted sugeran que la electricidad y el magnetismo eran
manifestaciones de un mismo
fenmeno: las fuerzas magnticas proceden de las fuerzas
originadas entre cargas
elctricas en movimiento.
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El electromagnetismo es la base de funcionamiento de todos los
motores elctricos y
generadores elctricos.
Orgenes del electromagnetismo: el experimento de
Oersted
Esta relacin entre la electricidad y el magnetismo fue
descubierta por el fsico dans Hans
Christian ersted. ste observ que si colocaba un alfiler magntico
que sealaba la
direccin norte-sur paralela a un hilo conductor rectilneo por el
cual no circula corriente
elctrica, sta no sufra ninguna alteracin.
Sin embargo en el momento en que empezaba a pasar corriente por
el conductor, el alfiler
magntico se desviaba y se orientaba hacia una direccin
perpendicular al hilo conductor.
En cambio, si dejaba de pasar corriente por el hilo conductor,
la aguja volva a su posicin
inicial.
De este experimento se deduce que al pasar a una corriente
elctrica por un hilo
conductor se crea un campo magntico.
Campo magntico creado por una corriente elctrica
Una corriente que circula por un conductor genera un campo
magntico alrededor del
mismo.
El valor del campo magntico creado en un punto depender de la
intensidad del corriente
elctrico y de la distancia del punto respecto el hilo, as como
de la forma que tenga el
conductor por donde pasa la corriente elctrica.
El campo magntico creado por un elemento de corriente hace que
alrededor de este elemento
se creen lneas de fuerzas curvas y cerradas. Para determinar la
direccin y sentido del campo
magntico podemos usar la llamada regla de la mano derecha.
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La regla de la mano derecha nos dice que utilizando dicha mano,
y apuntando con el dedo
pulgar hacia el sentido de la corriente, la curvatura del resto
de dedos nos indicar el sentido
del campo magntico
En el caso de un hilo conductor rectilneo se crea un campo
magntico circular
alrededor del hilo y perpendicular a l.
Cuando tenemos un hilo conductor en forma de espira, el campo
magntico sera
circular. La direccin y el sentido del campo magntico depende
del sentido de la
corriente elctrica.
Cuando tenemos un hilo conductor enrollado en forma de hlice
tenemos una bobina
o solenoide. El campo magntico en su interior se refuerza todava
ms en existir ms
espiras: el campo magntico de cada espira se suma a la siguiente
y se concentra en
la regin central.
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Espira por la cual circula una corriente, esta corriente genera
un campo magntico a su
alrededor
Una aplicacin muy comn de las bobinas es utilizarlas como
electroimanes. Este tipo de
electroimanes consiste en una bobina, por donde circula una
corriente elctrica, y un ncleo
ferromagntico, colocado en el interior de la bobina. Cuando por
la bobina circula una
corriente elctrica, el ncleo de hierro se convierte en un imn
temporal. Cuantas ms espiras
tenga la bobina, mayor ser su campo magntico.
Fuerza electromagntica
Cuando una carga elctrica est en movimiento crea un campo
elctrico y un campo
magntico a su alrededor.
As pues, este campo magntico realiza una fuerza sobre cualquier
otra carga elctrica que
est situada dentro de su radio de accin. Esta fuerza que ejerce
un campo magntico ser la
fuerza electromagntica.
Si tenemos un hilo conductor rectilneo por donde circula una
corriente elctrica y que
atraviesa un campo magntico, se origina una fuerza
electromagntica sobre el hilo. Esto
es debido a que el campo magntico genera fuerzas sobre cargas
elctricas en
movimiento.
Si en lugar de tener un hilo conductor rectilneo tenemos un
espiral rectangular, aparecern
un par de fuerzas de igual valor pero de diferente sentido
situadas sobre los dos lados
perpendiculares al campo magntico. Esto no provocar un
desplazamiento, sino que la
espira girar sobre si misma.
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Espira rectangular girando de un campo magntico
La direccin de esta fuerza creada se puede
determinar por la regla de la mano izquierda.
Si la direccin de la velocidad es paralela a
la direccin del campo magntico, la fuerza
se anula y la trayectoria de la partcula ser
rectilnea.
Si la direccin de la velocidad es
perpendicular al campo magntico la fuerza
vendr dada por la expresin:
Y si esta fuerza es perpendicular al plano
formado por la velocidad y el campo
magntico, la partcula entonces describir una
trayectoria circular.
Si la direccin de la velocidad es oblicua a la del campo
magntico, la
partcula describir una trayectoria en espiral.
Faraday-Lenz, la induccin electromagntica y la fuerza
electromotriz inducida
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La induccin electromagntica es la produccin de corrientes
elctricas por campos
magnticos variables con el tiempo. Este fenmeno es justamente el
contrario al que
descubri Oersted, ya que es la existencia de un campo magntico
lo que nos producir
corrientes elctricas. Adems, la corriente elctrica incrementa en
aumentar la rapidez con
la que se producen las variaciones de flujo magntico.
Estos hechos permitieron enunciar la ley que se conoce como la
Ley de Faraday-Lenz.
La ley de Faraday-Lenz
Basado en el principio de conservacin de la energa, Michael
Faraday pensaba que si una
corriente elctrica era capaz de generar un campo magntico,
entonces un campo
magntico deba tambin producir una corriente elctrica.
En 1831 Faraday llev a cabo una serie de experimentos que le
permitieron descubrir el
fenmeno de induccin electromagntica . Descubri que, moviendo un
imn a travs de
un circuito cerrado de alambre conductor, se generaba una
corriente elctrica, llamada
corriente inducida. Adems, esta corriente tambin apareca al
mover el alambre sobre el
mismo imn quieto.
