1.- Generalidades de La Energia Electrica (2015)

APUNTE N° 1

CONCEPTOS BÁSICOS DE ELECTRICIDAD

Y

CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA

Recopilado por Pedro León U.

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La Electricidad Tipo de energía generada con recursos primarios o secundarios en centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares, etc. y que se basa fundamentalmente en el flujo de electrones.

Energía En física, “energía” se define como la capacidad para realizar un trabajo.

La Energía Eléctrica La energía eléctrica se obtiene a partir de otras fuentes de energía, llamadas fuentes primarias de energía. Esto significa que la energía eléctrica se obtiene por transformación sucesiva de estas fuentes primarias de energía en otras formas de energía (potencial, cinética, mecánica) hasta obtener la energía eléctrica.

Energía Primaria Se consideran como fuentes de energía primaria a las que se obtienen directamente de la naturaleza como los casos de: la energía solar, la hidráulica, la eólica, la leña, los productos de caña y otros combustibles de origen vegetal y animal, o bien, después de un proceso de extracción como, el petróleo, el gas natural, el carbón mineral, u otros como el recurso de la energía geotérmica, y el recurso de la energía nuclear, etc.

Energía Secundaria Es aquella cuyos productos energéticos provienen de los distintos centros de transformación con destino a los diversos sectores de consumo y/u otros centros de transformación. La electricidad tiene diversas aplicaciones. Con ella podemos producir calor, luz, movimiento, reacciones químicas, etc. La electricidad es una forma de energía capaz de producir los fenómenos ya mencionados. Las diferentes formas de generarla son:


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La Electricidad Tipo de energía generada con recursos primarios o secundarios en centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares, etc. y que se basa fundamentalmente en el flujo de electrones.

Energía En física, “energía” se define como la capacidad para realizar un trabajo.

La Energía Eléctrica La energía eléctrica se obtiene a partir de otras fuentes de energía, llamadas fuentes primarias de energía. Esto significa que la energía eléctrica se obtiene por transformación sucesiva de estas fuentes primarias de energía en otras formas de energía (potencial, cinética, mecánica) hasta obtener la energía eléctrica.

Energía Primaria Se consideran como fuentes de energía primaria a las que se obtienen directamente de la naturaleza como los casos de: la energía solar, la hidráulica, la eólica, la leña, los productos de caña y otros combustibles de origen vegetal y animal, o bien, después de un proceso de extracción como, el petróleo, el gas natural, el carbón mineral, u otros como el recurso de la energía geotérmica, y el recurso de la energía nuclear, etc.

Energía Secundaria Es aquella cuyos productos energéticos provienen de los distintos centros de transformación con destino a los diversos sectores de consumo y/u otros centros de transformación. La electricidad tiene diversas aplicaciones. Con ella podemos producir calor, luz, movimiento, reacciones químicas, etc. La electricidad es una forma de energía capaz de producir los fenómenos ya mencionados. Las diferentes formas de generarla son:


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Generación Hidroeléctrica Centrales de Embalse: Se obtiene a partir de la fuerza de la caída del agua. Es una de las principales formas de generación de grandes cantidades de energía eléctrica. Es una forma más económica que otras que dependen de combustibles fósiles como el petróleo. Para obtenerla, se debe almacenar grandes cantidades de agua en una represa, para darle paso posteriormente a través de una turbina cuyo eje está conectado a un generador.

Fotografía de una Central Hidroeléctrica de embalse


Esquema de la generación Hidroeléctrica

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Centrales de pasada: Captan una parte del caudal del río, lo trasladan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al río.


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Generación Termoeléctrica Se obtiene a partir del calor producido principalmente por la combustión del petróleo, gas ó carbón. El calor producido se utiliza para calentar agua cuyo vapor a presión mueve una turbina que tiene su eje acoplado a un generador. La termoeléctrica es también una de las principales formas de generación de grandes cantidades de energía.

Esquema de la generación Termoeléctrica Central de ciclo combinado En primer lugar el aire es comprimido a alta presión en el compresor, pasando a la cámara de combustión donde se mezcla con el combustible. A continuación, los gases de combustión pasan por la turbina de gas donde se expansionan y su energía calorífica se transforma en energía mecánica, transmitiéndolo al eje. Los gases que salen de la turbina de gas se llevan a una caldera de recuperación de calor para producir vapor, a partir de este momento tenemos un ciclo aguavapor convencional. A la salida de la turbina el vapor se condensa (transformándose nuevamente en agua) y vuelve a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor. Recopilado por Pedro León U.

