Electricidad – Fuentes, Generación, Transmisión, Medición, Parámetros y Tipos de Electricidad
El fenómeno asociado con la presencia y el flujo de carga se llama electricidad. Es una fuente de energía utilizada para alimentar nuestras máquinas y equipos eléctricos. En esta era de tecnología moderna, casi todo se ha automatizado con algún tipo de tecnología interna alimentada por electricidad, como juguetes para niños, diversas alarmas, máquinas de fabricación de productos en industrias y equipos utilizados en hospitales, etc.
¿Qué es Electricidad y Carga?
El átomo, que es el componente básico de cualquier material, contiene partículas subatómicas. Las tres partículas subatómicas básicas son el neutrón, el protón y el electrón. El neutrón y el protón existen en el núcleo central del átomo mientras que el electrón gira alrededor de él en órbitas fijas. El neutrón, como su nombre indica, es neutro, es decir, no contiene carga alguna. Mientras que el protón y el electrón contienen la misma cantidad de carga pero con polaridades opuestas.
El protón contiene carga positiva mientras que el electrón contiene carga negativa. Por supuesto, estas polaridades se les asignan convencionalmente sólo para diferenciarlas.
En un estado normal, la carga total de un átomo es cero porque el número de electrones y protones es igual y la cantidad igual de cargas se cancela entre sí. Los protones están estrechamente unidos al núcleo, por lo que no pueden moverse, mientras que los electrones que existen en la órbita exterior, llamados electrones de valencia, están algo unidos. Se puede salir de ellos con suficiente energía para abandonar la órbita y salir del átomo.
Cuando los electrones de valencia se excitan, se liberan de la órbita, dejando así una carga positiva en el átomo (ya que se elimina el electrón con carga negativa). Algunos elementos, como los metales, contienen electrones débilmente conectados llamados electrones libres que requieren muy poca energía para moverse libremente y la El movimiento de tales cargas se llama electricidad.
Flujo de carga
Como hemos establecido antes, el flujo de cargas se llama electricidad. Pero la carga podría ser positiva o negativa. Hemos comentado que los protones de carga positiva están estrechamente unidos al núcleo, por lo que nunca se mueve, mientras que los electrones pueden moverse libremente cuando se les proporciona suficiente energía. Por tanto podemos decir que la electricidad es el flujo de electrones (la similitud entre sus nombres también lo delataba).
Pero cuando los electrones abandonan un átomo, éste deja una carga positiva. Entonces podemos decir que si las cargas negativas se mueven en una dirección, la carga positiva resultante se mueve en la dirección opuesta.
Supongamos que se colocan varios átomos en una línea, si se proporciona suficiente energía, el electrón abandona el último átomo dejando atrás una carga positiva. El electrón de los átomos adyacentes salta y neutraliza la carga positiva, dejando atrás la carga positiva. Así sucesivamente hasta el último átomo. Muestra que durante la electricidad, ambas cargas (es decir, positiva y negativa) fluyen. Estos dos tipos de flujo de carga introducen dos tipos de electricidad.
Tendencia convencional: En tiempos anteriores, cuando se descubrió la electricidad. El científico creía que la electricidad fluye de alto potencial (positivo) a bajo potencial (negativo), es decir, es producto de portadores de carga positiva. Pero en ese momento no sabían nada de los dos tipos de cargos. Simplemente lo adivinaron y propusieron las leyes, reglas y otras ecuaciones eléctricas fundamentales basadas en ello. Había una probabilidad del 50/50 y se equivocaron.
Corriente de electrones: Un siglo después del descubrimiento de la electricidad, se descubrieron las cargas eléctricas. Descubrieron que hay dos tipos de portadores de carga, es decir, portadores de carga positivos (protones) y negativos (electrones). Y el portador de carga responsable de la electricidad era el electrón (debido a sus enlaces flojos y su baja masa).
Por tanto, según la corriente de electrones, la electricidad es el flujo de electrones que es técnicamente correcto. Pero había varias leyes y reglas publicadas que utilizaban la dirección de la corriente convencional para dispositivos como diodos, etc.
El hecho es que no importa en qué dirección fluya la corriente, mientras sea constante, no hay ninguna diferencia. Por lo tanto, la corriente convencional se mantiene como dirección estándar del flujo de corriente.
Fuerza electro-estática
Según la ley de Coulomb existe una fuerza electrostática entre dos cargas donde las cargas opuestas se atraen y las mismas cargas se repelen. La fuerza es inversamente proporcional a la distancia entre ellos.
Para elaborarlo con mayor precisión, la carga positiva aleja a la carga positiva y las cargas negativas alejan a las cargas negativas. Mientras que las cargas positivas y negativas se atraen/atraen entre sí.