Faraday explic el origen de esta corriente en trminos del nmero
de lneas de campo
atravesados por el circuito de alambre conductor, que fue
posteriormente expresado
matemticamente en la hoy llamada Ley de Faraday, una de las
cuatro ecuaciones
fundamentales del electromagnetismo.
La Ley de Faraday nos dice que :
"La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y de
signo opuesto a la rapidez con
que varia el flujo magntico que atraviesa un circuito, por
unidad de tiempo.
Para determinar el sentido de una corriente inducida se utiliza
la llamada Ley de Lenz, que
formulaba que:
"La corriente inducida crea un campo magntico que se opone
siempre a la variacin de flujo
magntico que la ha producido.
Estas leyes se pueden resumir en la siguiente expresin:
Donde se establece que el cociente entre la variacin de flujo()
respecto la variacin del tiempo(t) es igual a la fuerza
electromotriz inducida(). El signo negativo viene dado por la
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ley de Lenz , y indica el sentido de la fuerza electromotriz
inducida, causa de la corriente
inducida.La corriente inducida, pues, se debe al movimiento
relativo que hay entre la
bobina y el imn.
La induccin electromagntica constituye un fenmeno destacado en
el electromagnetismo.
Se han desarrollado un sin nmero de aplicaciones prcticas de
este fenmeno fsico:
El transformador , que se emplea para conectar un telfono mvil a
la red.
La dinamo de una bicicleta.
El alternador de una gran central hidroelctrica .
La induccin electromagntica en una bobina
Para entender correctamente qu es la induccin electromagntica
analizaremos una bobina
(componente del circuito elctrico en forma de espiral que
almacena energa elctrica):
Cuando el imn y la bobina estn en reposo el galvanmetro no seala
paso
de corriente elctrica a travs de la bobina.
Si acercamos un imn a esta bobina, observamos que el galvanmetro
marca
el paso de una corriente elctrica en la bobina.
Si alejamos el imn, el galvanmetro marcar el paso de la
corriente
elctrica a travs de la bobina, pero de sentido contrario a
cuando lo
acercbamos.
Si en vez de mover el imn movemos la bobina, podemos comprobar
los
mismos efectos a travs del galvanmetro.
De esta experiencia se puede deducir que el corriente dura
mientras se realiza el movimiento
del imn o de la bobina y es ms intenso como mas rpido se haga
este movimiento. La
corriente elctrica que aparecen a la bobina es la corriente
inducida.
Corrientes de Foucault
Las corrientes de Foucault, tambin conocidas como corrientes
parsitas, fueron
descubiertas por el fsico francs Lon Foucault en 1851, al
construir un dispositivo que
utilizaba un disco de cobre el cual se mova en un campo magntico
intenso.
Este fenmeno se produce cuando un material conductor atraviesa
un campo magntico
variable (o viceversa. En este caso, el movimiento relativo
entre el material conductor y el
campo magntico variable, causa una circulacin de electrones, o
corriente inducida a
travs del material conductor.
Estas corrientes circulares, de Foucault crean campos magnticos
variables con el tiempo,
que se oponen al sentido del flujo del campo magntico
aplicado.
Las corrientes de Foucault, y los campos opositores generados
sern mayores cuanto:
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Ms fuerte sea el campo magntico aplicado.
Mayor la conductividad del conductor.
Mayor la velocidad relativa de movimiento.
Las corrientes de Foucault crean prdidas de energa a travs del
efecto Joule, que es un
fenmeno irreversible por el cual si en un conductor circula
corriente elctrica, parte de la
energa cintica de los electrones se transforma en calor debido a
los choques que sufren con
los tomos del material conductor por el que circulan, elevando
la temperatura del mismo.
Sin embargo, hay infinidad de aplicaciones que se basan en las
corrientes de Foucault, como:
Los hornos de induccin, de gran utilidad en la industria ya que
funcionan a
altas frecuencias y con grandes corrientes.
Las corrientes Foucault, tambin, son la base del funcionamiento
de los
detectores de metales.
Tambin estn presentes en los sistemas de levitacin magntica
usado en los
trenes.
Pero las corrientes parsitas tambin disminuyen la eficiencia de
muchos dispositivos que
usan campos magnticos variables, como los transformadores de
ncleo de hierro y los
motores elctricos. Estas prdidas son minimizadas utilizando
ncleos con materiales
magnticos que tengan baja conductividad elctrica (como por
ejemplo ferrita) o utilizando
delgadas hojas de acero elctrico, apiladas pero separadas entre
s mediante un barniz aislante
u oxidadas tal que queden mutuamente aisladas elctricamente.
En general, las corrientes de Foucault son indeseadas, ya que
representan una disipacin
de energa en forma de calor, pero, como ya hemos visto, estas
corrientes son la base de
muchas aplicaciones. Tambin son la causa principal del efecto
pelicular en conductores que
transportan corriente alterna , lo que crea la mayor parte de
las prdidas en el transporte de
la electricidad.
Los generadores elctricos
Un generador es una mquina elctrica rotativa que transforma
energa mecnica en
energa elctrica. Lo consigue gracias a la interaccin de los dos
elementos principales que
lo componen: la parte mvil llamada rotor, y la parte esttica que
se denomina esttor.
Cuando un generador elctrico est en funcionamiento, una de las
dos partes genera un flujo
magntico (acta como inductor) para que el otro lo transforme en
electricidad (acta como
inducido).
