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La energía
La energía y su transformación
La energía es la capacidad de producir trabajo.
De todas las manifestaciones de energía (calor, luz, movimiento…), la que más se aprovecha es la
energía eléctrica, debido a:
•Su facilidad de obtención.
•Su sencillez en el transporte.
•Que puede ser sometida a gran variedad de transformaciones.
Para producir energía eléctrica necesitamos un flujo de electrones, lo que se consigue manteniendo
una diferencia de potencial entre dos puntos.
Las métodos de obtención de energía eléctrica:
•Por fricción: consiste en frotar dos cuerpos para producir electricidad estática, al aumentar su potencia
eléctrica. Ej.: un bolígrafo contra un brazo.
•Mediante reacciones químicas (Electrolisis): consiste en sumergir dos metales diferentes en una
disolución determinada y conectarlos mediante un hilo conductor, para producir una reacción que da
lugar a una corriente eléctrica. Ej.: pilas y baterías.
•Mediante la luz (Fotoelectricidad): algunos materiales, denominados semiconductores, tienen la
propiedad de emitir electrones al incidir luz sobre ellos. Ej.: placas fotovoltaicas.
•Mediante presión (Piezoelectricidad): algunos materiales, como el cuarzo, cuando sufren una pequeña
deformación por presión distribuyen en su superficie las cargas eléctricas. Ej.: cuarzo.
•Mediante el movimiento (Inducción electromagnética): consiste en mover un hilo de cobre (un
conductor) dentro de un campo magnético, por lo que en dicho hilo aparece una corriente eléctrica que
se mantiene mientras se mantenga el movimiento. Es el fenómeno más utilizado para obtener energía a
gran escala.
Generación y transporte de corriente eléctrica
Como ya se dijo, la inducción electromagnética es el método más utilizado para producir corriente
eléctrica; basta con una bobina de hilo de cobre enrollado en un eje metálico que se mueva dentro de un
campo magnético. Pero este fenómeno es reversible, es decir, si se hace pasar una corriente eléctrica por un
cable enrollado alrededor de un metal se crea un campo magnético y se obtiene un electroimán.
Los dispositivos que usamos para producir corriente eléctrica de
Polo norte del estátor
esta manera (un elemento que gira en el interior de un campo magnético)
Rotor
se denominan generadores. Hay dos tipos: dinamos y alternadores.
1. Las dinamos
Elementos fundamentales:
•Bobina o “rotor”: es el elemento (cable enrollado) que se hace girar Escobilla
para producir la corriente eléctrica. Colector
Polo sur del estátor
•Imanes permanentes o “Estator”: está formado por dos imanes
enfrentados entre sí que crean un campo magnético.
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•“Colector”: está formado por dos semianillos, de manera que cada extremo del rotor va unido a uno de
ellos. Recoge la corriente eléctrica que se genera.
•“Escobillas”: son unas piezas que, en contacto con el colector, recogen la corriente eléctrica y la sacan
fuera de la dinamo para ponerla a nuestra disposición.
Funcionamiento: cuando se hace girar el rotor dentro del campo magnético creado por el 2stator, se
genera una corriente eléctrica provocada por el rotor en la que dirección de los electrones varía a medida
que varía la posición del rotor con respecto al campo magnético. A la salida del colector, esta corriente
circula siempre en el mismo sentido, es decir, es corriente continua.
2. Los alternadores
Elementos fundamentales:
•Bobina o “rotor”: es el elemento (cable enrollado) que se hace girar
Imán
para producir la corriente eléctrica
•Imanes permanentes o “estátor”: está formado por dos imanes
enfrentados entre sí que crean un campo magnético.
Polo sur
Polo norte
•“Colector”: está formado por dos anillos giratorios, cada uno de los del estátor
del estátor
cuales hace contacto con un extremo del rotor, de manera que las Rotor
escobillas recogen unas veces la corriente en un sentido y otras veces
en otro. Recoge la corriente eléctrica que se genera.
•“Escobillas”: son unas piezas que, en contacto con el colector,
recogen la corriente eléctrica y la sacan fuera del alternador para
Colector
ponerla a nuestra disposición. Escobilla
(anillos
Funcionamiento: cuando se hace girar el rotor dentro del campo
giratorios)
magnético creado por el estátor, se genera una corriente eléctrica
provocada por el rotor. Esta corriente eléctrica es recogida por los anillos giratorios del colector unas veces
en un sentido y otras en otro. Esta variación en el sentido de circulación de la corriente eléctrica se produce
una vez cada vuelta, es decir, es corriente alterna. Este es el tipo de corriente que llega a nuestras casas.
