Guia sobre Electricidad

Guía básica sobre Electricidad

Preguntas:

1)      ¿Cómo se produce la electricidad si explicamos el movimiento de electrones en un átomo?

2)      Existen distintos tipos de materiales, buenos y malos conductores. Explicar porque.

3)      Electricidad estática. ¿qué es? ¿cómo y cuándo se produce?

4)      Como se distribuye la energía eléctrica desde su producción hasta los centros de consumo. (Enunciar cambios en voltaje)

5)      ¿Qué es la corriente continua y como se produce?

6)      ¿Qué es la corriente alterna y como se produce?

7)      Graficar la forma de onda de cada una en dos ejes. Tiempo y magnitud.

8)      ¿Cuál es la razón por la que se usa más corriente alterna que la continua?

9)      ¿Dónde se usa corriente trifásica y cuáles son sus sistemas de producción?

Respuestas:

1) ¿Qué es la corriente eléctrica?

     Si se quiere usar energía eléctrica para realizar algún trabajo es preciso que la electricidad se "ponga en marcha". Esto sucede cuando se tiene una corriente eléctrica. La corriente se produce, cuando en un conductor hay muchos electrones libres que se mueven en la misma dirección.

     Todo electrón tiene cierta energía que puede producir determinados efectos. Los electrones suelen moverse en diversas direcciones, de manera que tales efectos se anulan. Pero cuando se hace que los electrones se muevan en la misma dirección, es decir, hay una corriente que fluye, entonces sus efectos se suman y la energía que liberan puede aprovecharse para realizar algún trabajo. Además, mientras mayor sea el número de electrones que se mueven en la misma dirección, mayor será el flujo de corriente y se dispondrá de mayor energía para efectuar algún trabajo. Por lo tanto, las corrientes mayores o menores, las produce un número mayor o menor, respectivamente, de electrones "puestos en marcha", en la misma dirección.

Electrones libres

     Para comprender cómo pueden los electrones producir corriente eléctrica, será útil ilustrar la forma en que los átomos de un buen conductor, por ejemplo el cobre, están unidos en un trozo del metal en estado sólido. Todos los materiales deben tener sus átomos (o moléculas) unidas en alguna forma, pues de lo contrario se desintegrarían. Existen diferentes tipos y formas de uniones; por eso, unos elementos son gases, algunos son líquidos y otros sólidos. Además, existen varias formas en que los átomos de los sólidos están unidos, y por esta razón algunos metales son suaves y otros duros. El tipo de unión que nos interesa para el estudio de la electricidad básica es la unión metálica.

     En un conductor de cobre cada uno de los átomos tiene un electrón de valencia, que apenas se mantiene en órbita. Además, los átomos están tan próximos, uno del otro, que las órbitas exteriores se sobreponen. Al girar el electrón de un átomo, puede ser atraído por otro átomo e incorporarse en la órbita de éste. Aproximadamente al mismo tiempo, un electrón en el segundo átomo se desprende y pasa a la órbita de otro átomo. La mayor parte de los electrones exteriores continuamente cambian de órbita en esta forma, de manera que los electrones de valencia en realidad no están asociados con ningún átomo particular. Más bien, todos los átomos comparten a todos los electrones de valencia y así se unen entre sí. Los electrones están "libres" para moverse al azar. La acción es continua, de manera que todo átomo siempre tiene un electrón, cada electrón siempre está en un átomo. Por lo tanto, no hay carga eléctrica, pero el conductor tiene un gran número de electrones libres.

Movimiento de los electrones

     Para producir una corriente eléctrica, los electrones libres en el conductor de cobre deben moverse en la misma dirección, y no al azar. Esto se pude hacer aplicando cargas eléctricas en cada extremo del alambre de cobre; una carga negativa en un extremo y una carga positiva en el otro.

     Puesto que estos electrones son negativos, la carga negativa los repele y los atrae la positiva. Debido a ello, no pueden pasar a aquellas órbitas que los harían moverse contra las cargas eléctricas. En cambio, se desplazan de órbita en órbita hacia la carga positiva, haciendo que se produzca una corriente eléctrica en esta dirección.

     Se puede ver en el diagrama que la densidad de los átomos en el alambre de cobre es tal que las órbitas de valencia de cada átomo se superponen de manera que los electrones pasan fácilmente de un átomo a otro. La trayectoria que recorre el electrón depende de la dirección de las órbitas que el electrón encuentra en el camino que lo lleva hacia la carga positiva.

     Puede verse que no siguen una línea recta. Pero en los extremos del conductor, donde las cargas son más intensas, éstas ejercen mayor control sobre cada electrón, de modo que sigue una trayectoria más próxima a la recta y se mueve con mayor rapidez a través del conductor.