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Los generadores elctricos se diferencian segn el tipo de
corriente que producen. As, nos
encontramos con dos grandres grupos de mquinas elctricas
rotativas: los alternadores y las
dinamos.
Los alternadores generan electricidad en corriente alterna. El
elemento inductor es el rotor
y el inducido el esttor. Un ejemplo son los generadores de las
centrales elctricas, las cuales
transforman la energia mecnica en elctrica alterna.
Las dinamos generan electricidad en corriente continua. El
elemento inductor es el esttor y
el inducido el rotor. Un ejemplo lo encotraramos en la luz que
tiene una bicicleta, la cual
funciona a travs del pedaleo.
Mquinas elctricas rotativas: los generadores
Llamamos mquinas elctricas a los dispositivos capaces de
transformar energa elctrica en
cualquier otra forma de energa. Las mquinas elctricas se pueden
dividir en:
Mquinas elctricas rotativas, que estn compuestas de partes
giratorias, como las
dinamos, alternadores y motores.
Mquinas elctricas estticas, que no disponen de partes mviles,
como los
transformadores.
Vamos a fijarnos en el grupo de las mquinas rotativas, que lo
constituyen los motores y los
generadores. Las mquinas elctricas rotativas son reversibles, yq
que pueden trabajar de
dos maneras diferentes:
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Como motor elctrico: Convierte la energa elctrica en
mecnica.
Como generador elctrico: Convierte la energa mecnica en
elctrica.
Detalle del rotor y del esttor de un generador
Las mquinas elctricas se pueden dividir en rotativas y estticas.
En este caso vamos a
fijarnos en el grupo de las mquinas rotativas que lo constituyen
los motores y los
generadores.
Todas las mquinas rotativas estn formada por una parte fija
llamada esttor, tiene forma
cilndrica, y otra mvil llamada rotor. El rotor se monta en un
eje que descansa en dos
rodamientos o cojinetes. El espacio de aire que separa el esttor
del rotor, necesario para que
pueda girar la mquina se denomina entrehierro.
Normalmente tanto en el esttor como en el rotor existen
devanados hechos con conductores
de cobre por los que circulan corrientes suministradas o cedidas
a un circuito exterior que
constituye el sistema elctrico. Uno de los devanados crea un
flujo en el entrehierro y se
denomina inductor. El otro devanado recibe el flujo del primero
y se denomina inducido.
De igual manera, se podria situar el inductor en el esttor y el
inducido en el rotor o viceversa.
Prdidas y eficiencia de las mquinas elctricas rotativas
Como cualquier mquina, la potencia de salida que ofrecen las
mquinas elctricas rotativas
es menor que la potencia de alimentacin que se les suministra,
potencia suministrada. La
diferencia entre la potencia de salida y la suministrada son las
prdidas:
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La potencia de salida de un generador elctrico es la potencia
elctrica que entrega, la
potencia til. La potencia suministrada o total es la potencia
mecnica de entrada: la potencia
mecnica que absorbe la mquina para poder generar
electricidad.
Dentro de una mquina elctrica rotativa, las prdidas ms
significativas son:
Prdidas mecnicas: Causadas por el rozamiento entre las piezas
mviles y por la
ventilacin o refrigeracin interior de los devanados.
Prdidas elctricas o prdidas en el cobre: Se producen en el
circuito elctrico y en
sus conexiones y son debidas al efecto Joule.
Prdidas magnticas o prdidas en el hierro: Dependen de las
variaciones que se
producen en los campos magnticos y de la frecuencia.
As mismo, el cociente entre la potencia de salida (tambin
llamada potencia til) y la
potencia suministrada (tambin llamada potencia total o
absorbida) es la eficiencia. Esta
eficiencia se expresa en tanto por ciento(%):
Por lo tanto, la eficiencia de una mquina elctrica determina la
cantidad de trabajo til que
puede producir, a partir de la energia total que consume.
Principio de funcionamiento de un generador elctrico:
Ley de Faraday
Representacin del experimento que realiz Faraday
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El principio de funcionamiento de los generadores se basa en el
fenmeno de induccin
electromagntica.
La Ley de Faraday. Esta ley nos dice que el voltaje inducido en
un circuito es
directamente proporcional al cambio del flujo magntico en un
conductor o espira. Esto
quiere decir que si tenemos un campo magntico generando un flujo
magntico, necesitamos
una espira por donde circule una corriente para conseguir que se
genera la f.e.m. (fuerza
electromotriz).
Este descubrimiento, realizado en el ao 1830 por Michael
Faraday, permiti un ao
despus la creacin del disco de Faraday. El disco de Faraday
consiste en un imn en forma
de U, con un disco de cobre de doce pulgadas de dimetro y 1/5 de
pulgas de espesor en
medio colocado sobre un eje, que est girando, dentro de un
potente electroimn. Al colocar
una banda conductora rozando el exterior del disco y otra banda
sobre el eje, comprob con
un galvanmetro que se produca electricidad mediante imanes
permanentes. Fue el
comienzo de las modernas dinamos Es decir, generadores elctricos
que funcionan por
medio de un campo magntico. Era muy poco eficiente y no tena
ningn uso como fuente
de energa prctica, pero demostr la posibilidad de generar
electricidad usando magnetismo
y abri la puerta a los conmutadores, dinamos de corriente
continua y finalmente a los
alternadores de corriente.
Como se observa en el captulo de electromagnetismo, cuando
dentro de un campo
magntico tenemos una espira por donde circula una corriente
elctrica aparecen un
par de fuerzas que provocan que la espira gire alrededor de su
eje. De esta misma
manera, si dentro de un campo magntico introducimos una espira y
la hacemos girar
provocaremos la corriente inducida. Esta corriente inducida es
la responsable de la f.e.m. y
ser variable en funcin de la posicin de la espira y el campo
magntico.