En un generador de corriente alterna la tensión entre sus terminales varía constantemente unas 50 o 60
veces por segundo (50 ó 60 Hz) entre dos valores, uno positivo y otro negativo; por lo tanto, los electrones
cambian el sentido de su movimiento, por lo que esta corriente mas que deberse a la circulación de electrones
se debe a su vibración. Técnicamente una lámpara alimentada por esta corriente alterna está continuamente
encendiéndose desde un valor máximo, para volver a apagarse y encenderse de nuevo; lo que ocurre es que
la frecuencia de 50 ó 60 Hz con la que lo hace es demasiado elevada para nuestro ojo que no percibe el
fenómeno.
La obtención de corriente eléctrica en grandes cantidades sólo se puede hacer en las centrales
eléctricas. Básicamente en todas ellas se pretende mover el rotor de un generador. Los tipos de centrales
eléctricas son:
•Centrales térmicas: Su funcionamiento se basa en calentar agua hasta convertirla en vapor. Este
vapor a gran presión se hace llegar a una turbina, a la que obliga a girar a gran velocidad, la cual hace girar
un alternador que va unido a ella, lo que produce corriente eléctrica, que luego se distribuye. Los
combustibles utilizados son: carbón, fuel oil, gas natural, etc.
•Centrales hidroeléctricas: Aprovechan la energía del agua almacenada en los embalses debido a la
altura que alcanza. Al caer el agua provoca el movimiento de una turbina y el funcionamiento del
generador.
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•Centrales nucleares: Se provocan de forma controlada reacciones nucleares de fisión que desprenden
una gran cantidad de calor usado para producir vapor de agua que mueve una turbina y se produce
corriente eléctrica por el movimiento de un alternador.
Este tipo de centros dónde se produce energía suelen estar ubicados en lugares muy distantes de
los centros de consumo. El transporte de la energía debe hacerse en condiciones adecuadas para que se
produzcan unas pérdidas energéticas mínimas, de modo que el proceso de transporte resulte rentable.
Transformación de la energía eléctrica
La energía eléctrica se puede transformar en:
•Luz (energía luminosa): cuando la corriente
eléctrica pasa por un filamento, éste se calienta y
brilla. Para evitar que el filamento se quemo se rodea
de una ampolla de cristal que contiene un gas inerte
que actúa como refrigerante.
•Movimiento: se basa en el mismo efecto de
inducción electromagnética que los generadores.
•Calor: cuando la corriente eléctrica pasa por un
cable se produce un calentamiento del mismo.
•Sonido: cuando la corriente eléctrica pasa por una
bobina genera un campo magnético de manera que su intensidad varía a medida que varía la corriente
eléctrica. Estas variaciones pueden transformarse en vibraciones y éstas en sonidos.
•Reacciones químicas: la corriente eléctrica puede descomponer determinadas sustancias (electrolisis).
Energías renovables
Las energías renovables son cualquier tipo de energías que a pesar de su uso se reponen
constantemente o bien tardarán muchísimo tiempo en agotarse. Todas ellas son baratas, limpias y no
contaminantes. Tipos de energías renovables:
•Energía solar fotovoltaica: consiste en la producción de electricidad a través de células fotovoltaicas,
formadas por un conjunto de células solares dispuestas en paneles, que transforman directamente la
energía solar en energía eléctrica.
•Energía solar térmica: se trata del aprovechamiento de la energía calorífica proveniente del Sol
mediante acumuladores para sistemas de calefacción y obtención de agua caliente para viviendas,
aunque también se puede producir electricidad.
•Energía eólica: se aprovecha la acción del viento para mover molinos diseñados para producir corriente
eléctrica. Se está apostando fuertemente por ellas aunque contaminan acústicamente y provocan un
gran impacto sobre el paisaje y la avifauna.
•Energía geotérmica: es aquella que encierra la Tierra en forma de calor, aprovechándose mediante
manantiales de agua caliente para calefacción o para obtener energía eléctrica si la temperatura del agua
es muy elevada. Se usa en Islandia.
