Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann Facultad de Ing. Civil, Arquitectura y Geotecnia
Escuela Académico Profesional de Ingeniería Geológica y Geotecnia Monograf Monografía: ía: Formas Formas de Generar Generar Electricida Electricidad d Presentado por: Edilber Chipana Pari Cód.: Cód.: 2015-1 2015-1300 30020 20 25 de julio del 2016 Tacna Perú
1. RESUMEN MEN Se ve que la energía eléctrica existe en diversos medios pero en el medio ambiente apenas existe libremente de una manera aprovechable y dando un ejemplo y el más indicado de este serían las tormentas eléctricas ya que en un comienzo las tormentas eléctricas no tenían ningún uso para el hombre. Pero hoy en día la electricidad no solo tiene ventajas tecnológicas si no que hasta biológicas gracias al uso de este en los electroshok. Pero la acumulación de este medio resulta realmente difícil ya que se necesitan de acumuladores. La generación de la electricidad hoy en día ya es una actividad básica ya que esta está relacionada directamente con los requerimientos actuales que tiene el hombre. Todas las formas de utilización de fuentes de energía, tanto las habituales como las llamadas alternativas o no convencionales, agreden en mayor o menor medida el ambiente, siendo de todos modos la energía eléctrica una de las energías que causan menor impacto.
2. OBJET BJETIV IVOS OS
Conocer algunas formas de generar energía eléctrica y como es que funcionan.
Ver la importancia de la energía eléctrica en nuestra vida diaria
3. CONT CONTEN ENID IDO O
Electricidad por Acción Química
Dispositivo que convierte convierte la energía química en en eléctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito (que puede ser líquido, sólido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor iónico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica. Véase Electroquímica. Las pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que el producto químico que al reaccionar en los electrodos produce energía eléctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente eléctrica a través de él en sentido opuesto a la operación normal de la pila.
Entre los extremos de los metales, fuera del electrolito, se genera una diferencia de potencial, o voltaje, que puede dar lugar a una corriente corriente eléctrica. En la pila de la figura 3 el zinc adquiere carga negativa, mientras que el cobre adquiere cargas positivas. Al zinc se le llama cátodo y el cobre recibe el nombre de ánodo. Así se tiene una fuente de electricidad distinta a la generada por fricción. f ricción. Con este medio químico para obtener electricidad se abrieron nuevas posibilidades de aplicación práctica y experimental. experimental. La explicación explicación de las reacciones químicas que ocurren en la pila o celda voltaica se dio muchos años después, ya que en la época de Volta la química apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna. Solamente diremos que, por un lado, el zinc adquiere un exceso de electrones, mientras que por el otro, el ácido con el cobre da lugar a cargas eléctricas positivas. Al unir el cobre con el zinc por medio de un alambre conductor, los electrones del zinc se mueven a través del alambre, atraídos por las cargas del cobre y al llegar a ellas se les unen formando hidrógeno.
Pila voltaica Se denomina ordinariamente pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o cátodo y el otro es el polo positivo o ánodo. En español es habitual llamarla así, mientras que las pilas recargables o acumuladores, se ha venido llamando batería.
Imagen 01: Pila voltaica
El funcionamiento de una pila se basa en el potencial de contacto entre dos sustancias, mediado por un electrolito.9 electrolito.9 Cuando se necesita una corriente mayor que lla a que puede suministrar un elemento único, siendo su tensión en cambio la adecuada, se pueden añadir otros elementos en la conexión llamada en paralelo. La capacidad total de una pila se mide en amperios-hora amperios-hora (A•h); es el número máximo de amperios que el elemento elemento puede suministrar en una hora. Es un valor que no suele conocerse, ya que no es muy claro dado que depende de la intensidad solicitada y la temperatura.
Un importante avance en la calidad de las pilas ha sido la pila denominada seca, al que pertenecen prácticamente todas las utilizadas hoy día. Las pilas eléctricas, baterías y acumuladores se presentan en unas cuantas formas normalizadas en función de su forma, tensión y capacidad que tengan.
