ELECTROTECNIA - SESIÓN 01

Universidad Nacional de Juliaca

Sesiรณn Nยบ 1

INTRODUCCION Ing. W. Miguel Soncco Vilcapaza

Electricidad:

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Es una forma de energía basada en la propiedad que tiene la materia de repeler o atraer electrones y que da lugar a varias manifestaciones físicas, como la luz, calor, los campos magnéticos, etc. La electricidad es la ciencia que estudia estos fenómenos eléctricos.

Electrónica: Es una extensión de la electricidad que estudia y aplica el movimiento de la electricidad en el vacío, en los gases y en los sólidos semiconductores. Se habla de electrónica a partir del momento en que se demuestra que es posible el transporte de la electricidad sin un medio que sea un conductor metálico.

1.1. ¿Qué es la Electrotecnia?

Es la disciplina que se dedica al estudio de la aplicación práctica o técnica de la electricidad, el magnetismo y la electrónica.

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3 La electrotecnia tiene como marco de actuación el sector eléctrico, esto es, el conjunto de empresas dedicadas a:  La producción, el transporte y la distribución de energía eléctrica.  La fabricación de máquinas y material eléctrico (conductores, protecciones, elementos de maniobra, equipos de control, convertidores estáticos, pilas y baterías, interruptores, enchufes, etc.).  El montaje, la instalación y el mantenimiento eléctrico.

Por lo tanto: La electrotecnia, como disciplina que se dedica al estudio de la electricidad, tiene como marco de actuación el sector eléctrico.

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4 1.2. El Sistema Eléctrico: Producción, Distribución y Uso a) Producción de Energía Eléctrica: La máquina rotativa que transforma la energía mecánica en eléctrica es el Generador Eléctrico. La energía mecánica la suministra una turbina que puede ser impulsada por agua o por vapor.

De las diferentes fuentes de energía, las realmente significativas en cuanto a la producción se pueden clasificar en tres grupos, según su procedencia: hidroeléctrica, termoeléctrica clásica y termoeléctrica nuclear.

Sin embargo, las energías renovables cada día van adquiriendo mayor relevancia y su utilización como fuente de energía comienza a ser significativa; entre ellas destaca la energía eólica y la fotovoltaica.

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5  Central hidroeléctrica: Aprovecha la energía que genera el agua almacenada que al caer por una fuerte pendiente sobre la turbina, que hace girar mecánicamente el generador eléctrico, que es el que produce la electricidad.

Ver: https://www.youtube.com/watch?v=9qhx6Y9u14g

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6  Central Térmica y Central Nuclear: Utilizan vapor de agua a presión sobre las turbinas que mueven el generador eléctrico. En las Térmicas, el vapor de agua se produce por combustión de carbón mineral, fuel-oil o gas, mientras que en las Nucleares se utiliza una reacción nuclear controlada con el uranio como combustible.

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7  Parque Eólico: Se aprovecha la energía cinética del viento para generar energía eléctrica.

Agrupando varios generadores eólicos en zonas de alto rendimiento. En la Unión Europea existe un aumento más elevado: en los últimos 10 años los crecimientos anuales son superiores al 35 %.

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8  Central Eléctrica Fotovoltaica: Las células fotovoltaicas aprovechan la energía del sol, produciendo corriente continua y para poder tener una potencia significativa se conectan en grupos, formando paneles de diferentes tamaños y potencias.

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b) Redes de Transporte de Energía Eléctrica:

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La energía eléctrica producida en las centrales eléctricas se transforma en alta tensión (adecuada para ser transportada a largas distancias) en las estaciones de transformación (ET), situadas en los parques de distribución de las centrales eléctricas. De ahí se conecta a las líneas de alta tensión (LT), que la transportarán hasta la red de distribución, situada cerca de los centros de consumo.

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c) Red de Distribución:

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Tiene una doble función: Distribuir la energía eléctrica a los diferentes puntos de consumo a través de la red pública de distribución, ya sea mediante líneas eléctricas aéreas colgadas o mediante líneas subterráneas.

Reducir la tensión, cerca de los puntos de consumo, a niveles adecuados para ser utilizada (baja tensión, por ejemplo 380 V o 220 V). Para ello cuenta con las subestaciones de transformación.

Finalmente, se realiza la conexión con cada uno de los abonados o usuarios.

El sistema eléctrico: Es el conjunto formado por las centrales generadoras, estaciones transformadoras, red de transporte y distribución a alta tensión, a media tensión y a baja tensión.

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Estructura básica del sistema eléctrico:

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12 RESUMEN Estructura básica del sistema eléctrico: 1.