Si usamos una carga positiva de prueba y la colocamos entre dos placas cargadas, es decir, cargadas positivamente y cargadas negativamente. Entre estas dos placas existe un campo eléctrico. La dirección de este campo electrónico es convencionalmente de carga positiva hacia carga negativa. La carga de prueba experimentará una fuerza de repulsión de la placa cargada positivamente y una fuerza de atracción de la placa cargada negativamente debido a la ley de Coulomb. Por lo tanto, podemos decir que una carga positiva se mueve desde un potencial más alto (placa con carga positiva) a un potencial más bajo (placa con carga negativa) en un campo eléctrico.
Esta idea se utiliza en electricidad, donde se aplica un potencial eléctrico entre dos extremos de un conductor y la corriente (que es carga) fluye desde el potencial más alto hacia el potencial más bajo.
Tipos de electricidad
Hay dos tipos de electricidad, es decir, electricidad estática y electricidad actual. La electricidad estática es la acumulación de carga debido al roce de dos objetos mientras que la electricidad actual es el flujo de cargas eléctricas.
Electricidad estática
La electricidad estática es el desequilibrio de carga en un objeto o la acumulación de carga en la superficie del objeto. La carga se acumula en la superficie del objeto que luego se descarga a través de cualquier conductor eléctrico o, a veces, ioniza el aislador y se descarga provocando chispas. Es posible que experimente eso en una tormenta eléctrica.
Cualquier objeto en su condición normal tiene la misma cantidad de cargas positivas y negativas que se cancelan entre sí. por lo tanto tiene carga neutra o no tiene carga resultante. El desequilibrio en esta carga se debe a la fricción y al roce de dos objetos entre sí. Uno de los dos objetos libera electrones mientras que el otro los gana provocando que se produzcan cargas opuestas en ellos. Ocurre cuando uno de los objetos tiene una alta resistencia eléctrica.
Cuando un objeto cargado se acerca a cualquier otro objeto neutro, reorganiza sus cargas positivas y negativas de tal manera que genera una fuerza de atracción entre ellas. Por ejemplo, un objeto con carga negativa alejará la carga positiva y atraerá la carga negativa de la superficie del objeto neutro. Es posible que hayas hecho o hayas oído hablar de este experimento, frotando un globo contra tu cabello.
Los objetos cargados quieren neutralizar este desequilibrio de carga quitando o ganando electrones hacia o desde cualquier conductor eléctrico cercano. Pero el aislante entre ellos lo impide. El desequilibrio genera una fuerza de atracción entre él y un conductor eléctrico para que pueda acercarse y liberar los electrones. A veces, una gran cantidad de carga ioniza el espacio aislante entre ellos y se descarga a través de él. La descarga de electrones es visible a simple vista en forma de chispa entre ellos.
La electricidad estática se forma dentro de las nubes. Cuando sus partículas se frotan entre sí, adquieren cargas opuestas y se separan. La carga ioniza el aire entre ella e inmediatamente descarga los electrones en forma de chispas visibles comúnmente conocidas como relámpagos y truenos. Otro ejemplo es el roce de un globo contra nuestro cabello. El cabello libera electrones y el globo gana electrones produciendo cargas opuestas. El globo comienza a levantar tu cabello debido a la fuerza de atracción entre las cargas cuando se acerca a él.
Electricidad actual
La electricidad actual es el flujo de carga. Solemos hacer referencia a este tipo de electricidad cuando hablamos de electricidad. A diferencia de la electricidad estática que se debe a cargas estacionarias, la electricidad actual se debe al movimiento de las cargas dentro de un conductor.
Cuando se aplica un potencial eléctrico (de una batería) a un trozo de conductor, los electrones del conductor se excitan y se mueven a través de él. Generalmente utilizamos alambre de cobre como conductor que contiene electrones libres. La electricidad actual se mide utilizando la tasa del flujo de cargas conocidas como amperios. Normalmente consumimos este tipo de electricidad en nuestros hogares, industrias y el artículo a continuación explica todo al respecto.
Circuito eléctrico
Un circuito eléctrico es un bucle completo de un conductor que proporciona un camino para el flujo de carga o corriente. Es muy esencial que el circuito contenga sólo conductores y que no haya aisladores, de lo contrario la electricidad no fluiría.
El circuito eléctrico puede ser un simple bucle de conductor o tener una combinación de conductor y otros componentes para realizar cualquier trabajo útil. Por tanto podemos clasificar los circuitos en dos categorías.
Cortocircuito
Cuando un simple bucle de conductor se utiliza como circuito eléctrico y se alimenta conectándole una fuente de alimentación, se conoce como cortocircuito. El conductor conecta directamente ambos terminales de la fuente de energía y, dado que los conductores tienen una resistencia insignificante, hay una gran cantidad de flujo de corriente a través de la fuente de energía.