Los metales y productos químicos constituyentes de las pilas pueden resultar perjudiciales para el medio ambiente, produciendo contaminación química. Es muy importante no tirarlas a la basura (en algunos países no está permitido), sino llevarlas a centros de reciclado. En algunos países, la mayoría de los proveedores y tiendas especializadas también se hacen cargo de las pilas gastadas. Una vez que la envoltura metálica que recubre las pilas se daña, las sustancias químicas que contienen se ven liberadas al medio ambiente causando contaminación. Con mayor o menor grado, las sustancias son absorbidas por la tierra pudiéndose filtrar hacia los mantos acuíferos y de estos pueden pasar directamente a los seres vivos, entrando con esto en la cadena alimenticia. Las pilas son residuos peligrosos por lo que desde el momento en que se empiezan a reunir, deben ser manejadas por personal capacitado que siga las precauciones adecuadas empleando todos los procedimientos técnicos y legales para el manejo de dicho residuos.10
Estas pilas suelen suelen utilizarse utilizarse en los aparatos aparatos eléctricos eléctricos portátiles, que son una gran cantidad de dispositivos que se han inventado y que se nutren para su funcionamiento de la energía facilitada por una o varias pilas eléctricas o de baterías recargables. Entre los dispositivos de uso masivo destacan juguetes, linternas, relojes, teléfonos móviles, marcapasos, audífonos, calculadoras, ordenadores personales portátiles, reproductores de música, radio transistores, mando a distancia, etc.
Pilas de combustible
Una celda, célula o pila de combustible es un dispositivo dispositivo electroquímico de generación generación de electricidad similar a una batería, que se diferencia de esta en estar diseñada para permitir el reabastecimiento continuo de los reactivos consumidos. Esto permite producir electricidad a partir de una fuente externa de combustible y de oxígeno, en contraposición a la capacidad limitada de almacenamiento de energía de una batería. Además, la composición química de los electrodos de una batería cambia según el estado de carga, mientras mientras que en una celda de combustible combustible los electrodos electrodos funcionan funcionan por la acción de catalizadores, por lo que son mucho más estables.
En las celdas de hidrógeno los reactivos usados son hidrógeno en el ánodo y oxígeno en el cátodo. Se puede obtener obtener un suministro suministro continuo de hidrógeno a partir de la electrólisis del agua, lo que requiere una fuente primaria de generación de electricidad, o a partir de reacciones catalíticas que desprenden hidrógeno de hidrocarburos. El hidrógeno puede almacenarse, lo que permitiría el uso de fuentes discontinuas de energía como la solar y la eólica. El hidrógeno gaseoso (H 2) es altamente inflamable y explosivo, por lo que se están desarrollando métodos de almacenamiento en matrices porosas de diversos materiales.
Generador Generador termoeléctrico termoeléctrico de radioisóto radioisótopos pos
Un generador termoeléctrico de radioisótopos es un generador eléctrico simple que obtiene su energía liberada por la desintegración radiactiva de determinados elementos. En este dispositivo, el calor liberado por la desintegración de un material radiactivo se convierte en electricidad directamente gracias al uso de una serie de termopares, que convierten el calor en electricidad gracias al efecto Seebeck en el llamado Unidad de calor de radioisótopos (o RHU en inglés).
Los RTG se pueden considerar un tipo de batería y se han usado en satélites, sondas espaciales no tripuladas e instalaciones remotas que no disponen de otro tipo de fuente eléctrica o de calor.
Los RTG son los dispositivos más adecuados en situaciones donde no hay presencia humana y se necesitan potencias de varios centenares de vatios durante largos períodos de tiempo, situaciones en las que los generadores convencionales como las pilas de combustible o las baterías no son viables económicamente y donde no pueden usarse células f otovoltaicas otovoltaicas
Electricidad por inducción
Existe Electrizacion o carga por inducción cuando un cuerpo con carga eléctrica se aproxima a otro neutro causando una redistribución en las cargas de éste. Para completar el proceso de carga por inducción se debe conectar brevemente el objeto a "tierra" y luego retirar el cuerpo cargado.
La inducción transmite carga
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro. Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente. Se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado, denominado inductor, inductor, induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. Es importante tener en cuenta que la carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor. Por ejemplo, cuando cargas un globo al frotarlo con tu cabello y lo acercas a pequeños papelitos y estos son atraídos por el globo, al frotar el globo en tu cabello se carga de electrones y al acercarlo acercarlo con los papelitos estos son atraídos por él.
Imgen 02: Inducción I nducción magnética
Una carga eléctrica se produce cuando se frotan uno con otro dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, se da y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello. Estas cargas reciben el nombre de electricidad estática, la cual se produce cuando un material transfiere sus electrones a otro.
