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ELECTROTEC
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ELECTROTECNIA 1. Introducción a la electricidad 1.1. Introducción a la electricidad 1.1.1. 1.1.2.
Historia de la electricidad El sistema eléctrico: producción, distribución y consumo
1.2. Conceptos eléctricos básicos 1.2.1. Conductores, aislantes y semiconductores 1.2.2. Carga eléctrica 1.2.3. Intensidad de campo eléctrico 1.2.4. Diferencia de potencial
2. El circuito eléctrico y sus magnitudes principales 2.1. Variables principales de un circuito eléctrico: magnitudes eléctricas 2.1.1 Diferencia de potencial (d.d.p.), tensión o voltaje en un circuito eléctrico 2.1.2. Intensidad de corriente eléctrica 2.1.3. Densidad de corriente eléctrica 2.1.4. Resistencia eléctrica 2.1.5. Conductancia eléctrica 2.1.6. Ley de Ohm 2.1.7. Potencia eléctrica 2.1.8. Ley de Joule
2.2. Elementos de un circuito eléctrico 2.2.1. Del circuito al esquema eléctrico 2.2.2. Generadores eléctricos 2.2.3. Receptores o cargas eléctricas 2.2.4. Resumen de modelos de comportamiento de componentes eléctricos comunes.
2.3. Medidas eléctricas de magnitudes básicas 2.3.1. Concepto de medida 2.3.2. Medida de tensión 2.3.3. Medida de corriente 2.3.4. Medida de potencia 2.3.5. Medida de frecuencia 2.3.6. Medida de resistencia
3. Componentes eléctricos básicos 3.1. Introducción a los componentes eléctricos 3.2. Resistencias o resistores 3.2.1. Características de un resistor 3.2.2. Tipos de resistores 3.2.3. Valores estándares para componentes pasivos
3.3. Condensadores 3.3.1. Funcionamiento 3.3.2. Características de un condensador 3.3.3. Capacidad de un condensador de placas paralelas 3.3.4. Codificación de los valores característicos 3.3.5. Carga y descarga de un condensador
3.3.6. Tipos de Condensadores
3.4. Bobinas o inductancias 3.4.1. Coeficiente de autoinducción 3.4.2. Carga y desconexión de un inductor 3.4.3. Tipos de inductores
3.5. Medida de capacidad e inductancia 3.6. Pilas y acumuladores. Efecto químico de la electricidad. 3.6.1. Generadores estáticos 3.6.2. Pilas galvánicas 3.6.3. Acumuladores y baterías 3.6.4. Precauciones con las pilas y los acumuladores
4. Resolución de circuitos de corriente continua 4.1. Circuitos equivalentes 4.2. Asociación de resistencias 4.2.1. Asociación de resistencias en serie 4.2.2. Asociación de resistencias en paralelo o derivación (shunt ) 4.2.3. Asociación de resistencias de forma mixta
4.3. Asociación de condensadores 4.3.1. Agrupación de condensadores en serie 4.3.2. Agrupación de condensadores en paralelo
4.4. Asociación de generadores 4.4.1. Conexión de generadores de tensión en serie 4.4.2. Conexión de generadores de tensión en paralelo
4.5. Leyes de Kirchhoff 4.5.1. Nudos o nodos de un circuito eléctrico 4.5.2. Ramas de un circuito eléctrico 4.5.3. Mallas de un circuito eléctrico 4.5.4. Primera ley de Kirchhoff (ley de corrientes) 4.5.5. Segunda ley de Kirchhoff (ley de tensiones) 4.5.6. Análisis de circuitos mediante la aplicación de las leyes de Kirchhoff
4.6. Teorema de Thévenin 4.7. Teorema o principio de superposición 4.8. Teorema de la máxima transferencia de potencia 5. Electromagnetismo 5.1. Imanes y electroimanes 5.2. El magnetismo y sus magnitudes principales 5.2.1. Campo magnético y electromagnetismo 5.2.2. Flujo magnético y la inducción magnética
5.3. Circuito magnético 5.3.1. Longitud magnética 5.3.2. Fuerza magnetomotriz 5.3.3. Intensidad de campo magnético 5.3.4. Saturación magnética 5.3.5. Teorema de Ampere 5.3.6. Reluctancia magnética 5.3.7. Voltaje inducido 5.3.8. Fuerza de Laplace
5.3.9. Pérdidas magnéticas
6. Corriente alterna monofásica 6.1. Definición y características 6.2. La función senoidal 6.2.1. Representación temporal 6.2.2. Expresión matemática y valores característicos de la señal senoidal 6.2.3. Representación fasorial 6.2.4. Fasor representativo de una señal alterna
6.3. Cálculo vectorial 6.3.1. Representación polar y binómica 6.3.2. Operaciones básicas con vectores
6.4. Operaciones básicas con fasores 6.5. Componentes pasivos en alterna: La impedancia 6.5.1. Impedancia (Z). Ley de Ohm en corriente alterna. 6.5.2. Comportamiento de resistencias, condensadores y bobinas
6.6. Medidas de señales alternas con el osciloscopio 6.6.1. El osciloscopio... ¿para qué sirve? 6.6.2. Pantalla y controles principales del osciloscopio 6.6.3. Sondas o cables de medida
7. Resolución y medidas en circuitos en corriente alterna (CA) 7.1. Resolución de asociación de impedancias 7.2. Leyes de Kirchhoff en regímenes senoidales permanentes 7.3. Circuitos RLC en serie 7.3.1. Circuito RL serie 7.3.2. Circuito RC serie 7.3.3. Circuito RLC serie
7.4. Circuitos RLC en paralelo 7.5. Resonancia 7.5.1. Resonancia de un circuito serie o resonancia en tensión 7.5.2. Resonancia de un circuito paralelo o resonancia en corriente. 7.5.3. Aplicaciones de la resonancia
7.6. Potencia en corriente alterna 7.6.1. Potencia instantánea 7.6.2. Tipos de potencias y factor de potencia 7.6.3. Triángulo de potencias
7.7. La potencia en las instalaciones eléctricas y la mejora del factor de potencia 7.7.1. Compensación del factor de potencia en lámparas de fluorescencia
7.8. Caída de tensión en las instalaciones eléctricas 7.9. Medidas en las instalaciones eléctricas de CA 7.9.1. Medidas con instrumentos portátiles
7.9.2. Medidas de potencia con instrumentos de panel 7.9.3. Contadores de energía eléctrica
8. Corriente alterna trifásica 8.1. Introducción 8.2. Sistemas trifásicos de tensiones 8.2.1. Caracterización de un sistema trifásico de tensiones 8.2.2. Definición de las tensiones de un sistema trifásico 8.2.3. Relación entre las tensiones de un sistema trifásico 8.2.4. Identificación de una red trifásica y forma de distribución