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Esquema de Central de ciclo combinado


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Generación Fotoeléctrica Aquí la energía de la luz se convierte en electricidad mediante paneles de celdas fotovoltaicas. Evidentemente, la fuente de luz es el sol.

Parque de generación fotoeléctrica

La cantidad de energía eléctrica generada por los paneles es muy pequeña comparándola con otras y depende de las condiciones climáticas, por lo que hasta hoy no es utilizable en cualquier aplicación. Se le puede encontrar donde hay pequeños consumos como pueblos pequeños, faros, receptores satelitales, calculadoras, relojes, sistemas repetidores de radio frecuencia, antenas de telefonía celular, etc.


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Generación Eólica Ésta se está popularizando cada vez más en sitios donde el transporte de energía es difícil y costoso. La generación eólica utiliza la fuerza del viento para mover una hélice que, a través de un sistema de engranajes, mueve un generador. Su utilización está restringida a lugares donde hay viento fuerte y constante.

Parque de generación eólica


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Generación Electroquímica El ejemplo más cotidiano de la energía electroquímica es el caso de las pilas. Estas son convertidores de energía el los que se genera una tensión eléctrica por procedimientos químicos. Las pilas se clasifican en pilas primarias y pilas secundarias (acumuladores o baterías). Las pilas primarias son por ejemplo pilas de zinc y dióxido de manganeso y los procesos electroquímicos que se desarrollan en ellas son irreversibles. Las pilas secundarias son por ejemplo las baterías de plomo o de níquel, y en ellas es posible invertir el sentido de los procesos electroquímicos. Esto se consigue suministrando energía eléctrica. Por lo tanto las baterías pueden almacenar energía química y transformarla en energía eléctrica al momento de suministrarla. La tecnología de los acumuladores va evolucionado constantemente, con el fin de reducir su tamaño y peso al tiempo de aumentar su capacidad. Ya existen en el mercado automóviles eléctricos que usan como fuente de energía a las baterías, pero sin duda, serán más comerciales los automóviles híbridos que usan un motor convencional a gasolina y uno eléctrico alimentado por baterías, pues su autonomía es muy superior.


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Generación Electrógena Ésta se produce a partir del movimiento producido por un motor a combustión interna de petróleo, gasolina ó gas.

La generación electrógena la podemos encontrar comúnmente como energía de respaldo en hospitales, centrales telefónicas y bancos. También, la energía electrógena es muy útil en zonas donde es difícil el transporte y se puede generar en forma portátil.


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Generación Termonuclear Ésta es similar a la termoeléctrica, con la diferencia que el calor se obtiene de la fisión nuclear. De esta manera se puede generar grandes cantidades de energía eléctrica de una forma muy eficiente, pero tiene el costo de producir desperdicios radiactivos muy difíciles de manipular y de degradar. Central termonuclear


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Generación Geotérmica Se obtiene del calor de las placas subterráneas de la tierra. Aquí también el calor produce vapor a presión que posteriormente mueve una turbina que a su vez mueve un generador. Central geotérmica

Actualmente se están realizando estudios de otras fuentes de energía alternativas como la de las mareas, entre otras.


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Generación mareomotriz La energía mareomotriz es la que se obtiene aprovechando las mareas: mediante su empalme a un alternador se puede utilizar el sistema para la generación de electricidad, transformando así la energía mareomotriz en energía eléctrica, una forma energética más segura y aprovechable. Es un tipo de energía renovable, en tanto que la fuente de energía primaria no se agota por su explotación, y es limpia ya que en la transformación energética no se producen subproductos contaminantes gaseosos, líquidos o sólidos. Sin embargo, la relación entre la cantidad de energía que se puede obtener con los medios actuales y el coste económico y ambiental de instalar los dispositivos para su proceso han impedido una penetración notable de este tipo de energía.


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Sistema Eléctrico en Chile En nuestro país dada la condición geográfica presente, el sector eléctrico se ha desarrollado a través de cuatro sistemas eléctricos independientes (ordenados de norte a sur), los que tienen la denominación y la cobertura indicada a continuación: Sistema Interconectado del Norte Grande (SING) I y II Región

Sistema Interconectado Central (SIC) III a X Región

Sistema Eléctrico de Aysen XI Región Sistema Eléctrico de Magallanes XII Región


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Sistema Interco nectado No rte Grand e ( SING)

Cubre el 24% del territorio Chileno y da servicio al 6% de la población nacional. Su aporte de potencia al global nacional es del orden de un 18,3%.


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Sistema Interco nectado c entral (SIC)

Interconecta aproximadamente el 80,9% de la potencia total existente en el País. Cubre el 43% del territorio (desde Taltal a Chiloé), y da servicio a cerca del 93% de la población nacional.


