GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

LA ENERGÍA ELÉCTRICA

Conceptualmente hablando, la energía de un sistema puede definirse como el poder que este sistema tiene para modificar a otros de su entorno.
Se pueden citar muchos ejemplos, como un muelle comprimido, un gas a presión en un recipiente, un combustible fósil, un peso elevado, una pila eléctrica, un salto de agua, una estrella, etc.


La energía se manifiesta de distintas maneras, de acuerdo a la física clásica, podemos contemplar
ENERGIA MECANICA: la asociada a fuerzas capaces de mover, solicitar o deformar, (mecánica Newtoniana)
ENERGIA QUIMICA: la asociada a las reacciones intermoleculares químicas
ENERGIA TERMICA: la asociada a la vibración y choque de moléculas
ENERGIA ELECTRICA: la asociada a la acumulación o desplazamiento de electrones o iones
ENERGIA ATÓMICA: la producida por partículas emitidas por elementos radiactivos, fusiones y fisiones de átomos
ENERGIA RADIANTE: asociada a la oscilación y transmisión de los campos electromagnéticos a través del espacio.


Esta división clásica es algo artificiosa, por cuanto que en la mayor parte de los fenómenos físicos se manifiestan simultáneamente varios tipos de energía. (química+eléctrica+térmica, o atómica+radiante, por ejemplo)
La “calidad” de los distintos tipos de energía es distinta, y en general, la energía tiende a adoptar en sus sucesivas transformaciones la forma mas degradada, el calor (energía térmica). El concepto de “calidad” de la energía, esta asociado al concepto termodinámico de Entropía. Así, las transformaciones energéticas en la naturaleza, tienden a producirse espontáneamente en el sentido en el que aumenta la Entropía.
Si la energía está latente o contenida en un sistema, pero no se manifiesta en acciones sobre el entorno, se habla de ENERGIA POTENCIAL del sistema. La energía potencial de los sistemas tiende a hacerse mínima.
La mejor comprensión de la energía y sus transformaciones requiere modelos termodinámicos, quánticos y relativistas, pero a efectos de la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería son suficientes modelos simples, de tipo intuitivo, que son los que expondremos sucintamente en estos apuntes.

La energía eléctrica reviste un altísimo interés práctico debido a que:
1,-La energía eléctrica se puede convertir en cualquier otra forma de energía, y recíprocamente, y el rendimiento de las transformaciones es alto, (solo se pierde de un 1 a un 25% de energía en forma de calor)
2-Se puede transportar a grandes distancias, con medios relativamente sencillos
3-Es posible la suma instantánea en su producción en distintos lugares y el fraccionamiento de su consumo también en distintos lugares (la Red eléctrica integral de un país)
4-Es una energía “limpia”, que una vez producida, no genera CO2 ni otros gases en sus transformaciones.
Tiene un serio inconveniente: es muy difícil y cara de almacenar (acumuladores, centrales hidráulicas reversibles, etc.)

MANIFESTACIONES DE LA ENERGIA ELECTRICA


Las cargas eléctricas son negativas o positivas. Del mismo signo de atraen y de distinto signo se repelen. Simplificadamente, las negativas son electrones libres y las positivas iones o átomos desequilibrados eléctricamente por pérdida de los electrones de la ultima capa.
Tradicionalmente, el estudio de la energía eléctrica, se suele separar en


ELECTROSTATICA:
cuando las cargas no se mueven , o están confinadas a un cierto espacio e interactúan entre sí por campos eléctricos.
ELECTROCINETICA: cuando las cargas (casi siempre electrones), circulan impulsadas por un campo eléctrico por un conductor, produciendo efectos térmicos y magnéticos en su entorno.
ELECTROMAGNETISMO: estudia el campo magnético generado por la corriente y su inversa, la producción de corriente por variaciones de un campo eléctrico.
ELECTROQUÍMICA: estudia los efectos químicos de la corriente y su almacenamiento y producción por este medio.
En la gran mayoría de las aplicaciones practicas de la electrotecnia, los fenómenos electroestáticos carecen de relevancia, o se neutralizan convenientemente por lo que se contemplaran en estos apuntes de carácter practico sucintamente. Hay no obstante, aplicaciones de gran interés como condensadores, válvulas de vació, pararrayos, aceleradores de partículas, etc. y son fundamentales para la mejor comprensión de la atmósfera y el clima (lluvias).

 

NATURALEZA Y PRODUCCIÓN DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA

La palabra electrón proviene del griego y significa el ámbar, ya que los griegos observaron que frotando este material proveniente de un molusco marino, éste atraía pequeñas partículas de papel o tejido. La explicación es que por efecto del frote eran separados del ámbar algunos electrones corticales de los átomos de sus moléculas, cargando así positivamente este material, o sea desequilibrándolo eléctricamente respecto al papel que pretendían atraer. La atracción entre cargas opuestas generaba la fuerza mecánica.


Esta atracción electrostática se puede calcular mediante la ley de Coulomb, que enuncia que, la fuerza es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.