8.3. Conexión de cargas a un sistema trifásico 8.3.1. Conexión de cargas monofásicas 8.3.2. Conexión de cargas trifásicas 8.3.3. Conexión en estrella 8.3.4. Conexión en triángulo 8.3.5. Transformación de impedancias
8.4. La potencia en los sistemas trifásicos 8.4.1. Mejora del factor de potencia en instalaciones trifásicas
8.5. Medidas de potencia activa 8.5.1. Analizador de redes 8.5.2. Contadores de energía trifásicos
8.6. Caída de tensión en líneas trifásicas 9. Transformadores 9.1 El transformador 9.1.1. ¿Qué es? Características principales 9.1.2. Constitución del transformador eléctrico
9.2 Principio de funcionamiento 9.2.1. El transformador ideal en vacío 9.2.2. El transformador ideal en carga 9.2.3. El transformador real
9.3 Clasificación de los transformadores 9.4 Ensayos de transformadores 9.4.1. Ensayo en vacío 9.4.2. Ensayo en cortocircuito
9.5. Rendimiento del transformador 9.6. Caída de tensión en un transformador 9.7. Transformadores trifásicos 9.7.1. Conexiones de los transformadores trifásicos 9.7.2. Identificación de los bornes de conexión 9.7.3. Índice horario o de conexión 9.7.4. Placa de características de un transformador
9.8. Acoplamiento en paralelo de transformadores 9.9. Transformadores de medida 9.9.1. Transformadores de medida de tensión 9.9.2. Transformadores de medida de intensidad
10. Máquinas eléctricas rotativas de corriente continua 10.1. Introducción 10.2. Principios de funcionamiento de las máquinas de CC 10.2.1. El generador elemental 10.2.2. El motor elemental
10.3. Constitución 10.4. La máquina de CC como generador o dinamo 10.4.1. Reacción del inducido 10.4.2. Formas de excitación de los generadores de CC
10.5. Balance de potencias y rendimiento de un generador 10.6. La máquina de CC como motor 10.6.1. Par interno o par electromagnético de un motor ideal 10.6.2. Reacción del inducido en motores. Soluciones. 10.6.3. Formas de excitación y características de los motores de CC 10.6.4. Balance de potencias para motores. Rendimiento.
10.7. Corriente de arranque en los motores de CC 10.8. Regulación de la velocidad de un motor de CC 10.8.1. Métodos de modificación de la velocidad
10.9. Marcaje de los bornes y placa de características en máquinas de CC 11. Máquinas eléctricas rotativas de corriente alterna 11.1. Introducción 11.2. Máquinas asíncronas 11.2.1. Características de los motores asíncronos trifásicos 11.2.2. Constitución 11.2.3. Conexión del motor asíncrono. Caja de bornes. 11.2.4. Principio de funcionamiento del motor asíncrono 11.2.5. Balance de potencias y rendimiento 11.2.6. Característica mecánica 11.2.7. Placa de características del motor asíncrono 11.2.8. Arranque directo e inversión de giro de motores asíncronos 11.2.9. Sistemas o dispositivos de arranque de motores 11.2.10. Variación de velocidad 11.2.11. Motor asíncrono monofásico. Principio de funcionamiento. 11.2.12. Motor universal
11.3. Máquinas de corriente alterna síncronas 11.3.1. El alternador
12. El riesgo de las instalaciones eléctricas para las personas y los sistemas de protección reglamentarios 12.1. Tipos de accidentes y riesgos eléctricos 12.2. El choque eléctrico: efectos fisiológicos en las personas 12.2.1. El efecto térmico de la electricidad
12.3. Factores que condicionan los efectos de la electricidad en personas 12.3.1. Intensidad de paso en función del tiempo de contacto, en el caso de corriente alterna 12.3.2. Voltaje o tensión de contacto 12.3.3. ¿Qué impedancia presenta nuestro cuerpo? 12.3.4. Trayectoria por el cuerpo: afectación a órganos vitales 12.3.5. Influencia de la frecuencia de la corriente de paso
12.4. El arco eléctrico 12.4.1. Causas que pueden originar el arco eléctrico 12.4.2. Efectos físicos en las personas
12.5. Otros riesgos derivados del choque eléctrico o el arco eléctrico 12.6. Sistemas de protección contra contactos directos e indirectos 12.6.1. Contactos directos e indirectos 12.6.2. Protección completa contra contactos directos e indirectos 12.6.3. Protección contra contactos directos 12.6.4. Protección contra contactos indirectos 12.6.5. Sistemas de corte automático de la alimentación
13: Elementos de seguridad y protección de las instalaciones. Realización de trabajos en las instalaciones eléctricas. 13.1. Los problemas más habituales en las instalaciones y en las máquinas eléctricas 13.1.1. Sobreintensidades 13.1.2. Sobretensiones y subtensiones 13.1.3. Fallos o defectos de aislamiento
13.2. Dispositivos para la protección de la instalación 13.2.1. Protección de sobreintensidades 13.2.2. Protección de sobretensiones 13.2.3. Protección contra fallos de aislamiento
13.3. Selección adecuada de cables y dimensionado adecuado de conductores 13.3.1. Partes de un cable 13.3.2. Tipos de aislantes 13.3.3. Tensión nominal de un cable 13.3.4. Los cables y el riesgo en caso de incendio 13.3.5. Cálculo de la sección de conductores 13.3.6. Sistemas de canalización
13.4. La seguridad en los trabajos en las instalaciones eléctricas 13.4.1. Normativa legal del sector 13.4.2. Categorización de los trabajadores en las instalaciones eléctricas 13.4.3. Equipos de protección para el trabajador
14.4.4. Realización de trabajos sin tensión: las cinco reglas de oro
13.5. Primeros auxilios en caso de accidente eléctrico 13.5.1. Liberación de una persona accidentada por choque eléctrico 13.5.2. Soporte Vital Básico (SVB)
Unidad 1
Introducción a la electricidad
¿Qué aprenderemos? •Q ué es la electrotecnia y cuál es su campo de aplicación. • L os personajes históricos más importantes en el desarrollo de la electricidad. • L a forma en que se produce, distribuye y consume la energía eléctrica. • L a estructura electrónica de la materia y cómo explica el comportamiento conductor, semiconductor o aislante de los materiales. •Q ué es la electroestática y sus magnitudes principales: carga y campo eléctrico.