2) Cada capa electrónica puede tener un número determinado de electrones. En el caso de la última capa, que es la que origina la valencia o conducción, este número es de ocho, y todos los átomos tienden a completar su última capa con ocho electrones (regla del octeto).

     Por ejemplo, un átomo que tenga siete electrones en la última capa, tendrá fuerte tendencia a captar uno de algún otro átomo cercano, convirtiéndose en un anión. En cambio, un átomo que tenga sólo un electrón en su última capa, tendrá tendencia a perderlo, quedándose con los ocho de la penúltima capa, y convirtiéndose en un catión. Estas posibilidades dependen del tipo de átomo, es decir del tipo de sustancia (hay 103 átomos distintos conocidos), y dan lugar a las combinaciones químicas o a la conducción eléctrica.

     La propiedad que poseen algunas sustancias de tener electrones libres (en la Banda de Conducción) capaces de desplazarse se llama conductividad.

    Estos materiales serán capaces, bajo la acción de fuerzas exteriores, de "conducir" la electricidad, ya que existen unas cargas eléctricas (los electrones) que pueden moverse en su interior.

    Basándose en el criterio de mayor o menor conductividad, se pueden clasificar los materiales en tres grupos:

CONDUCTORES: Son aquellos con gran número de electrones en la Banda de Conducción, es decir, con gran facilidad para conducir la electricidad (gran conductividad). Conductores son todos los metales (unos mejores que otros), además de otras sustancias como el grafito. Buenos conductores son: el cobre, el aluminio, el oro, la plata, el estaño. Malos conductores son: el hierro, el plomo.

AISLANTES O DIELÉCTRICOS: Son aquellos cuyos electrones están fuertemente ligados al núcleo y por tanto, son incapaces de desplazarse por el interior y, consecuentemente, conducir. Buenos aislantes son por ejemplo: la porcelana, el vidrio, los plásticos, la madera, la mica.

SEMICONDUCTORES: Algunas sustancias son poco conductoras, pero sus electrones pueden saltar fácilmente de la Banda de Valencia a la de Conducción si se les comunica energía exterior: son los semiconductores, de gran importancia en el mundo de la electrónica. Algunos ejemplos son: el Silicio, el Germanio, el Arseniuro de Galio.

3) La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro.



     La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. 

     Si dos cosas tienen cargas opuestas, se atraen; pero si tienen la misma carga, se repelen. Esto explica por qué el cabello se nos pone de punta cuando nos sacamos un jersey o un sombrero de lana. Dado que al realizar esta acción frotamos nuestros cabellos con la lana, algunos electrones del cabello pasan al tejido y así los pelos nos quedan cargados positivamente. Las cosas con la misma carga se repelen. Por lo tanto, los cabellos intentan alejarse los unos de los otros. Como están bien enganchados a nuestra cabeza (por suerte), lo más efectivo que pueden hacer es ponerse de punta, bien lejos del resto. 

4) La energía eléctrica no se puede almacenar, por lo que debe existir un equilibrio constante entre la producción y el consumo. El transporte de electricidad se realiza a través de líneas de transporte a tensiones elevadas que, conjuntamente con las subestaciones, forman la red de transporte. La red de distribución está formada por el conjunto de cables subterráneos y los centros de transformación que permiten hacer llegar la energía hasta el cliente final. La red de distribución es la parte del sistema de suministro eléctrico responsable de las compañías distribuidoras de electricidad hasta los consumidores finales.

La red eléctrica: La red eléctrica une todos los centros generadores de energía eléctrica con los puntos de consumo, de este modo se consigue un equilibrio entre la cantidad de energía consumida y la producida por las centrales eléctricas. La red de transporte de energía eléctrica está formada por los elementos que llevan la electricidad desde los centros de generación hasta puntos cercanos donde se consume. Para poder transportar la electricidad con las menores pérdidas de energía posibles se tiene que elevar su nivel de tensión. Las líneas de transporte o líneas de alta tensión están constituidas por un elemento conductor (cobre o aluminio) y por los elementos de soporte (torres de alta tensión). Estas conducen la corriente eléctrica, una vez reducida su tensión hasta la red de distribución.

Etapas:

1. Las centrales eléctricas producen una corriente con una tensión de 10-20 kilovoltios (kV).
2. Al salir de las centrales eléctricas se eleva la tensión de la corriente hasta 110-480 kV (alta tensión) para minimizar las pérdidas de energía durante el transporte.
3. Después, en estaciones transformadoras, se varía de nuevo el voltaje de la corriente hasta 220 ó 380 V, un valor aprovechable en nuestras viviendas, oficinas, industrias, ...