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Si s te m a El é c tr ic o d e A y s é n (SE A )

Consta de cinco subsistemas aislados, los que producen el 0,2% de la potencia eléctrica total instalada en el País. Sis tem a Elé ct ric o d e Mag allan es (SEM)

Consta de tres subsistemas que no están conectados entre sí. Su potencia total instalada alcanza al 0,6% de la potencia eléctrica total en el País. El orden anterior de los sistemas eléctricos (de norte a sur), se consolidó a comienzos de la década de los 80, junto con el proceso de privatización de las compañías eléctricas. Ésta distribución está pensada, básicamente, para responder a los requerimientos de nuestra estructura económica. El sistema del norte (SING), por ejemplo, se gestó para satisfacer la demanda energética de las empresas mineras, mientras que el SIC, para abastecer a la Región Metropolitana, V y VIII Región, básicamente. El SING, que entró en operaciones en 1987, se extiende entre la ciudad de Arica por el norte, y la localidad de Coloso por el sur. Por razones obvias, el 100% de la energía que allí se produce es generada por centrales térmicas. El SIC, cubre el área comprendida entre Taltal por el norte, y la localidad de Quellón en Chiloé por el sur. La XI Región es abastecida por minicentrales hidroeléctricas y termoeléctricas. En la XII Región, en tanto, se concentra una potencia instalada en centrales termoeléctricas, casi todas provistas de turbinas y motores a gas natural. Presta servicio a las ciudades de Punta Arenas, Puerto Natales y Puerto Porvenir.


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Sistema Eléctrico De Potencia Se denomina sistema eléctrico de potencia al conjunto de etapas que permiten la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica hasta los centros de consumo.

Etapas De Un Sistema Eléctrico De Potencia (SEP)

Esquema Simplificado De La Generación, Transmisión y Distribución De La Energía Eléctrica

PLANTA DE GENERACIÓN

LÍNEAS DE TRANSMISIÓN

CONSUMO TRANSPORTE CONSUMO INDUSTRIAL URBANO RESIDENCIAL


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CORRIENTE ELÉCTRICA (FLUJO DE ELECTRONES) Sabemos que el electrón es la unidad básica de la electricidad, pero como su carga es tan pequeña, es necesario mover millones de ellos para producir una corriente que sea apreciable. Como dichos números son tan grandes sería muy difícil expresarlos con palabras. Por ello se ha creado una unidad más práctica llamada Coulomb [C] que equivale a 6,28 millones de millones de millones (6,28 x 1018). El coulomb representa el número de electrones que se haya en reposo o en movimiento a través de un conductor.

CORRIENTE CONTINUA Y ALTERNA. La corriente continua, también llamada corriente directa es la que se mueve en un circuito únicamente en una dirección. La razón de que la corriente sea unidireccional es que las fuentes de voltaje tales como celdas o baterías mantienen la misma polaridad en su voltaje de salida. El voltaje que estas proporcionan se llama voltaje de corriente continua. Una fuente de voltaje de CC puede cambiar la magnitud de su voltaje de salida, pero si se mantiene la misma polaridad, la corriente fluirá solamente en una dirección (Hacer dibujo de ondas de CC y VC). Una fuente de corriente alterna invierte o alterna periódicamente su polaridad. Por consiguiente, la corriente alterna resultante también invierte periódicamente su dirección (Hacer dibujo de ondas de CA y VA).


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INTENSIDAD DE CORRIENTE. Es la cantidad de electrones que pasan o circulan por un conductor en una determinada unidad de tiempo. Se representa con una flecha, se nombra con la letra I y se mide en Amper [A]. Para medirla debemos ubicarnos en un punto del conductor y establecer la cantidad de electrones que pasan por este en un segundo. Como el número de electrones se mide en Coulombs, un Amper representa el paso de un coulomb en un segundo a través de un circuito, es decir, el movimiento de 6,28 x 10 18 electrones en un segundo. Es importante notar que la corriente siempre partirá del polo negativo de la batería, circulará a través de todo el circuito externo y volverá a entrar a la fuente por el polo positivo. A esta corriente se le llama corriente electrónica, porque los electrones libres siempre se mueven del polo negativo al positivo. Antes de que naciera la teoría electrónica, se creía que la corriente circulaba del polo positivo al negativo, lo que es erróneo, pero se ha aceptado por convención. Se utilizará el sentido convencional de la corriente eléctrica.

Q=IxT q I = –– t Donde Q carga en [C], I corriente en [A] y T tiempo en [seg.].