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
1.1 Introducción a la electricidad Electricidad, electrónica y electrotecnia El término electrotecnia está estrechamente relacionado con los de electricidad y electrónica, e incluso a menudo puede que los hayas utilizado indistintamente y de manera errónea. Para clarificar estos términos vamos a definir qué significa cada uno de ellos. • La electricidad es una forma de energía, denominada energía eléctrica, basada en la propiedad que
tiene la materia de repeler o atraer electrones y que puede dar lugar a fenómenos como la luz, el calor, los campos magnéticos, etc. También se denomina electricidad a la ciencia que estudia cómo generar, inducir y aplicar la circulación de estos electrones haciendo uso de materiales metálicos conductores.
• La electrónica es una extensión de la electricidad que estudia y aplica el movimiento de los electrones
en el vacío, en los gases y en los sólidos semiconductores. Se habla de electrónica a partir del momento en el que la circulación de electrones se produce en un medio conductor no metálico.
• La electrotecnia es la disciplina que se dedica al estudio y desarrollo de las aplicaciones técnicas de la
electricidad.
La electrotecnia tiene como marco de actuación el sector eléctrico, esto es, el conjunto de empresas dedicadas a: • La producción, transporte y distribución de la 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 y mantenimiento de instalaciones y máquinas eléctricas.
Figura 1.1. La electrotecnia es una disciplina que se dedica al estudio de la electricidad y tiene como marco de actuación el sector eléctrico.
Recuerda ... La electricidad es una forma de energía basada en la circulación de electrones a través de cualquier medio físico (aire, vacío, materiales conductores, etc.). Entendida como ciencia, aborda la generación y circulación de estos electrones haciendo uso de materiales conductores.
1.1.1 Historia de la electricidad De la magia de la electricidad a los principios eléctricos La electricidad forma parte de nuestro universo desde su origen. Una de sus manifestaciones más espectaculares son los rayos. En la antigua Grecia creían que los lanzaba el dios Zeus, los vikingos que los provocaba el dios Thor cuando golpeaba un yunque con su martillo y, en cambio, para la civilización inca el rayo era una de las formas de comunicación entre la divinidad de la tierra y la del cielo. 2
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Según todas las fuentes, el primero en observar los efectos de la electricidad, como fenómeno desligado de la religión, fue el griego Tales de Mileto hacia el año 600 antes de Cristo. Este matemático observó que unas briznas de hierba seca y otros materiales muy ligeros se adherían a un trozo de ámbar que había frotado con su ropa. De ahí el término «electricidad» que proviene de la palabra griega elektron que significa ámbar. No fue hasta el Renacimiento, en 1600, que el médico y físico inglés William Gilbert determinó los fundamentos de la electrostática y el magnetismo. En 1672 el físico alemán Otto von Guericke (1602-1686) desarrolló la primera máquina electrostática al provocar, por efecto de la fricción con el aire, la acumulación de cargas eléctricas en una esfera de azufre cuando esta la hacía rotar velozmente.
Figura 1.2. Otto von Guericke inventó la primera máquina electrostática para producir cargas eléctricas.
En 1733 el francés Charles-François de Cisternay du Fay, descubrió que dos bolas de corcho cargadas de la misma manera se repelían, mientras que si cargaba cada una por medios diferentes lograba que, a veces, se atrajeran. En 1745 se estableció la distinción entre materiales aislantes y conductores y en 1752 Benjamín Franklin, político, economista e inventor norteamericano, demostró la naturaleza eléctrica de los rayos a través de un célebre experimento realizado durante una tormenta en el que la chispa de un rayo bajaba desde una cometa remontada a gran altura hasta una llave que él tenía en la mano.
La electricidad, una ciencia en desarrollo En 1776 Charles Agustín de Coulomb inventó la balanza de torsión, con la que pudo medir con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas. Por su parte, el físico y conde italiano Alessandro Volta inventó en el año 1800 la primera pila gracias a los estudios realizados sobre la diferencia de potencial existente en la superficie de contacto de dos metales distintos. En 1821 Michael Faraday, científico inglés, ideó un ingenio en el cual un alambre por el que circulaba una corriente giraba alrededor de un imán. Con ello transformó la energía eléctrica en energía mecánica, un artificio precursor de lo que sería el primer motor eléctrico. En 1819 y 1820 se hizo un importante avance en la comprensión de la relación entre la electricidad y el magnetismo: el físico danés Hans Christian Oersted demostró que una corriente generaba un campo magnético al demostrar que una aguja magnética colgada de un hilo se apartaba de su posición inicial cuando pasaba próxima a ella una corriente eléctrica. En 1823, siguiendo el descubrimiento de Oersted, el matemático y científico francés André-Marie Ampère demostró que un cable eléctrico arrollado en espiral sobre un armazón cilíndrico (conjunto llamado solenoide o bobina) aumentaba considerablemente el campo magnético generado, en proporción directa con el número de espiras que formara el cable. En 1827 Georg Simon Ohm introdujo el concepto de resistencia eléctrica y propuso la ley que lleva su nombre: la ley de Ohm. Definió que la resistencia eléctrica (R) era el coeficiente de proporcionalidad que relacionaba el voltaje (V) existente en los extremos de un conductor con la intensidad eléctrica (I) que circulaba por él: R = V/I. Entre 1840 y 1843 el físico inglés James Prescott Joule, que descubrió la equivalencia entre el trabajo mecánico y la caloría, y el científico alemán Hermann Ludwig Ferdinand Helmholtz, que definió la primera ley de la termodinámica, demostraron que los circuitos eléctricos cumplían con la ley de la conservación de la energía y que la electricidad era una forma de energía. En 1845, el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff enunció, a los 21 años de edad, las leyes de Kirchhoff I y II que permiten calcular las corrientes y tensiones en circuitos eléctricos. En 1868, el científico belga Zénobe-Théophile Gramme construyó la primera máquina de corriente continua, la dinamo, punto de partida de la nueva industria eléctrica. 3
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Los experimentos de Faraday fueron expresados matemáticamente por James Maxwell, quien en 1873 formuló las cuatro ecuaciones (posiblemente de las más famosas de la historia) que sirven de fundamento de la teoría electromagnética. Estas ecuaciones unificaban la descripción de los comportamientos eléctricos y magnéticos, y su desplazamiento a través del espacio en forma de ondas.
Hacia la universalización del uso de la electricidad En 1878 Thomas Alva Edison comenzó los experimentos que terminarían un año más tarde con la invención de la lámpara eléctrica, que universalizaría el uso de la electricidad. En 1883 Nikola Tesla (1857-1943) inventor e investigador serbio-americano desarrolló un motor que podía funcionar con corriente alterna, con lo que obtuvo una máquina funcionalmente similar a la corriente continua. En 1888 desarrolló la teoría de campos rotatorios, base de los generadores y motores polifásicos de corriente alterna.