En electrocinética, se utilizan conductores metálicos. Los metales tienen hasta 3 electrones corticales (en la ultima capa), que pueden ceder a la red cristalina del metal, bajo efecto de un campo eléctrico externo producido por distintos medios. El flujo o movimiento de dichos electrones a través del metal es la corriente eléctrica, y genera efectos magnéticos en su entorno, y efectos térmicos como consecuencia de su choque en su desplazamiento, con los átomos de la red, calentando el metal.


El movimiento de electrones, realmente se produce del polo negativo (cátodo) que tiende a tener exceso de electrones al positivo (ánodo), aunque convencionalmente se dice que “las cargas se desplazan del positivo al negativo” (las cargas positivas, realmente son “huecos” dejados por los electrones, y si los electrones viajan en un sentido, los huecos deben hacerlo en el otro)
flujo de cargas positivas y negativas en un conductor


La velocidad de los electrones en la red cristalina de los metales es lenta, pero la velocidad de propagación de la perturbación es la de la luz. De ahí el carácter casi instantáneo de la corriente eléctrica.
La habilidad o capacidad de un material dado para permitir un flujo de electrones a través de él, con un mínimo de pérdidas por calentamiento y a igualdad de campo eléctrico motor, es la conductividad.


A efectos de conductividad, y bajo un punto de vista tecnológico, los materiales se clasifican en


CONDUCTORES : metales, los mejores para transporte o con mayor aplicación práctica; el oro, la plata, el cobre y el aluminio
SEMICONDUCTORES: son átomos con 4 átomos de carbono corticales, como el Silicio o el Germanio, poseen un elevado interés en electrónica, por varios efectos rectificador, amplificador, Peletier, efecto de campo, (sólo explicables por mecánica quántica) Tienen comportamientos anisótropos o direccionales respecto al vector campo eléctrico.
AISLANTES: como los plásticos y polímetros orgánicos, la madera seca, el alquitrán, y derivados del petróleo que impiden prácticamente el paso de la corriente salvo en presencia de campos muy fuertes.
UNIDAD DE CARGA ELÉCTRICA
En el sistema SI se adopta el Culombio. 1 Culombio = carga del electrón x 6,25×1017

INTENSIDAD de CORRIENTE, UNIDADES

La intensidad de corriente es la cantidad de carga eléctrica que pasa por una sección del conductor por unidad de tiempo. La unidad es el Amperio, que equivale a un Culombio /segundo
1 Amperio = 1 Culombio/sg

También se define el amperio como la corriente de intensidad eléctrica constante que al atravesar una solución de nitrato de plata deposita 1,118 mg de plata por segundo.

RESISTENCIA ELECTRICA, UNIDADES
Experimentalmente dedujo Joule que la cantidad de calor que se genera en un conductor dado es proporcional al cuadrado de la intensidad que lo recorre y al tiempo, o sea:

En donde


I=Intensidad en amperios
t= tiempo en segundos
W=Potencia eléctrica en julios
R= un factor denominado RESISTENCIA del conductor, cuya unidad se define como Ohmio


Así pues un ohmio es la resistencia de un conductor que la ser atravesado por un amperio genera una potencia de un julio / segundo, o sea un watio


(Recordemos que 1 watio =0.24 calorias/s. Equivalente calorífico del trabajo)


GEOMETRÍA Y RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR


Se observa que la resistencia de un conductor es proporcional a su longitud e inversamente proporcional a la sección.
Si llamamos r al coeficiente de proporcionalidad,


R= r l/S

r es característico de cada material, y se llama resistividad. Si damos el valor de 1 Ohmio a R, l= 1 m, S= 1 m2
vemos que r tiene dimensiones de Ohmio*m, y así el valor numérico de la resistividad coincide con la resistencia en Ohmios de un conductor de un m2 de sección y un m de longitud.


En la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería eléctrica, los conductores son de sección constante circular. En el caso de que la sección variase con la longitud, habría que efectuar una integral.
Las aleaciones metálicas tienen mayor resistividad que cada uno de los metales puros que la componen, de ahí que se recurra al cobre refinado electrolíticamente para la mayoría de los conductores., o por economía al aluminio, más voluminoso y difícil de trabajar.
La resistividad de un conductor metálico aumenta con la temperatura de una manera aproximadamente lineal, con un coeficiente de crecimiento alfa característico de cada uno.


Notas importantes:

Efecto Peltier
Consiste en que al hacer pasar corriente eléctrica a través de la unión de dos conductores distintos en una determinada dirección produce enfriamiento, y al hacerla pasar en dirección contraria produce calentamiento en la unión. La potencia calorífica generada o absorbida es proporcional a la corriente eléctrica y también depende de la temperatura de la unión y se expresa como:

Qp = πI

Qp es la potencia calorífica generada o absorbida debido al efecto Peltier.
π  es el coeficiente de Peltier.
I es la intensidad de corriente que pasa a través de la unión.

Comportamiento anisotrópico


A lo largo del proceso, los granos giran y al mismo tiempo se alargan, haciendo que ciertas direcciones y planos cristalográficos queden alineados. En consecuencia, se desarrollan orientaciones, es decir, texturas preferenciales, causando un
comportamiento anisotrópico.

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