2.

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7.

Central generadora.

Estación transformadora para elevar la tensión de generación a los valores necesarios para el transporte.

Línea de transporte en alta tensión.

Estación transformadora para adaptar los valores de la línea de transporte a los valores requeridos en las líneas de distribución (media tensión).

Línea de distribución a media tensión.

Transformador de distribución que adapta la tensión al valor requerido para su utilización en baja tensión (230/400 V en nuestro país).

Consumo doméstico.

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13 ACTIVIDAD 01 1.

Elabora resumen cronológico con los personajes y descubrimientos que han sido decisivos para el desarrollo de la energía eléctrica.

2.

¿Sabes dónde se produce la energía eléctrica que consumes en tu vivienda o universidad? Busca información al respecto e indica qué fases atraviesa hasta llegar para ser consumida.

3.

Investiga cuáles son las principales centrales productoras de electricidad que hay en nuestra región y país, luego señala qué fuente primaria de energía utiliza.

4.

Busca información sobre las energías alternativas y elabora un mapa conceptual al respecto. Indica cuáles son, en tu opinión, las limitaciones que tienen para producir energía a gran escala.

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1.2. Principios Eléctricos:

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Es necesario conocer conceptos de carga eléctrica, su aplicación en los diferentes tipos de materiales y su sistematización con la ley de Coulomb, para estudiar conceptos más abstractos como el campo eléctrico y la diferencia de potencial.

1.2.1. La Estructura de la Materia: Toda materia esta constituida por elementos diminutos, los átomos que están formados por Protones (positiva) y Neutrones (sin carga) que son parte del núcleo y los Electrones (negativa) están orbitando alrededor del núcleo.

Un material es Eléctricamente Neutro, si: N° de Electrones = N° de Protones.

Ejemplo, el silicio (Si) posee 14 protones (p+) en el núcleo y 14 electrones (e–) orbitando alrededor de él (ver figura).

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… IMPORTANTE: El ultimo nivel es denominado Nivel o Capa de Valencia de un material y su numero de electrones determina si este es Conductor, Aislante o Semiconductor.

La figura representa solo los electrones de la Capa de Valencia del átomo de silicio (Si)

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1.2.2. Cargas Eléctricas: Cuando un átomo acepta o cede electrones deja de ser eléctricamente neutro.

Si el átomo gana electrones, el cuerpo se carga negativamente (N° e > N° p).

Si el átomo cede electrones, el cuerpo se carga positivamente (N° p > N° e).

El Cu de los 29 e– que tiene, sólo uno está en el Nivel de Valencia.

La figura A, muestra el átomo de Cu neutro que, al capturar un electrón, queda cargado negativamente. En cambio, si cede el electrón, se queda con carga positiva (figura B).

figura B figura A

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‌ Por lo tanto:

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La Carga elĂŠctrica (Q) es el efecto producido por el exceso o el defecto de electrones o la cantidad de electricidad que posee un cuerpo.

Su unidad de medida es el Coulomb (C) đ?&#x;? đ??‚đ??¨đ??Žđ??Ľđ??¨đ??Śđ??› = đ?&#x;”, đ?&#x;?đ?&#x;’ đ??ą đ?&#x;?đ?&#x;Žđ?&#x;?đ?&#x;– đ?’†đ?’?đ?’†đ?’„đ?’•đ?’“đ?’?đ?’?đ?’†đ?’” 1.2.3. Conductores,Aislantes y Semiconductores: Materiales Conductores En su nivel de valencia, sus ĂĄtomos tienen entre uno y tres electrones que tienden a desprenderse, puesto que el coste energĂŠtico necesario para liberarlos es mucho menor que el necesario para completar el nivel de valencia.

Ejemplo, el cobre posee un electrĂłn en el nivel de valencia, necesita muy poca energĂ­a para desprenderse de ĂŠl. La tendencia natural a ceder este electrĂłn hace que el cobre sea un material buen conductor de la electricidad.

Los metales, son buenos conductores de la electricidad, requieren poca energĂ­a externa para hacer que sus electrones de valencia abandonen su Ăłrbita y queden en libertad para circular por el material. Ejemplo el oro (Au), la plata (Ag), el cobre (Cu), el aluminio (Al) y el hierro (Fe).

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Materiales Aislantes

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El número de electrones de valencia es de cinco a siete. En esta situación, el coste energético para completar a ocho electrones es menor al desprenderse de ellos.