Figura 1.3. Las aportaciones del investigador Nikola Tesla permiten considerarle como el promotor más importante de la electricidad comercial.
1.1.2 El sistema eléctrico: producción, distribución y consumo Para disfrutar de los enormes beneficios sociales que se obtienen del uso de la energía eléctrica es necesario agrupar las distintas actividades del mercado eléctrico y establecer las leyes, las normas y los reglamentos por los que estas actividades deben regirse. De esta forma, y en materia de suministro eléctrico, podemos hablar de actividades como la generación, el transporte, la distribución y la comercialización. De acuerdo con la directiva 2009/72/CE del Parlamento Europeo, la Ley 24/2013 del Sector Eléctrico, publicada en el BOE el 27 de diciembre de 2013, en su artículo 1.1 establece «la regulación del sector eléctrico con la finalidad de garantizar el suministro de energía eléctrica, y de adecuarlo a las necesidades de los consumidores en términos de seguridad, calidad, eficiencia, objetividad, transparencia y al mínimo coste». Asimismo, su artículo 1.2 recoge que son actividades destinadas al suministro de energía eléctrica la «generación, transporte, distribución, servicios de recarga energética, comercialización e intercambios intracomunitarios e internacionales, así como la gestión económica y técnica del sistema eléctrico». La legislación anterior modifica el modelo existente de operación del sector eléctrico español y otorga al Gobierno, entre otras, la responsabilidad de: • Establecer la regulación de las actividades eléctricas. • Autorizar las instalaciones eléctricas. • Fijar las tarifas reguladas. • Establecer una mínima calidad y seguridad en el suministro.
Este nuevo modelo de operación también incluye cambios sustanciales en la liberación del sector eléctrico, haciendo posible la participación de empresas y compañías de: • Producción. Generan energía para el mercado diario y se encargan de operar y mantener las centrales. • Régimen especial. Generan energía a partir de fuentes alternativas que requieren algún tipo de estímulo
(precios subvencionados) para impulsar su desarrollo.
• Distribución. Desarrollan, operan y mantienen las instalaciones y redes de suministro. • Comercialización. Venden la energía eléctrica al cliente final.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Fuentes de generación de energía eléctrica En 1880 entró en funcionamiento en Londres la primera central destinada a suministrar la energía eléctrica necesaria para iluminar la ciudad. A partir de esta fecha el uso de la electricidad se extendió progresivamente y se convirtió en una fuente de energía indispensable debido a su facilidad de uso, bajo coste, disponibilidad, reducido impacto ambiental y versatilidad. La era de la energía eléctrica en España empezó alrededor de 1875 cuando Narcís Xifré y Tomás Dalmau montaron en Barcelona, en el número 10 de la plaza de Canaletas, una instalación que puede considerarse la primera central eléctrica española para el suministro con fines comerciales. Dicha producción fue destinada al alumbrado de diversos establecimientos y talleres, entre los que se pueden destacar la Maquinista Terrestre y Marítima que, a su vez, suscribió el primer contrato de suministro de energía eléctrica. La utilización de la electricidad para el alumbrado público se inició en España en 1881, cuando entró en servicio la primera central eléctrica de Madrid que se empleó, inicialmente, para iluminar la Puerta del Sol y los jardines del Parque del Retiro, entre otros. Dos años más tarde comenzó a funcionar en Bilbao una planta cuya producción se destinó a la iluminación del puerto del Abra y en 1890, se inauguró el alumbrado público. En 1886 Gerona se convirtió en la segunda ciudad de Europa totalmente iluminada y en 1901 se realizó entre el Molino de San Carlos y Zaragoza la segunda experiencia mundial de transporte de energía eléctrica a una distancia notable para la época: 3 km. En 1909, el país contaba con la línea de mayor tensión y longitud de Europa: 60 kV y 250 km, que separaban la central de Molinar, en el río Júcar, de Madrid. Una de las máquinas más utilizadas para generar energía eléctrica es el generador eléctrico. Este generador es una máquina rotativa que permite la conversión a gran escala de energía mecánica a eléctrica. La energía mecánica que hace posible la rotación del generador eléctrico la transfiere una turbina que puede ser impulsada por agua o por vapor. Atendiendo a la naturaleza de las diferentes fuentes de energía podríamos clasificarlas en renovables y no renovables. Las fuentes de energía renovables son aquellas que se dan de forma natural en el planeta (el agua, el viento, el sol, etc.). Las no renovables, en cambio, son fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza en forma fósil y que tienden a agotarse con una explotación masiva (el carbón, el gas, el petróleo, etc.).
Recuerda ... Las fuentes de energía renovables son respetuosas con el medio ambiente y permiten su explotación sin que queden afectados los recursos naturales del planeta.
Las fuentes más empleadas en España para la obtención de energía eléctrica son: la hidroeléctrica, la termoeléctrica y la eólica. Sin embargo, no son estas las únicas fuentes de energía y algunos ejemplos son la solar fotovoltaica, la solar termoeléctrica, la térmica de biomasa, etc., cuyos empleos adquieren cada vez mayor importancia. • Central hidroeléctrica. Las centrales hidroeléctricas aprovechan la conversión de energía potencial en
energía cinética para obtener energía eléctrica. Esto se consigue al hacer rotar un generador eléctrico movido por una turbina sobre la que cae el agua canalizada procedente de una presa o pantano.
Figura 1.4. El tipo de central eléctrica más abundante en España es la central hidroeléctrica.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
• Central térmica y central nuclear. Las centrales térmicas y las nucleares utilizan vapor de agua a presión
sobre las turbinas que mueven el generador eléctrico. En las térmicas el vapor de agua se produce por la cremación simple o combinada de diversos combustibles como carbón mineral, fuel, gas o restos orgánicos (biomasa), mientras que en las nucleares se utiliza el uranio como combustible de una reacción nuclear controlada.
• Parque eólico. En este caso se aprovecha la energía cinética del viento para la generación de ener-
gía eléctrica. Generalmente se agrupan varios generadores eólicos formando grupos, denominados «granjas de viento», en zonas de alto rendimiento eólico.
• Central eléctrica fotovoltaica. Se puede generar energía eléctrica mediante células fotovoltaicas que
aprovechan la energía luminosa del sol. Las células fotovoltaicas producen corriente continua y para tener una potencia significativa se conectan en grupos, que forman paneles de diferentes tamaños y potencias. Otra forma de conseguir energía eléctrica a partir del sol es mediante el aprovechamiento de su energía calorífica, lo que da lugar a las denominadas centrales solares termoeléctricas.