La cantidad de corriente inducida o f.e.m. depender de la
cantidad de flujo magntico
(tambin llamado lneas) que la espira pueda cortar, cuanto mayor
sea el nmero, mayor
variacin de flujo generara y por lo tanto mayor fuerza
electromotriz..
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Se observa los dos casos ms extremos, cuando la espira est
situada a 0 o 180 y no corta
lneas, y cuando est a 90 y 270 y las corta todas
Al hacer girar la espira dentro del imn conseguiremos una tensin
que variar en funcin
del tiempo. Esta tensin tendr una forma alterna, puesto que de
180 a 360 los polos estarn
invertidos y el valor de la tensin ser negativo.
El principio de funcionamiento del alternador y de la dinamo se
basa en que el alternador
mantiene la corriente alterna mientras la dinamo convierte la
corriente alterna en corriente
continua.
Seales de salida de un alternador, en corriente alterna, y de
una dinamo en corriente continuo
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Generador de corriente alterna: el alternador
Los generadores de corriente alterna o alternadores son mquinas
que transforman energa
mecnica, que reciben por el rotor, en energa elctrica en forma
de corriente alterna. La
mayora de alternadores son mquinas de corriente alterna sncrona,
que son las que giran a
la velocidad de sincronismo, que est relacionada con el nombre
de polos que tiene la
mquina y la frecuencia de la fuerza electromotriz. Esta relacin
hace que el motor gire a la
misma velocidad que le impone el esttor a travs del campo
magntico. Esta relacin viene
dada por la expresin:
Donde f es la frecuencia a la cual esta conectada la mquina y P
es el numero de pares de
polos.
Modelizacin del funcionamiento de un generador
Su estructura es la siguiente:
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Esttor: Parte fija exterior de la mquina. El esttor est formado
por una carcasa
metlica que sirve de soporte. En su interior encontramos el
ncleo del inducido, con
forma de corona y ranuras longitudinales, donde se alojan los
conductores del
enrollamiento inducido.
Rotor: Parte mvil que gira dentro del esttor El rotor contiene
el sistema inductor y
los anillos de rozamiento, mediante los cuales se alimenta el
sistema inductor. En
funcin de la velocidad de la mquina hay dos formas
constructivas.
o Rotor de polos salidos o rueda polar: Utilizado para turbinas
hidrulicas o
motores trmicos, para sistemas de baja velocidad.
o Rotor de polos lisos: Utilizado para turbinas de vapor y gas,
estos grupos son
llamados turboalternadores. Pueden girar a 3000, 1500 o 1000
r.p.m. en
funcin de los polos que tenga.
El alternador es una mquina elctrica rotativa sncrona que
necesita de una corriente de
excitacin en el bobinaje inductor para generar el campo elctrico
y funcionar. Por lo tanto
su diagrama de funcionamiento es el siguiente:
Diagrama de funcionamiento del alternador
Al ser mquinas sncronas que se conectan a la red han de trabajar
a una frecuencia
determinada. En el caso de Europa y algunas zonas de
Latinoamrica se trabaja a 50 Hz,
mientras que en los Estados Unidos usan 60 Hz. En aplicaciones
especiales como en el caso
de la aeronutica, se utilizan frecuencias ms elevadas, del orden
de los 400 Hz.
El principio de funcionamiento de los alternadores es el mismo
que hemos estudiado hasta
ahora, con una pequea diferencia. Para generar el campo
magntico, hay que aportar una
corriente de excitacin (Ie) en corriente continua. Esta
corriente genera el campo magntico
para conseguir la corriente inducida (Ii) que ser corriente
alterna.
Los alternadores estn acoplados a una mquina motriz que les
genera la energa mecnica
en forma de rotacin. Segn la mquina motriz tenemos tres
tipos:
Mquinas de vapor: Se acopla directamente al alternador. Generan
una velocidad
de giro baja y necesitan un volante de inercia para generar una
rotacin uniforme.
Motores de combustin interna: Se acoplan directamente y las
caractersticas son
similares al caso anterior.
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Turbinas hidrulicas: La velocidad de funcionamiento tiene un
rango muy amplio.
Estos alternadores estn diseados para funcionar bien hasta el
doble de su velocidad
de rgimen.
Excitatriz de los alternadores
Los alternadores necesitan una fuente de corriente continua para
alimentar los
electroimanes (deanados) que forman el sistema inductor. Por
eso, en el interior del rotor
se incorpora la excitatriz.
La excitatriz es la mquina encargada de suministrar la corriente
de excitacin a las bobinas
del esttor, parte donde se genera el campo magntico. Segn la
forma de producir el flujo
magntico inductor podemos hablar de:
Excitacin independiente. La corriente elctrica proviene de una
fuente exterior.
Excitacin serie. La corriente de excitacin se obtiene conectando
las bobinas
inductoras en serie con el inducido. Toda la corriente inducida
a las bobinas del rotor
pasa por las bobinas del esttor.
Excitacin shunt o derivacin. La corriente de excitacin se
obtiene conectando las
bobinas del esttor en paralelo con el inducido. Solo pasa por
las bobinas del esttor
una parte de la corriente inducida.
Excitacin compound. En este caso las bobinas del esttor estn
conectadas tanto en
serie como en paralelo con el inducido.
Efectos del funcionamiento de un alternador
Cuando un alternador funciona conectado a un circuito exterior
se crean corrientes inducidas
que nos generan los siguientes efectos:
Cada de tensin en los bobinajes inducidos: La resistividad que
nos presentan los
conductores hace que tengamos una cada de tensin.