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DIFERENCIA DE POTENCIAL (VOLTAJE) En su estado natural, los átomos de los cuerpos se encuentran equilibrados o sea que todos poseen igual número de electrones y de protones. Un átomo o un cuerpo puede ser desequilibrado aplicando a éste una fuerza externa lo suficientemente grande para hacer que el átomo pierda o gane electrones. En otras palabras, el potencial es el estado eléctrico en que se encuentra un cuerpo. La diferencia de potencial sólo puede existir entre dos puntos diferentes. Según esto una fuente de voltaje es un dispositivo que tiene entre sus terminales una diferencia de potencial. Dicha fuente puede ser una pila, una batería o un generador y sus puntos de conexión o terminales reciben el nombre de bornes; uno de ellos posee mayor concentración de cargas positivas y el otro de cargas negativas, razón por la cual entre ellos existe un fuerte campo eléctrico, el cual tratará de mover las cargas eléctricas que se encuentran entre ellos. La tensión se representa con la letra U en el sistema europeo y con la letra E en el sistema americano, para mayor facilidad se empleará la letra V y se mide en volt (V).


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RESISTIVIDAD (RESISTENCIA ESPECÍFICA) La resistividad eléctrica o resistencia especifica de un conductor, es su resistencia ( R ) por unidad de área de su sección transversal ( A ) y por unidad de longitud ( L ) y además es el inverso de la conductividad:

A = R –—

Material

Aluminio Carbón Cobre Constatan Nicromo Plata Platino Plomo Tungsteno


Resistividad ( · mm2 / m ) a 20º C 0,028 40,0 0,0172 0,489 1,5 0,0159 0,111 0,205 0,0549

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RESISTENCIA ELECTRICA. Todos los materiales conductores o aisladores ofrecen cierta oposición al paso de la corriente, propiedad que se llama resistencia. La facilidad de movimiento de los electrones en un material depende del tipo de átomos que lo constituye. Así, los cuerpos aislantes son pobres en electrones libres, mientras que los materiales conductores son ricos en electrones libres. Se dice entonces que los aisladores tienen una resistencia muy alta y que los conductores una resistencia muy baja. Por ello la resistencia se define como el grado de oposición que ofrece un material al paso de la corriente eléctrica. La unidad empleada para medir la resistencia es el Ohm y se representa con la letra griega omega [Ω]. El número de ohms representa la cantidad de oposición

que presenta un material al paso de la corriente. En electricidad y electrónica se utilizan valores de resistencias mayores que el ohm por lo cual es necesario disponer de unidades secundarias de medida (K Ω , M Ω ), que son los múltiplos de esta unidad de medida. En la figura se observa el símbolo de la resistencia.


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POTENCIA ELÉCTRICA La potencia en un circuito eléctrico se define como la velocidad de transferencia de energía y se expresa en watts ( 1 watts = 1 Joule/ seg). En cualquier instante de tiempo la potencia entregada al circuito es igual al producto de la corriente de entrada en ampere y la tensión de excitación en volts.

UNIDADES: Siendo el watts [ W ] la unidad de potencia básica, pueden usarse los siguientes submúltiplos y múltiplos: 1 mW ( miliwatts) = 10 − 3 W 1 KW ( kilowatts) = 10 3 W 1 MW ( megawatts) = 10 6 W

ENERGÍA ELÉCTRICA La energía es una medida del trabajo eléctrico realizado por una fuente para transportar la carga eléctrica por un circuito. La energía depende de la potencia entregada por la fuente en el tiempo.

Donde: W = energía eléctrica. Se expresa en Joules o en Watts seg P = potencia eléctrica. Se expresa en Watts t = tiempo en segundos Normalmente se acostumbra a expresar la energía eléctrica en KWH (kilo watts hora), tal como aparece en el recibo de electricidad que llega a nuestras casas.


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CLASIFICACIÒN DE LOS MATERIALES ELÈCTRICOS

CONDUCTORES:

Son aquellos que permiten el paso de la corriente a través de ellos, como: Cobre, Plata, Oro, etc.…..

Buenos conductores: Cobre



Plata



Aluminio



Zinc



Hierro



SEMICONDUCTORES:

Son aquellos que permiten el paso de la corriente a través de ellos bajo ciertas condiciones, si no se cumplen esas condiciones no conducen, como: Silicio, Germanio, etc.…


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AISLANTES:

Son aquellos que no permiten el paso de la corriente a través de ellos, como: Madera, Goma, Cuero, etc.….