Figura 1.5. Central nuclear, térmica y parque eólico.
Actualmente hay en España más de 1100 centrales eléctricas en funcionamiento. De ellas, unas 900 son hidroeléctricas, 200 son térmicas (de ciclo combinado o no, que consumen combustibles fósiles como carbón, fueloil y gas) y seis son nucleares (dos de ellas con dos rectores cada una). Además existen 672 parques eólicos y un número creciente de instalaciones de producción de electricidad a partir de otras fuentes renovables como son la solar, biomasa, etc. En la figura 1.6 se muestra un gráfico con las principales fuentes de energía empleadas para generar energía eléctrica en España, y la correspondiente potencia eléctrica de sus centrales en megavatios (MW).
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A 31 de diciembre de 2013 la potencia instalada en la península era de unos 102 000 MW, y en el área extrapeninsular de unos 5000 MW. La producción de energía eléctrica no está en relación directa con la potencia instalada en una central, ya que depende, principalmente, del tipo de fuente de energía empleada y de su disponibilidad a lo largo del tiempo. Es evidente que una central hidráulica, un parque eólico o una central fotovoltaica, por ejemplo, solo podrán generar energía eléctrica cuando se den las respectivas condiciones climatológicas de pluviosidad, viento o sol.
Figura 1.6. Fuentes de energía empleadas y potencia de las centrales eléctricas españolas en 2013.
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Unidad 1 · Introducción a la electricidad
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En el gráfico de la figura 1.7 observamos que las centrales nucleares, sextas en el ranking español por potencia eléctrica instalada, fueron, con un 20,77 %, las principales contribuyentes a los más de 270 000 GWh (gigavatios hora) de la energía eléctrica suministrada en 2013.
Figura 1.7. Fuentes de energía empleadas para cubrir la demanda energética española en 2013.
Recuerda ... Dependiendo de la fuente de energía utilizada, existen causas climatológicas que hacen que la central con más potencia instalada no siempre sea la que más energía genera a lo largo del año.
Redes de transporte y distribución de energía eléctrica La energía eléctrica generada en cualquier central debe ser convenientemente tratada, transportada, distribuida y suministrada a los usuarios en condiciones óptimas para su consumo (ver figura 1.8). Esto requiere realizar un conjunto de operaciones en las que intervienen, entre otros, los elementos siguientes: Red de transporte Red de reparto
Central generadora
Estación elevadora
Subestación de transformación
Red de distribución en media tensión
Cliente residencial
Centro de transformación
Cliente industrial
Estación transformadora de distribución
Figura 1.8. Elementos que intervienen en el tratamiento, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. • Estaciones elevadoras. Instalaciones próximas a las centrales eléctricas que tienen por misión elevar el
voltaje de la energía eléctrica que estas producen (de 3-25 kV a 110-380 kV), con objeto de reducir las posteriores pérdidas de transporte.
• Redes de transporte de alta tensión. Generalmente constituidas por torres de estructura metálica que
hacen posible la conducción aérea de las líneas de alta tensión (de 110 a 380 kV) a lo largo de extensos recorridos. En situaciones en las que la orografía del terreno lo requiere, se utilizan métodos de conducción submarinos o soterrados. 7
Unidad 1 · Introducción a la electricidad
Figura 1.9. Las líneas de transporte de alta tensión conducen la energía eléctrica desde la estación elevadora de la central hasta las subestaciones de transformación. • Subestaciones de transformación. También llamadas estaciones de transformación de reparto, tienen
por misión adecuar las características de las redes de transporte a las requeridas por ramales de menor voltaje (de 110-380 kV a 25-132 kV).
• Redes de reparto de alta tensión. Conducen la electricidad (con tensiones de 25 a 132 kV) a través de
los distintos ramales que separan las subestaciones de transformación con estaciones de distribución enclavadas cerca de grandes zonas de consumo.
• Estaciones de transformación de distribución. Tienen por misión adecuar las características de las re-
des de reparto a las requeridas por las redes de distribución de menor voltaje (de 25-132 kV a 3-30 kV).
• Redes de media tensión. Empleadas habitualmente para el transporte de la electricidad (con tensiones
de 3 a 30 kV) desde las estaciones distribuidoras hasta los centros de consumo o núcleos de importante actividad industrial.
• Centros de transformación. Tienen por misión adecuar las características de las redes de media ten-
sión a las requeridas por las redes de suministro doméstico de menor voltaje (de 3-30 kV a tensiones menores de 1 kV).
• Redes de baja tensión. Constituidas por las líneas de acometida domestica de baja potencia (con ten-
siones menores de 1 kV) procedentes de los centros de transformación.
La Ley 17/2007, de 4 de julio, confirmó como gestor de la red de transporte española al operador Red Eléctrica de España (REE) y le atribuyó la función de transportista único, en régimen de exclusividad. Como gestor de las redes de transporte de alta tensión y de reparto, es la responsable de su desarrollo y ampliación, de realizar su mantenimiento, de gestionar el tránsito de electricidad entre sistemas exteriores y la península, y de garantizar el acceso de terceros a la red de transporte en condiciones de igualdad. Red Eléctrica de España no gestiona las líneas de distribución de media tensión. En su informe anual de 2013 este operador cifra en 80 695 MVA la capacidad de transformación de la compañía, a la vez que proporciona datos referentes al voltaje y longitud de las líneas de alta tensión (42 008 km en total) y a la cantidad de subestaciones de transformación que gestiona (ver figura 1.10).
Número estaciones transformadoras
Figura 1.10. Longitud de las líneas de alta tensión y número de estaciones transformadoras en España (informe REE – 2013).
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Recuerda ... La electrotecnia aborda las aplicaciones de la electricidad y abarca su producción, transporte, distribución, y los componentes y aparatos eléctricos.
Comercialización y consumo de energía eléctrica Las comercializadoras de energía eléctrica ejercen de intermediarias entre las empresas productoras y el cliente final, y tienen como misión el suministro de electricidad a nuestros hogares o lugares de trabajo. Con la entrada en vigor de la Tarifa de Último Recurso (TUR), fijada por el Gobierno, las empresas de distribución de electricidad dejaron de prestar servicios de comercialización, para dedicarse en exclusiva a construir, mantener y operar las redes, así como a leer los contadores y facilitar el servicio de averías las 24 horas. Por su parte, las empresas comercializadoras son las únicas que nos podrán vender la electricidad. Entre las comercializadoras distinguimos dos grupos: las habilitadas por el Gobierno para cobrar la TUR, y las que operan en el mercado liberalizado ofreciendo distintos precios a los clientes. En 2012 las comercializadoras que ofrecían la TUR eran: • Endesa Energía XXI, S.L. • Iberdrola Comercialización de Último Recurso, S.A.U. • Gas Natural S.U.R. SDG, S.A. • Hidrocantábrico Energía Último Recurso, S.A.U. • E.ON Comercializadora de Último Recurso, S.L.