Efecto de reaccin en el inducido: El tipo de reaccin que
tendremos en el inducido
depender de la carga conectada:
o Resistiva: Tenemos un incremento en la cada de tensin interna
y una
disminucin de la tensin en los bornes de salida.
o Inductiva: Aparece una cada de tensin importante en los bornes
de salida.
o Capacitiva: Disminuye la cada de tensin interna y eleva mas el
valor de la
tensin de salida en los bornes de salida.
Efecto de dispersin del flujo magntico: Hay lneas de fuerza que
no pasan por el
inducido, se pierden o llegan al siguiente polo. Cuanto ms alta
sea la corriente del
inducido, ms prdidas por dispersin nos encontramos.
Generador de corriente continua: la dinamo
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El generador de corriente continua, tambin llamado dinamo, es
una mquina elctrica
rotativa a la cual le suministramos energa mecnica y la
transforma en energa elctrica en
corriente continua. En la actualidad se utilizan muy poco, ya
que la produccin y transporte
de energa elctrica es en forma de corriente alterna.
Una de las caractersticas de las dinamos es que son mquinas
reversibles: se pueden utilizar
tanto como generador o como motor. El motor es la principal
aplicacin industrial de la
dinamo, ya que tiene facilidad a la hora de regular su velocidad
de giro en el rotor.
Las principales partes de esta mquina son:
Esttor
El esttor es la parte fija exterior de la dinamo. El esttor
contiene el sistema inductor
destinado a producir el campo magntico. Est formado por:
Polos inductores: Diseados para repartir uniformemente el campo
magntico.
Distinguimos en ellos el ncleo y la expansin polar. El nmero de
polos ha de
ser par, en caso de mquinas grandes se han de utilizar polos
auxiliares.
Devanado inductor: Son las bobinas de excitacin de los polos
principales,
colocadas alrededor del ncleo. Estn hechos con conductores de
cobre o de
aluminio recubiertos por un barniz aislante.
Culata: La culata sirve para cerrar el circuito magntico y
sujertar los polos.
Esta construida con material ferromagntico.
Rotor
El rotor es la Parte mvil que gira dentro del esttor. El rotor
al estar sometido a variacin de
flujo crea la fuerza electromotriz inducida, por lo tanto
contiene el sistema inducido. Est
formado por:
Ncleo del inducido: Cilindro construido para reducir las prdidas
magnticas.
Dispone de ranuras longitudinales donde se colocan las espiras
del enrollamiento del
inducido.
Devanado inducido: Formado por espiras que se distribuyen
uniformemente por las
ranuras del ncleo. Se conecta al circuito exterior de la mquina
por medio del
colector y las escobillas.
Colector: Cilindro solidario al eje de la mquina formado por
segmentos de cobre o
lminas aisladas elctricamente entre ellas. En cada lmina se
conecta una bobina. Es
el encargado de realizar la conversin de corriente alterna a
corriente continua.
Escobillas: Son piezas de carbn-grafito o metlicas, que estn en
contacto con el
colector. Hacen la conmutacin de la corriente inducida y la
transportan en forma de
corriente continua hacia el exterior.
Cojinetes: Sirven de soporte y permiten el giro del eje de la
mquina.
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Entrehierro
El entrehierro e s el espacio de aire comprendido entre el rotor
y el esttor. Suele ser
normalmente de entre 1 y 3 milmetros. El entehierro es
imprescindible para evitar
rozamientos entre la parte fija y la parte mvil.
Detalle de la espira de una dinamo con los colectores delgas
La conmutacin en las dinamos
La conmutacin es la operacin de transformacin de una seal
alterna a una seal continua
y tambin se conoce como rectificacin de seal. Las dinamos hacen
esta conmutacin
porque tienen que suministrar corriente continua.
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Esta conmutacin en las dinamos se realiza a travs del colector
de delgas. Los anillos
del colector estn cortados debido a que por fuera de la espira
la corriente siempre tiene que
ir en el mismo sentido.
A la hora de realizar esta conmutacin existen diferentes
problemas. Cuando el generador
funciona con una carga conectada en sus bornes, nos encontramos
con una cada de tensin
interna y una reaccin en el inducido.
El inducido crear un flujo magntico que se opone al generado por
el imn. A este efecto se
le da el nombre de fuerza contraelectromotriz, que desplazar el
plano neutro.
Para solucionar este problema se pueden realizar diversas
mejoras como:
Desplazamiento de las escobillas: Este mtodo cambia las
escobillas a su nueva
posicin corrigiendo el desvo del plano, el problema es que el
motor puede trabajar
desde el 0% de su carga total al 100%, por lo que el plano puede
cambiar.
Polos de conmutacin o auxiliares: la funcin de estos polos
auxiliares es la de
compensar el flujo producido por las bobinas inducidas y
compensarlo. Es una
solucin muy til y econmica.
Bobinas de compensacin: Cuando los generadores son de gran
potencia, los polos
de conmutacin no son suficientes, en este caso usamos bobinas de
compensacin.
Ventajas del alternador respecto a la dinamo
El alternador tiene varias ventajas que hacen que sea un tipo de
mquina ms utilizada, ya no
solo el hecho de que produce electricidad en corriente alterna,
que es como se consume, si
no por otras ventajas del tipo utilizacin.
Las ventajas del alternador respecto a la dinamo son las
siguientes:
En el alternador elctrico se puede obtener mayor gama de
velocidad de giro. La
velocidad de giro puede ir desde 500 a 7.000 rpm. La dinamo a
altas rpm sufre el el
colector y las escobillas elevado desgaste y subida de
temperaturas.