•Energía mareomotriz: es la desarrollada por las aguas del mar cuando están en movimiento, bien sea
debido a las mareas o a las olas. El movimiento del agua puede mover una turbina de manera que nos
permita producir electricidad.
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•Biomasa: consiste en utilizar residuos agrícolas o urbanos (ambos orgánicos) o plantas cultivadas para
ello, para la obtención de combustibles que puedan utilizarse en cualquier actividad.
Electricidad
Todos los cuerpos están formados por átomos
constituidos por un núcleo central cargado positivamente
rodeado por unos orbitales en los que se mueven los electrones
cargados negativamente. Estos electrones en ocasiones salen
del orbital de un átomo y pasan al orbital de otro átomo.
Ambos átomos se convierten en iones: el que pierde electrones
es el ión positivo (catión) y el que los gana es el ión negativo
(anión).
Llamamos Carga eléctrica (Q) a la cantidad de
electricidad que circula por el conductor; se mide en Culombios, siendo la carga de un electrón (e-) 1,6·10-19
culombios. Q
I=
Llamamos Intensidad (I) a la cantidad de carga que atraviesa un conductor en la unidad de tiempo; t
se mide en Amperios.
La Resistencia (R) es la dificultad que opone un conductor al paso de la corriente eléctrica, lo
que depende de su longitud “L” (cuanto mayor más resistencia), de su sección “S” (cuanto mayor menos L
R= ρ
resistencia) y de l as características del material del conductor, lo que se conoce como resistividad r; se S
mide en ohmios (Ω).
El Voltaje o Tensión (V) es la diferencia de potencial que hay entre los extremos del conductor, lo
que hace que los electrones circulen; se mide en voltios.
Existe una ley denominada Ley de Ohm que relaciona los conceptos anteriores. Según V=I·R
esta ley 1 voltio es la diferencia de potencial capaz de producir una intensidad de 1 amperio en un
conductor cuya resistencia es de 1 ohmio.
Para calcular la Energía consumida por los aparatos instalados usaremos la fórmula, en
E=P·t
la que E es la energía consumida en vatios · hora o en kilovatios · hora, P es la potencia en vatios
o en kilovatios de todos los aparatos conectados y t es el tiempo en horas que están conectados.
1. Elementos básicos de un circuito de corriente continua
Para controlar y regular el flujo eléctrico se usan los circuitos eléctricos cuya finalidad es poner en
contacto los operadores que producen la corriente eléctrica (producen diferencia de potencial), los
operadores que transforman la corriente eléctrica y los operadores de control que nos permiten controlar su
funcionamiento.
En consecuencia, en un circuito de corriente continua podemos distinguir los siguientes elementos:
 Generadores: los elementos que producen la corriente eléctrica.
 Conductores: los elementos que transportan la corriente eléctrica.
 Receptores: los elementos que transforman la energía eléctrica en otro tipo de energía.
 Elementos de control: los que permiten controlar el paso de la corriente eléctrica
 Elementos de protección: los que evitan que puedan circular intensidades elevadas que
destruirán el circuito (fusible, interruptor térmico…)
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En un circuito los receptores pueden acoplarse de dos maneras: en serie y en paralelo.
a. Acoplamiento de receptores en serie
-Toda la intensidad I del circuito pasa por cada una de las
resistencia I = I1 = I2 = … = In , es decir, la intensidad del circuito
I es igual a la que circula por la primer resistencia I1, e igual a la
que circula por la segunda resistencia I2 y así sucesivamente.
- La tensión V de la pila debe repartirse entre cada
resistencia V=V1+V2+…+Vn +
- Todas las resistencias en serie pueden sustituirse por una
resistencia equivalente que será la suma de las resistencias
individuales R = R1+R2+…+Rn
• Intensidad constante: ITOTAL = I1 = I2 = I3 = …
• Voltaje repartido: VTOTAL = V1 + V2 + V3 + …
• Resistencia repartida: RTOTAL = R1 + R2 + R3 + …
+
b. Acoplamiento de receptores en paralelo
--Toda la intensidad I del circuito se reparte por cada
resistencia I = I1 + I2 + … + In , es decir, la intensidad del circuito
I es igual a la suma de a intensidad que circula por la primer
resistencia I1 más la que circula por la segunda resistencia I2 y
así sucesivamente.