Buenos Aislantes: Plástico



Goma



Vidrio



Mica Cerámica



CIRCUITOS ELÉCTRICOS

Un circuito eléctrico es un conjunto de elementos interconectados entre si mediante conductores eléctricos, por donde circula una corriente eléctrica. En un circuito eléctrico se identifican algunos elementos básicos que se indican a continuación: Fuente de alimentación, conductor, protección, accionamiento, carga.


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CONEXIÓN EN SERIE

Si dos resistencias R 1 y R 2 se conectan en serie, en un circuito eléctrico, la resistencia equivalente R e a ambas está dada por la siguiente relación:

Re = R1 + R2

Su característica principal es que la corriente que circula es la misma por todas las resistencias en serie.


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CONEXION EN PARALELO

Si dos resistencias R 1 y R 2 se conectan en paralelo, en un circuito eléctrico, la resistencia equivalente R e a ambas está dada por la siguiente relación:

1

1

1

—— = —— + ——

Re

R1

R2

Su característica principal es que el voltaje es el mismo en todas las resistencias en paralelo.


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LA LEY DE OHM. La corriente y el voltaje, asociados con una resistencia, se relacionan entre si mediante una fórmula muy útil y sencilla llamada la Ley de Ohm y que dice lo siguiente: La intensidad [I] de la corriente eléctrica que circula por un circuito es directamente proporcional al voltaje aplicado [V] e inversamente proporcional a la resistencia [R] del mismo. Matemáticamente, esta relación se puede representar en forma resumida mediante la siguiente fórmula: I=V/R Para que la aplicación de esta fórmula arroje los resultados correctos, las cantidades deben expresarse en las unidades básicas, es decir, el voltaje en volts, la corriente en amperes y la resistencia en ohms. Otra forma de representar la Ley de Ohm originalmente expresada como I = V / R es mediante dos ecuaciones equivalentes, así: V = I * R, y R = V / I.


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LEYES DE KIRCHHOFF

PRIMERA LEY

La suma algebraica de las intensidades de corriente en un nodo es igual a cero, también se dice que, la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen de un nodo.

I t = IR1 + IR2 + IR3 SEGUNDA LEY

La suma algebraica de los voltajes en una malla de un circuito completo es igual a cero, o también se dice que en una malla, la suma de los voltajes en las cargas es igual al voltaje de la fuente.

V1 = VR1 + VR2 + VR3


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GUIA DE EJERCICIOS N° 1: LEY DE OHM 1) Calcule el voltaje (expresado en volts) de una resistencia de 2 Ω cuando por ella circula una intensidad de corriente de : a) 5 A b) 5 mA c) 5 µA d) 5 KA e) 5 nA f) 5 pA. 2) Calcule la resistencia (en Ω) de un resistor de carbón por el que circula una

corriente de intensidad: a) 200 mA a una tensión de 220 V b) 3 A a una tensión de 120 mV c) 0,28 x 10−4 mA a una tensión de 4 µV d) 0,28 x 10− 4 A a una tensión de 4 µ V. 3) Calcule la intensidad de corriente que circula por una resistencia de 10 KΩ

cuando se aplica una diferencia de potencial de 300 mV. Exprese el resultado en : KA ; A ; mA ; µA. 4) Si la corriente por un resistor se triplica y el voltaje permanece constante, indique que debe ocurrir con el valor de la resistencia del resistor. 5) Si la resistencia de un resistor se reduce en un quinto y el voltaje permanece constante, indique que debe ocurrir con la intensidad de la corriente que circula por él. 6) Realice las siguientes conversiones de unidades: a) 0,043 mΩ a MΩ b) 12,054 V a mV c) 443,87 µA a A d) 200,96 KΩ a Ω

e) 2,00 A a mA f) 1200 µV a KV


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GUIA DE EJERCICIOS N° 2: LEYES DE KIRCHHOFF EN CIRCUITOS RESISTIVOS 1) Determine el valor de la resistencia equivalente de 4 resistencias iguales, cada una de 10Ω conectadas en serie y luego conectadas en paralelo. 2) En el siguiente circuito determine la resistencia equivalente, la intensidad total y la potencia en cada resistencia.

R1 = 180 Ω R2 = 120 Ω

E1 = 12 V

3) En el siguiente circuito determine el voltaje V3, el voltaje y la potencia de la fuente E1 y el voltaje entre los puntos A y B. R1 = 20 Ω R2 = 40 Ω R3 = 10 Ω

V1 = 50 V V2 = 100 V

4) En el siguiente circuito determine el voltaje de la fuente E1 si se conocen las lecturas de los voltímetros V1 y V2. V1 = 10 V V2 = 6 V VR4 = 3 V VR2 = 5 V


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1.- Generalidades de La Energia Electrica (2015)

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