El conjunto rotor y esttor en el alternador es muy compacto.
Los alternadores poseen un solo elemento como regulador de
tensin.
Los alternadores elctricos son ms ligeros: pueden llegar a ser
entre un 40 y un 45%
menos pesados que las dinamos, y de un 25 a un 35% ms
pequeos.
El alternador trabaja en ambos sentidos de giro sin necesidad de
modificacin.
La vida til del alternador es superior a la de la dinamo. Esto
es debido a que el
alternador elctrico es ms robusto y compacto, por la ausencia
del colector en el
inducido, y soporta mejor las altas temperaturas.
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Funcionamiento de los transformadores
Un transformador es una mquina esttica de corriente alterno, que
permite variar alguna
funcin de la corriente como el voltaje o la intensidad,
manteniendo la frecuencia y la
potencia, en el caso de un transformador ideal.
Para lograrlo, transforma la electricidad que le llega al
devanado de entrada en magnetismo
para volver a transformarla en electricidad, en las condiciones
deseadas, en el devanado
secundario.
La importancia de los transformadores, se debe a que, gracias a
ellos, ha sido posible el
desarrollo de la industria elctrica. Su utilizacin hizo posible
la realizacin prctica y
econmica del transporte de energa elctrica a grandes
distancias.
Componentes de los transformadores elctricos
Los transformadores estn compuestos de diferentes elementos. Los
componentes bsicos
son:
Modelizacin de un
transformador monofsico ideal
Ncleo: Este elemento est constituido por chapas de acero al
silicio aisladas entre
ellas. El ncleo de los transformadores est compuesto por las
columnas, que es la
parte donde se montan los devanados, y las culatas, que es la
parte donde se realiza
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la unin entre las columnas. El ncleo se utiliza para conducir el
flujo magntico, ya
que es un gran conductor magntico.
Devanados: El devanado es un hilo de cobre enrollado a travs del
ncleo en uno de
sus extremos y recubiertos por una capa aislante, que suele ser
barniz. Est compuesto
por dos bobinas, la primaria y la secundaria. La relacin de
vueltas del hilo de cobre
entre el primario y el secundario nos indicar la relacin de
transformacin. El
nombre de primario y secundario es totalmente simblico. Por
definicin all donde
apliquemos la tensin de entrada ser el primario y donde
obtengamos la tensin de
salida ser el secundario.
Esquema bsico y funcionamiento del transformador
Esquema bsico de funcionamiento de un transformador ideal
Los transformadores se basan en la induccin electromagntica . Al
aplicar una fuerza
electromotriz en el devanado primario, es decir una tensin, se
origina un flujo magntico en
el ncleo de hierro. Este flujo viajar desde el devanado primario
hasta el secundario. Con
su movimiento originar una fuerza electromagntica en el devanado
secundario.
Segn la Ley de Lenz, necesitamos que la corriente sea alterna
para que se produzca esta
variacin de flujo. En el caso de corriente continua el
transformador no se puede utilizar.
La relacin de transformacin del transformador elctrico
Una vez entendido el funcionamiento del transformador vamos a
observar cul es la relacin
de transformacin de este elemento.
Donde N p es el nmero de vueltas del devanado del primario, N s
el nmero de vueltas del
secundario, V p la tensin aplicada en el primario, V s la
obtenida en el secundario, I s la
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intensidad que llega al primario, I p la generada por el
secundario y r t la relacin de
transformacin.
Como observamos en este ejemplo si queremos ampliar la tensin en
el secundario tenemos
que poner ms vueltas en el secundario (N s), pasa lo contrario
si queremos reducir la tensin
del secundario.
Tipos de transformadores elctricos
Hay muchos tipos de transformadores pero todos estn basados en
los mismos principios
bsicos, Pueden clasificarse en dos grandes grupos de tipos
bsicos: transformadores de
potencia y de medida.
Transformadores de potencia
Los transformadores elctricos de potencia sirven para variar los
valores de tensin de un
circuito de corriente alterna, manteniendo su potencia. Como ya
se ha explicado
anteriormente en este recurso, su funcionamiento se basa en el
fenmeno de la induccin
electromagntica.
Transformadores elctricos elevadores
Los transformadores elctricos elevadores tienen la capacidad de
aumentar el voltaje de
salida en relacin al voltaje de entrada. En estos
transformadores el nmero de espiras del
devanado secundario es mayor al del devanado primario.
Modelizacin de un transformador elevador
Transformadores elctricos reductores
Los transformadores elctricos reductores tienen la capacidad de
disminuir el voltaje de
salida en relacin al voltaje de entrada. En estos
transformadores el nmero de espiras del
devanado primario es mayor al secundario.
Podemos observar que cualquier transformador elevador puede
actuar como reductor, si lo
conectamos al revs, del mismo modo que un transformador reductor
puede convertirse en
elevador.
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Modelizacin de un transformador reductor
Autotransformadores
Modelizacin de un autotransformador
Se utilizan cuando es necesario cambiar el valor de un voltaje,
pero en cantidades muy
pequeas. La solucin consiste en montar las bobinas de manera
sumatoria. La tensin, en
este caso, no se introducira en el devanado primario para salir
por el secundario, sino que
entra por un punto intermedio de la nica bobina existente.
Esta tensin de entrada (V p) nicamente recorre un determinado
nmero de espiras (N p),
mientras que la tensin de salida (V s) tiene que recorrer la
totalidad de las espiras (N s).