Esto es algo que aún no se entiende perfectamente. Pero una teoría dice que en la superficie es un material existen muchos átomos que no pueden combinarse con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando está dentro del material; por lo tanto, los átomos superficiales contienen algunos electrones electrones libres, esta es la razón por la cual os aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir cargas de electricidad estática. La energía calorífica producida por la fricción del frotamiento se imparte a los átomos superficiales que entonces liberan los electrones, a esto se le conoce como efecto triboeléctrico.
Electricid Electricidad ad por presión presión Cuando se aplica presión a algunos materiales, la fuerza de la presión pasa a través del material a sus átomos, desalojando los electrones de sus orbitas y empujándolos en la misma dirección que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado del material y se acumulan en el lado opuesto. Así cesa la presión, presión, los electrones electrones regresan regresan a sus órbitas. órbitas. Los materiales se cortan en determinad formas para facilitar el control de las superficies que habrán de cargarse; algunos materiales reaccionaran a una presión de flexión en tanto que otros responderán a una presión de torsión. Piezoelectricidad es el nombre que se da a las cargas eléctricas producidas por el efecto de la presión. El efecto es más notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas cerámicas como el titanato de bario.
Imagen 03: Generar electricidad por presión
Electricidad por calor
¿Cómo generar electricidad electricidad directamente directamente de la calor?
A través de algunos materiales se se puede generar electricidad electricidad directamente directamente con la calor. Algunos materiales son generadores termoeléctricos, termoeléctricos, también también llamados llamados generadores de
Seebeck, como por ejemplo aleación de metales de níquel y aluminio, cobre y níquel o níquel y silicio.
Un material termoeléctrico termoeléctrico genera electricidad convirtiendo convirtiendo la diferencia de temperatura temperatura de estos materiales en voltaje eléctrico. Dos características de estos materiales son tener una alta conductividad eléctrica y una baja conductividad térmica.
Teniendo una baja conductividad conductividad térmica nos aseguramos aseguramos que mientras mientras uno de los los lados del material está caliente el otro lado permanece frío. Esta diferencia de temperatura es la causante del voltaje. La unidad de medida de la magnitud de electrones que fluyen por el material en respuesta a la diferencia de temperatura viene dada por el coeficiente de Seebeck.
Imagen 04: Generar electricidad por calor
Termopotencia (Seebeck) La Termopotencia, potencia termoeléctrica, o coeficiente Seebeck de un material mide la magnitud de un voltaje termoeléctrico termoeléctrico inducido inducido en respuesta a una diferencia de temperatura a través de ese material, la termopotencia tiene unidades de (V/K), aunque en la práctica es más común usar microvoltios por kelvin. Los valores en los cientos de u de uV/K, V/K, negativos o positivos, son típicos de buenos materiales termoeléctricos.
La termopotencia de un material representada por S, depende de la temperatura y estructura cristalina del material. Típicamente los metales tienen termopotencias bajas porque la mayoría tiene tiene bandas medio llenas. llenas. Ambos electrones (cargas negativas) y huecos (cargas positivas) contribuyen al voltaje termoeléctrico inducido así se cancelan cada uno con la contribución al voltaje de otro y hacerlo pequeño. En cambio, los semiconductores pueden estar dopados con una cantidad en exceso de electrones o huecos y así se puede tener grandes valores positivos o negativos de la
termopotencia según la carga de los portadores en exceso. El signo de la termopotencia puede definir que portadores cargados domina el transporte eléctrico en ambos metales y semiconductores. semiconductores.
Si la dife difere renc ncia ia de temp temper erat atur ura a entr entre e los los dos dos ext extre remo mos s de de un mate materi rial al es pequeña, entonces la termopotencia de un material se define (aproximadamente) como:
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En la práctica raramente raramente se mide mide la termopotencia termopotencia absoluta del material material de interés. interés. Debido a que los electrodos conectados al multímetro se pueden colocar en el material para de medir el voltaje termoeléctrico. El gradiente de temperatura también induce un voltaje termoeléctrico a través de una de las puntas de los electrodos. Por lo tanto la termopotencia medida incluye una contribución de la termopotencia del material de interés y del material de los electrodos de medida. La termopoten cia medida es entonces una contribución contribución de ambos y puede puede ser escrita como:
Los superconductores tienen termopotencia cero pues los portadores cargados no producen entropía. Esto permite una medición directa de la termopotencia absoluta del material de interés, ya que es la termopotencia de todo el termopar también. Además, una medida del coeficiente Thomson, u, de un material puede también producir la termopotencia a través de la relación:
La termopotencia es un parámetro importante importante del material material que determina la eficiencia de la termoelectricidad de un material. Un mayor voltaje termoeléctrico inducido para un gradiente de temperatura dado conllevará a una mayor eficiencia. Lo ideal es desear valores de termopotencia muy grandes ya que solo se necesita una cantidad pequeña de calor para crear un voltaje grande. Este voltaje se puede usar para producir potencia.