La figura 1.11 muestra la evolución anual de la demanda española de energía eléctrica, en GWh, según el informe de REE de 2013. Hay que hacer notar que en la variación de la demanda influyen factores no ligados exclusivamente a una coyuntura económica más o menos favorable, sino a otros factores importantes como son la climatología o la festividad laboral.
Figura 1.11. Evolución de la demanda energética española (informe REE – 2013).
1.2 Conceptos eléctricos básicos Para entender cómo funciona la electricidad será necesario introducir algunos conceptos derivados de la propia estructura de la materia, los cuales serán esenciales para comprender cómo se producen los fenómenos eléctricos. Entre estos conceptos hay que señalar el de carga eléctrica, su aplicación en los diferentes tipos de materiales y su sistematización con la ley de Coulomb. La electrostática es el área de la Física que se encarga de estudiar fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo, como son el campo eléctrico y la diferencia de potencial. Dominando estos conceptos será más fácil iniciarnos en el estudio de las magnitudes eléctricas más importantes y sus manifestaciones.
La estructura de la materia Toda la materia que conforma nuestro mundo está constituida por elementos diminutos denominados átomos. Los átomos están formados por un conjunto de partículas que son los electrones, los protones y los neutrones. Comparando el átomo con un sistema planetario, los protones y neutrones se encontrarían en 9
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el centro formando el núcleo, como si fueran el Sol, y los electrones estarían orbitando alrededor de este tal y como lo harían los planetas. El electrón posee una carga eléctrica negativa, mientras que el protón tiene la misma carga eléctrica pero con signo positivo. El neutrón no tiene carga eléctrica. Decimos que un material es eléctricamente neutro cuando el número de electrones que giran alrededor del núcleo es igual al número de protones contenidos en él. Por ejemplo, el silicio (Si) posee 14 protones (p+) en el núcleo y 14 electrones (e–) orbitando alrededor de él; en consecuencia, al no presentar descompensación de carga, es un material eléctricamente neutro (figura 1.12).
Figura 1.12. Distribución simplificada de electrones en un átomo de silicio (Si).
Los electrones se distribuyen alrededor del núcleo formando niveles. El último nivel, más alejado del núcleo, constituye el denominado nivel o capa de valencia de un material. Es determinante el número de electrones que este alberga para comprender las características diferenciales que se dan entre los materiales conductores, aislantes y semiconductores. Por esta razón, cuando se dibujan los átomos, se suelen mostrar únicamente los electrones de su nivel de valencia, tal y como se señala en la figura 1.13.
Figura 1.13. Representación de la capa de valencia del átomo de silicio (Si).
1.2.1 Conductores, aislantes y semiconductores Los estudios realizados sobre la distribución de electrones confirman que cualquier materia cuyos átomos tengan el nivel de valencia incompleto tiende a ceder electrones, o bien a aceptarlos hasta completarlo con ocho electrones.
Materiales conductores Todo material o sustancia formada por átomos que en su nivel de valencia posea entre uno y tres electrones tiende a desprenderse de ellos, puesto que el coste energético necesario para liberarlos es mucho menor que el necesario para completar su nivel de valencia. Por ejemplo, el cobre (figura 1.14) solo posee un electrón en el nivel de valencia, por lo que necesita muy poca energía para desprenderse de él. La tendencia natural a perder estos electrones hace del material un buen conductor de la electricidad. Los metales son buenos conductores de la electricidad porque se requiere muy poca energía externa para hacer que los electrones de valencia abandonen sus órbitas y queden en libertad para poder circular por el material. Ejemplos de metales conductores son el oro (Au), la plata (Ag), el cobre (Cu), el aluminio (Al) y el hierro (Fe). También son conductores de la electricidad los ácidos, los álcalis y las soluciones salinas. 10
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Materiales aislantes Los materiales aislantes se caracterizan por disponer de un número de electrones de valencia comprendido entre cinco y siete. En esta situación, el coste energético para completar el nivel de valencia con ocho electrones es menor que el que supone desprenderse de ellos. Un material aislante presenta una importante oposición a la circulación de electrones, debido a que cualquier electrón libre existente en el entorno próximo de un átomo es atrapado por este e impide su circulación por el material. Son aislantes naturales el aire seco, el aceite mineral, el vidrio, la porcelana, la mica, el amianto, etc., y artificiales la baquelita, el cloruro de polivinilo (PVC), el poliéster, etc.
Materiales semiconductores Cualquier material que contenga cuatro electrones en su último nivel recibe el nombre de semiconductor. En estos materiales el coste energético que supone desprenderse de los electrones de valencia es idéntico al necesario para completar el nivel de valencia con ocho electrones. En la figura 1.13 se mostraba la estructura del átomo de un material semiconductor como es el silicio. Aunque los materiales semiconductores puros tienen poca utilidad práctica, cuando están convenientemente modificados, adquieren una especial relevancia en la fabricación de dispositivos electrónicos utilizados para el control de sistemas y equipos eléctricos.
1.2.2 Carga eléctrica Cuando los átomos de un cuerpo ganan o ceden electrones, dejan de ser eléctricamente neutros porque se descompensa el número de electrones respecto al número de protones presentes en sus núcleos. Los átomos descompensados eléctricamente reciben el nombre de iones y presentan las siguientes características: • Si los átomos de un cuerpo ganan electrones, se forman iones negativos (mayor número de electrones
que de protones) y el cuerpo se carga negativamente.
• Si los átomos de un cuerpo ceden electrones, se forman iones positivos (mayor número de protones que
de electrones) y el cuerpo se carga positivamente.
• Dos cuerpos con carga del mismo signo se repelen y de distinto signo se atraen.
Figura 1.14. El cobre es un buen conductor. De 29 electrones que tiene, solo uno está en el nivel de valencia. La figura de la izquierda representa un átomo de cobre neutro que al capturar un electrón queda cargado negativamente. En cambio, la figura de la derecha muestra que si cede el electrón, el átomo queda con carga positiva.