Transformadores de potencia con derivacin
Son transformadores de elevacin o reduccin, es decir, elevadores
o reductores, con un
nmero de espiras que puede variarse segn la necesidad. Este
nmero de espiras se puede
modificar siempre y cuando el transformador no est en marcha.
Normalmente la diferencia
entre valores es del 2,5% y sirve para poder ajustar el
transformador a su puesto de trabajo.
Transformadores elctricos de medida
Sirven para variar los valores de grandes tensiones o
intensidades para poderlas medir sin
peligro.
Transformadores elctricos de intensidad
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El transformador de intensidad toma una muestra de la corriente
de la lnea a travs del
devanado primario y lo reduce hasta un nivel seguro para
medirlo. Su devanado secundario
est enrollado alrededor de un anillo de material ferromagntico y
su primario est formado
por un nico conductor, que pasa por dentro del anillo.
El anillo recoge una pequea muestra del flujo magntico de la
lnea primaria, que induce
una tensin y hace circular una corriente por la bobina
secundaria.
Transformador elctrico potencial
Se trata de una mquina con undevanado primario de alta tensin y
uno secundario de baja
tensin. Su nica misin es facilitar una muestra del primero que
pueda ser medida por los
diferentes aparatos.
Posibles
conexiones de un transformador trifsico con la fuente de
alimentacin
Transformadores trifsicos
Debido a que el transporte y generacin de electricidad se
realiza de forma trifsica, se han
construido transformadores de estas caractersticas.
Hay dos maneras de construirlos: una es mediante tres
transformadores monofsicos y la otra
con tres bobinas sobre un ncleo comn.
Esta ltima opcin es mejor debido a que es ms pequeo, ms ligero,
ms econmico y
ligeramente ms eficiente.
La conexin de este transformador puede ser:
Estrella-estrella
Estrella-tringulo
Tringulo-estrella
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Tringulo-tringulo
Transformador ideal y transformador real
En un transformador ideal, la potencia que tenemos en la entrada
es igual a la potencia
que tenemos en la salida, esto quiere decir que:
Pero en la realidad, en los transformadores reales existen
pequeas prdidas que se
manifiestan en forma de calor. Estas prdidas las causan los
materiales que componen un
transformador elctrico.
En los conductores de los devanados existe una resistencia al
paso del corriente que tiene
relacin con la resistividad del material del cual estn
compuestos. Adems, existen
efectos por dispersin de flujo magntico en los devanados.
Finalmente, hay que considerar
los posibles efectos por histresis o las corrientes de Foucault
en el ncleo del
transformador.
Prdidas en los transformadores reales
Las diferentes prdidas que tiene un transformador real son:
Prdidas en el cobre: Debidas a la resistencia propia del cobre
al paso de la corriente
Prdidas por corrientes parsitas: Son producidas por la
resistencia que presenta
el ncleo ferro magntico al ser atravesado por el flujo
magntico.
Prdidas por histresis: Son provocadas por la diferencia en el
recorrido de las
lneas de campo magntico cuando circulan en diferente sentido
cada medio ciclo.
Prdidas a causa de los flujos de dispersin en el primario y en
el secundario: Estos flujos provocan una auto inductancia en las
bobinas primarias y secundarias.
Aplicaciones de los transformadores
Los transformadores son elementos muy utilizados en la red
elctrica.
Una vez generada la electricidad en el generador de las
centrales, y antes de enviarla a la
red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la
tensin y reducir as las prdidas
en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez
transportada se utilizan los
transformadores reductores para darle a esta electricidad unos
valores con los que podamos
trabajar.
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Los transformadores tambin son usados por la mayora de
electrodomsticos y aparatos
electrnicos, ya que estos trabajan, normalmente, a tensiones de
un valor inferior al
suministrado por la red
Por ltimo hacer mencin a que uno de los elementos de seguridad
elctrica del hogar utiliza
transformadores. Se trata del diferencial . Este dispositivo
utiliza transformadores para
comparar la intensidad que entra con la que sale del hogar. Si
la diferencia entre estos es
mayor a 10 mA desconecta el circuito evitando que podamos sufrir
lesiones.
GENERACIN
Explicacin detallada del proceso de produccin de la
electricidad, enfocndose en las centrales elctricas ms utilizadas.
En cada uno de los diferentes temas podrs aprender desde la materia
prima utilizada hasta su impacto medioambiental, pasando por el
funcionamiento detallado de su funcionamiento
Centrales elctricas
1. Definicin de central elctrica
Una central elctrica es una instalacin capaz de convertir la
energa mecnica en energa
elctrica.
Las principales fuentes de energa son el agua, el gas, el
uranio, el viento y la energa solar.
Estas fuentes de energa primaria para mover los labes de una
turbina, que a su vez est
conectada en un generador elctrico.
Hay que tener en cuenta que hay instalaciones de generacin donde
no se realiza la
transformacin de energa mecnica en electricidad como, por
ejemplo:
Los parques fotovoltaicos, donde la electricidad se obtiene de
la transformacin
directa de la radiacin solar.
Las pilas de combustible o bateras, donde la electricidad se
obtiene directamente
a partir de la energa qumica.
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Central Trmica de Ciclo Combinado Sant Adri
2. Tipos de centrales elctricas
Una buena forma de clasificar las centrales elctricas es
hacindolo en funcin de la fuente
de energa primaria que utilizan para producir la energa mecnica
necesaria para
generar electricidad:
Centrales hidroelctricas: el agua de una
corriente natural o atificial, por el efecto de un
desnivel, acta sobre las palas de una turbina
hidrulica.