Electricidad por piezoeléctrico
La piezoelectricidad piezoelectricidad (del griego piezein, piezein, "estrujar o apretar") es un fenómeno que ocurre en determinados cristales que, al ser sometidos a tensiones mecánicas, en su masa adquiere una polarización eléctrica y aparece una diferencia de potencial y cargas eléctricas en su superficie.
Imagen 05 Este fenómeno también ocurre a la inversa: se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico. El efecto piezoeléctrico piezoeléctrico es normalmente reversible: al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma.
Ecuaciones de la piezoelectricidad Las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos combinan tensiones, deformaciones y comportamiento eléctrico:
D es la densidad de flujo eléctrico, E; es la permitividad y E es el campo eléctrico:
S es la deformación y T es la la tensión. Estas ecuaciones pueden combinarse en una sola ecuación donde se considera la relación entre carga y deformación:
d representa las constantes piezoeléctricas del material, y el superíndice E indica que la magnitud está medida bajo campo eléctrico constante o cero, y el superíndice T señala que se trata de una forma traspuesta de matriz.
Usos Uno de los usos más extendidos de este tipo de cristales sucede en los encendedores encendedores eléctricos. En su interior llevan llevan un cristal piezoeléctrico piezoeléctrico al cual golpea bruscamente bruscamente el mecanismo de encendido. Este golpe seco provoca una elevada concentración de carga eléctrica, capaz de crear un arco voltaico o chispa, que enciende el mechero. Otra aplicación importante de un cristal piezoeléctrico piezoeléctrico es su utilización como sensor de vibración. Cada una de las variaciones de presión producidas por la vibración provoca un pulso de corriente proporcional a la fuerza ejercida. Fácilmente se ha convertido convertido una vibración mecánica mecánica en una señal eléctrica eléctrica lista para amplificar. Basta conectar un cable eléctrico a cada una de las caras del cristal y enviar esta señal hacia un amplificador. Por ejemplo, en pastillas piezoeléctricas de guitarra. Una aplicación aplicación adicional muy importante importante de la piezoelectricidad, piezoelectricidad, pero en este caso al revés, sucede en los inyectores de combustible de los motores de combustión interna. Al aplicarse una diferencia diferencia de potencial potencial a un material piezoeléctrico piezoeléctrico se consigue abrir abrir el inyector, lo cual permite al combustible, a muy alta presión, entrar en el cilindro. El uso de inyectores piezoeléctricos posibilita controlar, con enorme precisión, los tiempos de inyección y la cantidad de combustible que se introduce en el motor. Ello redunda en mejoras en consumo, consumo, prestaciones y rendimiento rendimiento de los motores.
4. CONC CONCLU LUSI SION ONES ES
La energía eléctrica tiene una gran importancia en el desarrollo de la sociedad, su uso hace posible la automatización de la producción que aumenta la productividad y mejora las condiciones de vida del hombre. El conocer las diferentes formas de generar energía eléctrica podría servir de base para que podamos generar nuestra propia energía usando los principios ya expuestos, puesto que es un tipo de energía que no contamina y que como lo investigado sobre la generación de energía eléctrica notamos que es muy fácil de obtenerla, a usar nuestro ingenio que llevamos dentro y a cuidar nuestro planeta.
5. BIBL BIBLIO IOGR GRAF AFIA IA
Serway. Física. Física. Editorial McGraw-Hill (1992)
Energia Electrica https://es.wikipedia.org/wiki/Energ https://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_e %C3%ADa_el%C3%A9ctrica l%C3%A9ctrica
Tipos de Energía http://tiposdeenergia.info/tipos-d http://tiposdeenergia.info/tipos-de-energia/ e-energia/