Presenta una oposición a la circulación de electrones, debido a que cualquier electrón libre existente en el entorno próximo de un átomo es “atrapado” por éste, lo que impide su circulación por el material. Son aislantes naturales el aire seco, el aceite mineral, el vidrio, la porcelana, la mica, etc., y artificiales la baquelita, el cloruro de polivinilo (PVC), el poliéster, etc.

Materiales Semiconductores Generalmente tienen cuatro electrones en su último nivel. El coste energético que supone desprenderse de los electrones de valencia es idéntico al necesario para completar el nivel de valencia con ocho electrones.

Tienen poca utilidad práctica, cuando son convenientemente modificados adquieren una especial relevancia en la fabricación de dispositivos electrónicos utilizados para el control de sistemas y equipos eléctricos. Ejemplos de semiconductores son el silicio (Si) y el germanio (Ge).

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1.3. Ley de Coulomb:

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Charles Coulomb (1736 - 1806) enuncia y demuestra experimentalmente que el valor de la fuerza (F) con que se atraen o repelen dos partĂ­culas cargadas elĂŠctricamente situadas a una distancia fija es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de dicha distancia (ver figura). El valor de esta fuerza viene dada por:

đ?‘¸đ?&#x;? ∙ đ?‘¸đ?&#x;? đ??…= đ?‘˛âˆ™ đ?’…đ?&#x;?

Donde: F : es la fuerza de atracciĂłn o repulsiĂłn expresada en newtons (N).

Q1 y Q2 : son las cargas elĂŠctricas de cada partĂ­cula expresada en culombios (C).

K : es una constante que, en el sistema internacional (SI) y para el vacío, es igual a 9 x 109 newton ¡ metro2 / culombios2 (N ¡ m2 / C2). d : es la distancia entre las partículas expresada en metros (m).

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1.4. Campo ElĂŠctrico:

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Es la regiĂłn del espacio donde se ponen de manifiesto las fuerzas de atracciĂłn o repulsiĂłn sobre las cargas elĂŠctricas. La figura muestra el campo elĂŠctrico creado por la carga Q1 y la fuerza que ejerce sobre otra carga Q2 a una distancia fija d.

Para evaluar la intensidad de campo elĂŠctrico utilizamos la siguiente expresiĂłn: đ?‘­ đ?‘¸đ?&#x;? đ??„ = = đ?‘˛âˆ™ đ?&#x;? đ?‘¸ đ?’…

Donde: E F Q1 Q K d

: es la intensidad de campo elÊctrico expresada en voltios/metro (V/m). : es la fuerza de atracción o repulsión expresada en newtons (N). : es la carga elÊctrica de la partícula expresada en culombios (C). : es la carga unitaria de la partícula expresada en culombios (C). : es la constante igual a 9 x 109 N ¡ m2 / C2. : es la distancia entre las partículas expresada en metros (m).

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1.5. Diferencia de Potencial:

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Es el trabajo requerido para desplazar una unidad de carga entre dos puntos de un campo elĂŠctrico. La figura representa el desplazamiento de la carga Q, del punto B al punto A del campo elĂŠctrico E. Para evaluar la diferencia de potencial entre los puntos A y B dentro de un campo elĂŠctrico constante, utilizamos la siguiente expresiĂłn: đ?‘źđ?‘¨đ?‘Š = đ??„ ∙ đ?’… Donde: UAB : es la diferencia de potencial entre los puntos A y B expresada en voltios (V).

E : es el campo elĂŠctrico en voltios/metro (V/m). d : es el desplazamiento expresada en metros (m).

IMPORTANTE: La diferencia de potencial recibe el nombre de tensiĂłn o voltaje cuando evaluamos o medimos la cantidad de voltios existentes entre dos puntos de un circuito elĂŠctrico.

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21 ACTIVIDAD 02 1.

El papel es un aislante, mientras que la llave de la puerta de tu casa es un conductor por el hecho de ser metálica. Coge una linterna y separa uno de sus contactos con distintos materiales que tengas a mano, por ejemplo con un papel y una llave. Haz una relación de los que son aislantes y los que son conductores. ¡No utilices nunca un enchufe de tu casa para hacer pruebas, ni bombillas, ni lámparas ni, en general, ningún elemento de la instalación eléctrica!

2.

¿Con qué fuerza se atraerán dos cargas de valor 10-7 C, de signo contrario, separadas por 1 metro? Con el mismo valor y a la misma distancia, ¿qué pasaría si las cargas fueran del mismo signo?

3.

Calcula el campo eléctrico generado por una carga de 2 x 10-7 C a las distancias de 1 centímetro y de 10 centímetros. Una sola carga, ¿genera un campo eléctrico independiente de la distancia?

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