Centrales trmicas convencionales: el
combustible fsil (carbn, fueloil o gas) es
quemado en una caldera para generar energa
calorfica que se aprovecha para generar vapor
de agua. Este vapor (a alta presin) acciona las
palas de una turbina de vapor, transformando la
energa calorfica en energa mecnica.
Centrales trmicas de ciclo combinado: combina
dos ciclos termodinmicos. En el primero se
produce la combustin de gas natural en una turbina de gas, y en
el segundo, se aprovecha el
calor residual de los gases para generar vapor y
expandirlo en una turbina de vapor.
Centrales nucleares: la fisin de los tomos de
uranio libera una gran cantidad de energa que se
utiliza para obtener vapor de agua que, a su vez, se utiliza en
un grupo turbina-
alternador para producir electricidad.
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Centrales elicas: la energa cintica del viento se transforma
directamente en energa
mecnica rotatoria mediante un aerogenerador.
Centrales termoelctricas solares: la energa del Sol calienta un
fluido que transforma
en vapor otro segundo fluido, que acciona la turbina-alternador
que consigue el
movimiento rotatorio y as, generar electricidad.
Centrales de biomasa o de residuos slidos urbanos (RSU):
utilizan el mismo
esquema de generacin elctrica que una central trmica
convencional. La nica
diferencia es el combustible utilizado en la caldera, que
proviene de nuestros residuos.
Centrales trmicas convencionales
1. Qu es una central trmica convencional?
En las centrales trmicas convencionales (o termoelctricas
convencionales) se produce
electricidad a partir de combustibles fsiles como carbn, fueloil
o gas natural, mediante
un ciclo termodinmico de agua-vapor. El trmino convencionales
sirve para diferenciarlas de otras centrales trmicas, como las
nucleares o las de ciclo combinado.
2. Componentes principales de una central trmica
convencional
Caldera. En este espacio el agua se
transforma en vapor, cambiando su estado.
Esta accin se produce gracias a la
combustin del gas natural (o cualquier
otro combustible fsil que pueda utilizar la
central), con la que se generan gases a muy
alta temperatura que al entrar en contacto con
el agua lquida la convierten en vapor.
El agua que se transforma en vapor circula por unas
caeras llamadas serpentines, donde se produce el
intercambio de calor entre los gases de la combustin
y el agua.
Turbina de vapor. Mquina que recoge el
vapor de agua y que, gracias a un complejo
sistema de presiones y temperaturas,
consigue que se mueva el eje que la
atraviesa. Esta turbina normalmente tiene
varios cuerpos, de alta, media y baja presin, para aprovechar al
mximo el vapor
de agua.
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El eje que atraviesa los diferentes cuerpos est conectado con el
generador.
Generador. Mquina que recoge la energa mecnica generada en el
eje que atraviesa
la turbina y la transforma en elctrica mediante induccin
electromagntica. Las
centrales elctricas transforman la energa mecnica del eje en una
corriente
elctrica trifsica y alterna.
3. Funcionamiento de una central trmica convencional
El funcionamiento de las centrales termoelctricas convencionales
es el mismo
independientemente del combustible que se utilice.
Sin embargo, s hay diferencias en el tratamiento previo que se
hace al combustible y del
diseo de los quemadores de las calderas de las centrales.
Centrales de carbn. Donde el combustible debe ser triturado
previamente.
Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una
utilizacin ms fcil.
Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando as
directamente por
gaseoductos.
Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles,
siendo necesarios los
tratamientos previos anteriormente citados.
Una vez el combustible est en la caldera, se quema. Esto provoca
que se produzca energa
calorfica que se utilizar para calentar agua y as transformarla
en vapor a una presin muy
elevada.
A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador
para que este produzca
electricidad.
La electricidad generada pasa por un transformador para aumentar
su tensin y as
transportarla reduciendo las prdidas por Efecto Joule.
El vapor que sale de la turbina se enva a un elemento llamado
condensador para convertirlo
en agua y as retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo
de produccin de vapor.
En el siguiente juego interactivo puedes conocer de una manera
ms grfica el
funcionamiento de una central trmica convencional.
4. Impactos medioambientales de las centrales trmicas
convencionales
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La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente
se produce de dos maneras
bsicas:
Emisin de residuos a la atmsfera
Este tipo de residuos provienen de la combustin de los
combustibles fsiles que utilizan
las centrales trmicas convencionales para funcionar y producir
electricidad. Esta
combustin genera partculas que van a parar a la atmsfera,
pudiendo perjudicar el entorno
del planeta.
Por eso, las centrales trmicas convencionales disponen de
chimeneas de gran altura que
dispersan estas partculas y reducen, localmente, su influencia
negativa en el aire.
Adems, las centrales termoelctricas disponen de filtros de
partculas que retienen una
gran parte de estas, evitando que salgan al exterior.
Transferencia trmica
Algunas centrales trmicas (las denominadas de ciclo abierto)
pueden provocar el
calentamiento de las aguas del ro o del mar.
Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la
utilizacin de sistemas de
refrigeracin, cuya tarea principal es enfriar el agua a
temperaturas parecidas a las normales
para el medio ambiente y as evitar su calentamiento
Centrales trmicas de ciclo combinado
1. Qu es una central trmica de ciclo combinado?
La central trmica de ciclo combinado es aquella donde se genera
electricidad mediante la
utilizacin conjunta de dos turbinas:
Un turbogrupo de gas
Un turbogrupo de vapor
Es decir, para la transformacin de la energa del combustible en
electricidad se superponen
dos ciclos:
El ciclo de Brayton (turbina de gas): toma el aire directamente
de l