     La diferencia de potencial suministrada por la red eléctrica en Argentina es de 220 V ± 10%. Pero a menudo utilizamos aparatos eléctricos que funcionan con un voltaje mucho menor como, por ejemplo, las lámparas halógenas o algunos aparatos electrónicos. En este caso necesitamos transformar la tensión utilizando unos elementos llamados transformadores. Una clavija del transformador se conecta al aparato y la otra se enchufa a la red. Algunos transformadores, como el de la foto, disponen de varias clavijas para adaptarlos a aparatos diferentes, e incluso permiten seleccionar el voltaje de salida.

5) CORRIENTE CONTINUA

   La corriente continua la producen las baterías, las pilas y las dinamos. Entre los extremos de cualquiera de estos generadores se genera una tensión constante que no varía con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todo los receptores que se conecten a la pila estarán siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada y tenga menos tensión). Además de estar todos los receptores a la tensión de la pila, al conectar el receptor (una lámpara por ejemplo) la corriente que circula por el circuito es siempre constante (mismo número de electrones) , y no varía de dirección de circulación, siempre va en la misma dirección, es por eso que siempre el polo + y el negativo son siempre los mismos.
  Conclusión, en c.c. (corriente continua o DC) la Tensión siempre es la misma y la Intensidad de corriente también.

6) CORRIENTE ALTERNA

     Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales eléctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes).

     En este tipo de corriente la intensidad varia con el tiempo (número de electrones), además cambia de sentido de circulación a razón de 50 veces por segundo (frecuencia 50Hz). Según esto también la tensión generada entre los dos bornes (polos) varia con el tiempo en forma de onda senoidal, no es constante.

     Esta onda senoidal se genera 50 veces cada segundo, es decir tiene una frecuencia de 50Hz (hertzios), en EEUU es de 60Hz. Como vemos pasa 2 veces por 0V (voltios) y 2 veces por la tensión máxima que es de 325V. Es tan rápido cuando no hay tensión que los receptores no lo aprecian y no se nota, excepto los fluorescentes (efecto estroboscópico). Además vemos como a los 10ms (milisegundos) la dirección cambia y se invierten los polos, ahora llega a una tensión máxima de -325V (tensión negativa).

     Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la más común ya que es la que tenemos en nuestras casas. La onda de la intensidad sería de igual forma pero con los valores de la intensidad lógicamente, en lugar de los de la tensión.

7) Corriente alterna

     Corriente continúa

8) Distancia

     Una de las principales razones de por qué la CA es mejor que la CC es que en las distancias, la CA viaja sin perder cantidades apreciables de energía. Una línea de CC tiene un rango máximo de aproximadamente media milla (800 metros) de modo que para usar corriente continua en tu casa necesitarías de una estación a media milla de distancia de tu casa. La corriente alterna, por otra parte, puede enviar energía a cientos de millas porque los electrones en sí viajan sólo una distancia muy pequeña antes de transferirle su energía a otros electrones. Esto expande ampliamente el rango efectivo de la electricidad.

Costos

     La corriente alterna es más económica en muchos niveles que la corriente continua. Primero, la CA tiene menos pérdidas de energía, lo cual implica que se debe producir menos energía de forma genera. En segundo lugar, a diferencia de la CC, que requiere de cables de cobre de muy alta calidad para poder transmitirse de manera efectiva, la CA puede usar cables más económicos porque la pérdida de potencia no es un problema tan grave. Por último, la CA requiere de menos inversión en infraestructura porque se necesitan de menos estaciones de energía para transmitir la electricidad.

9) La tensión trifásica, es esencialmente un sistema de tres tensiones alternas, acopladas, (se producen simultáneamente las 3 en un generador), y desfasadas 120º entre sí (o sea un tercio del Periodo).

     Estas tensiones se transportan por un sistema de 3 conductores (3 fases), o de cuatro (tres fases + un neutro). Por convención las fases se denominan R, S, T, y N para el conductor neutro si existe.

Sistema de tres tensiones trifásicas

     Este sistema de producción y transporte de energía , en forma trifásica, desde el generador a los receptores esta universalmente adoptado, debido a que presenta economía en el material de los conductores, para la misma potencia eléctrica transmitida, y además permite el funcionamiento de motores eléctricos muy simples duraderos y económicos, de campo rotatorio, como los motores asíncronos de rotor en cortocircuito (motores de "jaula de ardilla"), que son los empleados en la mayoría de las aplicaciones de baja y mediana potencia.

     Los receptores monofásicos, se conectan entre dos conductores del sistema de 3 o 4 conductores, y los motores y receptores trifásicos, a las 3 fases simultáneamente.

     En el caso de un edificio de viviendas, por ejemplo, se reparten las cargas de cada planta entre las distintas fases, de forma que las 3 fases queden aproximadamente con la misma carga (sistema equilibrado)

     Los transformadores para la corriente trifásica son análogos a los monofásicos, salvo que tienen 3 devanados primarios y 3 secundarios.