- La tensión V de la pila es la misma que la que circula por
cada resistencia V=V1=V2 =…=Vn
- Todas las resistencias en serie pueden sustituirse por
una resistencia equivalente que se calculará así:
R = 1 / (1/R1+1/R2+…+1/Rn)
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• Intensidad repartida: ITOTAL = I1 + I2 + I3 + …
• Voltaje constante: VTOTAL = V1 = V2 = V3 = …
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• Resistencia según la fórmula: RTOTAL =
1 1 1 1
+ + +
R1 R 2 R3 ...
+
2. Circuitos básicos de corriente alterna
Un buen ejemplo de circuito de corriente alterna es la instalación eléctrica de una vivienda. Todos
los receptores de la vivienda se conectan en paralelo con la red que comunica la vivienda con las centrales
eléctricas. Esto asegura tener en todos los puntos de la casa una tensión de 220 V.
En general, las instalaciones eléctricas domésticas están divididas en varios circuitos para que
aunque se averíe uno el resto siga funcionando. En estos circuitos podemos distinguir los siguientes
elementos.
• Elementos de control y conmutación, con los que se conectan y desconectan algunas partes de
la instalación. Pueden ser:
o Interruptores, si permiten abrir y cerrar el circuito y tienen dos bornes de conexión (una
entrada y una salida). Controlan una lámpara desde un punto.
o Conmutadores, si permiten desviar la corriente por dos ramas diferentes y tienen tres
bornes de conexión (una entrada y dos salidas). Controlan una lámpara desde dos
puntos.
o Conmutador cruzado, si está formado por un conmutador doble con las entradas
conectadas con las salidas de una forma directa o cruzada. Se usan par a controlar
una lámpara desde más de dos puntos.
• Elementos de protección, con los que se reduce el riesgo de accidente en la instalación.
Pueden ser:
o Magnetotérmico, interruptor que se abre automáticamente cuando se produce un
cortocircuito o se sobrecarga la instalación; se coloca a la entrada de la vivienda.
o Diferencial, dispositivo que desconecta la instalación cuando hay circulación de
corriente a tierra por fallos de aislamiento para evitar descargas a los usuarios.
o Conductor de tierra, cable que conecta las masas de los electrodomésticos a tierra
para conducir la corriente a tierra al producirse un fallo de aislamiento; al existir esta
conducción de corriente a tierra el diferencial la detecta y desconecta la instalación.
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o Fusibles, dispositivos formados por un conductor de sección muy pequeña
conectados en serie con las tomas de corriente de la instalación, de manera que cuando
por alguna causa anormal circula por él una corriente eléctrica se rompe o “funde”.
3. Componentes electrónicos
3.1. Resistencias eléctricas
Es un operador que transforma energía eléctrica en calor y que provoca una caída de
tensión. Podemos distinguir 4 tipos de resistencias:
a. Resistencias fijas. Poseen un valor constante que viene
indicado en su superficie mediante un código de colores.
b. Resistencias variables. Su valor se puede ajustar entre cero y
un máximo girando un cursor. El valor máximo suele indicarse
sobre ellas.
c. Resistencias sensibles a la luz (LDR). Su valor depende de
la intensidad de la luz que incide sobre ellas: cuando reciben luz
su valor se reduce y aumenta cuando no la reciben
d. Resistencias sensibles a la temperatura (PTC y NTC). Su
valor varía con la temperatura. Si su valor aumenta al subir la
temperatura se denominan PTC y
si su valor disminuye al aumentar la
temperatura se denominan NTC.
3.2. Diodo
Es un operador electrónico formado por dos cristales
semiconductores de silicio o germanio unidos entre sí que
permite el paso de la corriente eléctrica en un único
sentido.
Cuando el ánodo (+) está a mayor potencial que el cátodo
(-) se dice que el diodo está directamente polarizado y se
comporta como un interruptor cerrado circulando la
corriente del ánodo al cátodo.Si el ánodo está a menor
potencial que el cátodo se dice que el diodo está
inversamente polarizado y equivale a un interruptor abierto.
La patilla más larga de un diodo es el positivo o ánodo
Algunos ejemplos de Diodos son:
• Diodo LED: Contienen cristales semiconductores con
sustancias que hacen que emitan luz cuando están
directamente polarizados. Se fabrican en color rojo,
ámbar y verde y también los hay infrarrojos, láser…
• Diodo Zener: Conduce cuando está inversamente
polarizado y la tensión aplicada a sus terminales es igual
a la indicada en su cápsula, por lo que puede ser utilizado como regulador
de tensión.