En definitiva, la carga eléctrica (Q) no es más que el efecto producido por el exceso o defecto de electrones en un material, o dicho de otra manera, la cantidad de electricidad que posee un cuerpo. La unidad de carga es el culombio (C), que corresponde al desequilibrio de carga producido por el excedente o déficit de 6,24·1018 electrones. No se utiliza la carga del electrón como unidad de carga por ser esta muy pequeña. 1 culombio = 6,24 x 1018 electrones Un culombio es una carga eléctrica considerable. En la práctica, para cuantificar la carga eléctrica se utilizan submúltiplos como el miliculombio (mC = 10-3 C) o el microculombio (µC = 10-6 C). 11
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Ley de Coulomb Seguramente hemos observado en alguna ocasión que frotando un bolígrafo de plástico con un trozo de lana y acercándolo inmediatamente a unos trocitos de papel, estos son atraídos por el bolígrafo. Esta interacción electrostática es un fenómeno de electrización conocido con el nombre de electricidad estática y aparece por el confinamiento de una cierta carga eléctrica en el seno de un material. Analizando este fenómeno podemos extraer algunas conclusiones interesantes: • Todos los materiales eléctricamente neutros presentan mayor o menor facilidad para perder los elec-
trones de valencia. Cuando dos materiales entran en contacto, uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. Se dice que es más positivo aquel material que en el contacto tiende a perder electrones, y más negativo el que tiende a capturarlos. Algunos ejemplos de materiales no conductores ordenados de más positivo a más negativo son la piel de conejo, el vidrio, el pelo humano, el nailon, la lana, la seda, el papel, el algodón, la madera, el ámbar, el poliéster, el poliuretano, el vinilo (PVC) y el teflón.
• Al frotar el bolígrafo con la tela se está aplicando una energía mecánica que hace que el bolígrafo gane
electrones y se cargue negativamente, y la lana los pierda y se cargue positivamente.
• Al acercar el bolígrafo a los trocitos de papel, la carga eléctrica excedente que contiene el bolígrafo
tiende a neutralizarse con las cargas de los cuerpos próximos, que ejercen, en este caso, una fuerza de atracción sobre los pedacitos de papel.
Ahora podemos plantearnos la siguiente pregunta: ¿El fenómeno anterior se puede dar con un bolígrafo como material conductor? La respuesta es que sí, pero debemos realizar el experimento en un ambiente exento de humedad y evitar que el bolígrafo se descargue al manipularlo con la mano. Esto se debe a que en los materiales aislantes la carga queda confinada en el punto de electrización, mientras que en los conductores la carga se distribuye por todo el material y se neutraliza fácilmente mediante contacto. La forma de electrización del experimento anterior es conocida como electrización por frotación. Sin embargo no es la única, hay otras formas de electrización como la provocada por contacto o por inducción. La electrización por contacto se produce cuando un cuerpo toca a otro previamente electrizado. Dependiendo de la movilidad natural de la carga eléctrica en el material, mayor en conductores que en aislantes, ambos cuerpos quedan cargados con cargas eléctricas del mismo signo. Sin embargo, el balance de carga en el contacto permanece constante, esto es, la carga que pierde un material es idéntica a la que gana el otro. La electrización por inducción se produce al acercar un cuerpo cargado eléctricamente a otro cuerpo neutro de alta movilidad de carga, pero sin que ambos entren en contacto. Cuando los cuerpos están próximos, las cargas del material electrizado interaccionan concentrando las cargas de signo opuesto en la superficie del material neutro, y se produce entonces una atracción entre los cuerpos que perdurará mientras ambos estén próximos. Relacionado con el fenómeno de la electrización se habla con frecuencia de la conexión a tierra de un cuerpo. Desde el punto de vista electrostático, la Tierra, nuestro planeta, se comporta como un cuerpo eléctricamente neutro que debido a su tamaño tiene la capacidad de neutralizar a cualquier cuerpo con carga eléctrica que pongamos en contacto con él. Consecuentemente, le cederá electrones a cuerpos con carga positiva y se los quitará a cuerpos con carga negativa. Otro aspecto que se desprende del experimento del bolígrafo es que podemos llegar a generar una fuerza electrostática, capaz de producir un trabajo, por cualquier método que provoque la electrización o desequilibrio de carga eléctrica en un cuerpo. Charles Coulomb (1736-1806) enunció la ley que lleva su nombre y demostró experimentalmente que el valor de la fuerza (F) con la que se atraen o repelen dos cargas eléctricas, en reposo y situadas en el vacío a una distancia fija, es directamente proporcional al producto de dichas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa (figura 1.15).
Figura 1.15. Fuerzas ejercida entre cargas eléctricas.
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La carga A atrae a la carga B con la misma fuerza, de igual valor y de sentido opuesto, que la carga B atrae a la carga A. La expresión que proporciona el valor de esta fuerza electrostática viene dada por: (1.1) Donde: F es la fuerza de atracción o repulsión expresada en newtons (N). qA y qB son los valores de las cargas eléctricas en culombios (C). k es una constante que, en el sistema internacional (SI) y para el vacío, es igual a 9·109 newton·metro2/ culombios2 (N·m2/C2). d es la distancia entre las partículas expresada en metros (m). Se debe tener en cuenta que la fuerza electrostática (F) es de naturaleza vectorial, y queda perfectamente definida cuando conocemos su valor, su dirección y su sentido. Así, como se desprende de la expresión (1.1), la fuerza será de repulsión (signo positivo) si las cargas son de igual signo, y de atracción (signo negativo) si son de signo contrario. Cuando las cargas están en otros medios distintos del vacío, la fuerza de interacción disminuye y la constante k se divide entre otra, denominada constante dieléctrica ɛ. La constante dieléctrica ε es una magnitud sin dimensión y característica de cada medio a una temperatura dada. Por ejemplo, a 25 ºC, algunas constantes son: ɛagua = 78,5, ɛaire = 1,00006, ɛmica = 5,4, ɛpoliestireno = 2,5, etc. En medios distintos al del vacío, la ley de Coulomb se formula de la siguiente manera: (1.2)
Ejercicios 1. Queremos calcular la fuerza existente entre dos partículas con carga positiva situadas a 5 m de distancia. La carga eléctrica de las partículas es q1 = 3·10-5 C y q2 = 7·10-6 C. Solución De acuerdo con la expresión (1.1), la fuerza será la siguiente:
El signo positivo del resultado es indicativo de que las partículas poseen el mismo tipo de carga y, en consecuencia, se produce una fuerza de repulsión entre ellas. 2. Si en el ejemplo anterior la carga q1 es positiva y la q2 es negativa, ¿qué sucede?. Solución Volviendo a aplicar la expresión (1.1), teniendo en cuenta el signo negativo de la carga q2, la fuerza resultará:
El signo distinto de las cargas hace que el resultado sea negativo e indique ahora que la fuerza es de atracción. 3. Entre una carga de valor qA = -5·10-6 C y otra qB = 5·10-9 C se produce una fuerza de atracción de -10 mN. a) Calcula la distancia entre las cargas si están en el vacío. b) ¿Cuál sería la fuerza de atracción si las cargas estuvieran en agua a 25 ºC y a la misma distancia?. 13
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Solución Despejando la distancia en la expresión (1.1), y teniendo en cuenta los signos de las cargas y de la fuerza, se tiene:
Aplicando la expresión (1.2) para calcular la fuerza de atracción cuando las cargas están en el agua (ɛ del agua igual a 78,5), se obtiene:
1.2.3 Intensidad de campo eléctrico El campo eléctrico es aquella región del espacio donde se deja sentir el efecto de una carga eléctrica. En la figura 1.16 se muestra el campo eléctrico creado por la carga qA y la fuerza F que esta ejerce sobre una carga unitaria positiva q. La intensidad de un campo eléctrico está relacionada con el valor de la carga q y de la fuerza que se ejerce sobre ella en el seno de un campo eléctrico.