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3.3. Condensador
Es un operador que almacena carga eléctrica, formado por dos
placas metálicas superpuestas de distinto signo (armaduras) y
separadas por un material aislante (dieléctrico). Cuando se conecta
a una tensión continua las cargas eléctricas no pueden atravesar el
aislante, pero al tener distinto signo las armaduras se produce una
atracción electrostática que retiene las cargas y carga el
condensador. Así, en corriente continua sólo circulará corriente en
el momento de la carga o en la descarga
Si la corriente que recibe es alterna, la carga y descarga del
condensador es tan rápida que el condensador puede comportarse
como un interruptor cerrado.
Llamamos Capacidad de un condensador (medida en faradios F) a la cantidad de Q
C=
carga eléctrica (cantidad de e- medida en culombios) que puede almacenar en V
función de la tensión.
De entre los muchos tipos de condensadores algunos son:
• Electrolíticos, formados por dos láminas de aluminio
superpuestas, enrolladas y separadas por una capa de óxido
formada por electrolisis, todo ello encapsulado en un tubo de
aluminio. Este condensador tiene dos patillas y la más larga
debe conectarse al polo positivo.
• Cerámicos, se construyen depositando dos finas
capas metálicas sobre ambas caras de un disco
cerámico (el dieléctrico), soldándose los terminales a
las metalizaciones y recubriéndose el conjunto con
una capa de pintura o resina. Toma así el aspecto de
una lenteja coloreada. No tienen polaridad.
• De poliéster, el dieléctrico es una lámina de poliéster
que separa dos finas capas de aluminio, todo ello enrollado y cubierto por
una resina. No tienen polaridad.
3.4. Transistor
Es un operador electrónico de 3 terminales (colector, emisor y base) capaz de
controlar la corriente que pasa por él del colector al emisor (Transistor PNP, en el
que el colector tiene mayor potencial que el emisor) o del emisor al colector
(Transistor NPN, en el que es el emisor el de mayor potencial) mediante una
pequeña corriente que se aplica al otro terminal o base (corriente de base o de
control).
Puede funcionar de dos maneras:
• Como interruptor. Cuando la corriente de control que llega a la base
(corriente base) es nula en un transistor PNP la corriente no fluye del
colector al emisor. Se dice que el transistor está en corte y se comporta
como un interruptor abierto.
Cuando circula la máxima corriente base el transistor PNP se satura y
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circula del colector al emisor la máxima corriente. Se dice que el transistor
está en saturación y se comporta como un interruptor cerrado.
• Como amplificador. En los casos anteriores la corriente base era nula o
máxima. Si la corriente base oscilase entre cero y un valor máximo, la
corriente del colector al emisor en un transistor PNP tendría un valor múltiplo
de la corriente base
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Para saber más
Circuitos eléctricos y sus componentes
Un circuito eléctrico es el trayecto o ruta de una corriente eléctrica. El término se utiliza
principalmente para definir un trayecto continuo compuesto por conductores y dispositivos
conductores, que incluye una fuente de fuerza electromotriz que transporta la corriente por el circuito
(Figura 2). Un circuito de este tipo se denomina circuito cerrado, y aquéllos en los que el trayecto no
es continuo se denominan abiertos. Un cortocircuito es un circuito en el que se efectúa una conexión
directa, sin resistencia, inductancia ni capacitancia apreciables, entre los terminales de la fuente de
fuerza electromotriz.
Consideraciones en acoplamientos
Tenemos el circuito de la figura de la derecha:
En la figura siguiente hemos calculado los valores de
tensión y corriente del circuito.
Desde el terminal positivo hasta el punto A tenemos
12V, ya que suponemos un cable ideal que no consume
tensión, en el punto A encontramos la resistencia de 600Q que
produce una caída de 7.2V, por lo tanto en el punto B tenemos 1
2V-7.2V 4.8V.
Entre los punto B y el C no hay caída ya que tenemos el
cable, esto implica que en el punto C existen 4.8V. que permiten
vencer a la resistencia de 400Q
En el punto D tenemos una tensión de 4.8V-4.8V = 0V.
Entre el punto D y el terminal negativo no hay caída.
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