Figura 1.16. Intensidad de campo eléctrico (E).
Cuando la fuente del campo eléctrico es una carga puntual qA, se define la intensidad de campo eléctrico (E) como la fuerza eléctrica que ejerce qA a una distancia d. Viene dada por la expresión: (1.3) Donde: E es la intensidad de campo eléctrico dada en voltios/metro (V/m). F es la fuerza ejercida en newton (N). qA y q son las cargas eléctricas puntuales en culombios (C). k es la constante 9·109 N·m2/C2. d es la distancia entre las cargas en metros (m). La intensidad de campo eléctrico (E) es una magnitud vectorial, cuyo sentido va desde la carga positiva a la carga negativa.
Ejercicios 4. Deseamos comprobar que la intensidad de campo eléctrico que provoca una carga q1 de 4·10-8 C, a 2 m de distancia, es de 90 V/m. Solución
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Aplicando la expresión (1.2), tendremos:
5. Deseamos calcular ahora la intensidad de campo eléctrico existente a 2 cm de distancia de la carga del ejercicio anterior. Solución Volviendo a operar con el nuevo dato la expresión (1.2), obtendremos:
El resultado obtenido indica la presencia de una intensidad de campo eléctrico importante.
1.2.4 Diferencia de potencial Definimos la diferencia de potencial como el trabajo requerido para desplazar una carga entre dos puntos de un campo eléctrico. En la figura 1.17 se representa el desplazamiento de la carga unitaria positiva q, desde el punto B al punto A del campo eléctrico E.
Figura 1.17. Desplazamiento de una carga entre los puntos A y B de un campo eléctrico.
La diferencia de potencial es una magnitud escalar y la expresión utilizada para obtener su valor entre los puntos A y B de un campo eléctrico constante viene dada por: (1.4) Donde: UAB es la diferencia de potencial entre los puntos A y B expresada en voltios (V). E es el campo eléctrico en voltios/metro (V/m). d es el desplazamiento en metros (m). Comúnmente, la diferencia de potencial recibe el nombre de tensión o voltaje cuando evaluamos o medimos la cantidad de voltios existentes entre dos puntos de un circuito eléctrico.
Ejercicio 6. Deseamos conocer la diferencia de potencial existente entre dos puntos, A y B, separados por una distancia de 2 cm y situados en el seno de un campo eléctrico constante de 900 V/m.
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Solución Aplicando la expresión (1.4), la diferencia de potencial entre A y B será:
Resumen • La electricidad es una forma de energía. También se denomina electricidad a la ciencia que estudia
las formas de generarla y que desarrolla equipos capaces de aprovecharla haciendo uso de materiales conductores.
• Georg Simon Ohm propuso la denominada ley de Ohm; una de las más importantes que rige el
comportamiento de los circuitos eléctricos. Definió que la resistencia eléctrica (R) es el cociente entre el voltaje (V) existente en los extremos de un elemento conductor y la corriente eléctrica (I) que circula por él: R = V/I.
• El sistema eléctrico engloba el conjunto de actividades que hacen posible la generación, el trans-
porte, la distribución y la comercialización de la energía eléctrica.
• En general, cuando hablamos de potencia eléctrica nos estamos refiriendo al resultado de mul-
tiplicar el voltaje al que conectamos un aparato, por la corriente eléctrica que circula por él. Su unidad es el vatio (W) si el voltaje lo expresamos en voltios (V) y la corriente en amperios (A). Para expresar grandes potencias se emplean múltiplos como el kilovatio (kW) o el megavatio (MW).
• Cuando hablamos de energía eléctrica nos referimos al resultado de multiplicar la potencia eléc-
trica consumida por un aparato a lo largo del tiempo. Formas de expresar sus unidades son: vatios hora (Wh), kilovatios hora (kWh) o gigavatios hora (GWh).
• El término «alta tensión» se refiere a líneas de transporte o reparto con voltajes superiores a
32 kV, el de «media tensión» a líneas de distribución con voltajes de entre 1 kV y 32 kV y, finalmente, el de «baja tensión» a líneas de acometida doméstica o industrial con voltajes inferiores a 1 kV.
• En general, podemos afirmar que cualquier centro o estación de transformación adecúa el voltaje
de la energía eléctrica a las características de las líneas de transporte, reparto o distribución empleadas para su reparto.
• La electrostática es la parte de la Física que estudia los fenómenos de las cargas eléctricas en repo-
so, como son la intensidad de campo eléctrico y la diferencia de potencial.
• Los metales son buenos conductores de la electricidad porque los escasos electrones en el nivel de
valencia de sus átomos se liberan fácilmente. En cambio, los aislantes no conducen bien la electricidad al quedar los electrones atrapados en sus átomos intentando completar el nivel de valencia.
• Cuando los átomos de un material pierden o ganan electrones el material queda, respectivamen-
te, cargado positiva o negativamente. Esto da lugar a la aparición de un campo eléctrico, de uno u otro signo, en el espacio que rodea al material.
• La Tierra se considera como un enorme cuerpo eléctricamente neutro. Cualquier cuerpo cargado
eléctricamente se neutraliza al entrar en contacto directo con él.
• Los métodos de electrización más frecuentes se producen por frotamiento, por contacto o por
inducción.
• Charles Coulomb enunció la ley que lleva su nombre al evaluar y demostrar experimentalmente la
fuerza con la que se atraían o repelían dos partículas cargadas eléctricamente.
• Denominamos intensidad de campo eléctrico a la fuerza eléctrica con la que una carga eléctrica
atrae o repele a otra unidad de carga situada a una distancia conocida.
• La diferencia de potencial representa el trabajo requerido para desplazar una unidad de carga
entre dos puntos de un campo eléctrico.
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