El flujo de carga pesado calentará el conductor y la fuente de energía y los dañará permanentemente. El cortocircuito se evita a toda costa en electricidad ya que dañará la fuente de energía. Es por eso que utilizamos disyuntores en nuestros hogares para proteger nuestro cableado y la fuente de energía. El cortocircuito no tiene ninguna aplicación útil y es un peligro eléctrico.
Sin embargo, podemos usar un cortocircuito de manera controlada para realizar soldaduras por puntos, etc. También usando una señal de muy bajo voltaje (usando un multímetro), podemos probar la continuidad de un conductor. Determina cualquier rotura del conductor mientras se encuentra dentro de su aislamiento plástico.
Circuito útil
Está hecho de múltiples componentes eléctricos y electrónicos conectados entre sí mediante conductores para formar un bucle y realizar cualquier función útil.
Un circuito eléctrico simple sería encender una bombilla. Una bombilla conectada por un conductor con una fuente de energía forma un circuito eléctrico. Encender la fuente permitirá que la corriente fluya y encenderá la bombilla para iluminar su entorno. Se produce el mismo proceso al encender ventiladores y calentadores.
Cada aparato o dispositivo eléctrico tiene un circuito eléctrico. Nuestros electrodomésticos se conectan mediante estos sencillos circuitos eléctricos. Sin embargo, existen otros circuitos que se utilizan para amplificar el sonido (en altavoces), cargar teléfonos, controlar máquinas y otros circuitos más complejos y lógicos, como el que se encuentra dentro de su teléfono inteligente y computadora, que incluso pueden calcular ecuaciones matemáticas complejas. Todos funcionan con electricidad.
Parámetros Básicos de la Electricidad
La electricidad tiene tres parámetros básicos, es decir, voltios, amperios y ohmios. Estos parámetros eléctricos están relacionados entre sí y se expresan mediante la ley de Ohm.
V=IR
Voltios = Amperios-Ohmios
Dónde
- V = voltaje
- Yo = actual
- R = Resistencia
Voltio (voltaje o EMF)
El voltaje o EMF (fuerza electromotriz) es la presión detrás de los electrones en un circuito eléctrico que hace que se muevan a través de él. El voltio es una unidad de voltaje o EMF.
Un voltio es la cantidad de voltaje responsable de impulsar un amperio de corriente a través de un circuito que tiene una resistencia de un ohmio.
Amperio (corriente)
La corriente es el flujo de electrones en un circuito eléctrico. Los electrones fluyen bajo la influencia del voltaje entre ellos. El amperio es la cantidad de electrones que fluyen en una unidad de tiempo.
Un amperio es la cantidad de corriente que fluye en un circuito que tiene una resistencia de un ohmio cuando se le aplica un voltio de voltaje.
Ohmios (Resistencia)
La resistencia en un circuito eléctrico es la propiedad de cualquier material de oponerse al flujo de corriente. El ohmio es la unidad de resistencia y se denota por Ω.
Se dice que un circuito eléctrico tiene una resistencia de un ohmio cuando un voltaje de un voltio mueve un amperio de corriente a través de él.
Energía Eléctrica y Medición de Electricidad
La potencia eléctrica es la energía eléctrica transferida por unidad de tiempo. En un circuito eléctrico, es igual al producto del voltaje y la corriente.
Potencia eléctrica = voltaje x corriente
P = VI
Sustituyendo I y V usando la ley de Ohm también obtenemos;
P = yo2R
P = V2/R
La unidad SI es Watt, que lleva el nombre del famoso inventor escocés James Watt, quien inventó la máquina de vapor. La potencia eléctrica también se mide en caballos de fuerza HP, que equivalen a 746 vatios.
Pagamos nuestras facturas en función de la energía eléctrica que consumimos. La unidad de energía es el julio, pero la unidad SI utilizada para medir la energía eléctrica es el kWh (kilo-vatio-hora). Un kWh equivale a 3600 kilojulios de energía. Esta es la unidad estándar utilizada para la facturación de energía eléctrica en todo el mundo.
Generación de Electricidad
La Electricidad se puede generar utilizando cualquiera de los siguientes métodos;
Generador
Los Generadores Eléctricos son dispositivos que convierten la energía cinética en energía eléctrica. Es el método más utilizado para generar electricidad en todo el mundo.
Los generadores contienen turbinas que giran utilizando energía cinética de cualquier otra fuente, como agua de una presa, vapor, viento, etc. Al girar la turbina, el campo magnético y los conductores interactúan entre sí y generan electricidad.
Los generadores pueden diseñarse para generar corriente alterna (CA) o corriente continua (CC) según su diseño y requisitos. Utilizamos principalmente generadores de CA en nuestras plantas de energía debido a sus beneficios de transmisión y conversión de voltaje más fáciles.
Este método se utiliza en grandes plantas de generación de energía que suministran electricidad a ciudades enteras en rangos de megavatios de potencia.
Electroquímica
La electroquímica se ocupa de la relación entre los productos químicos y la electricidad. En tal método, la energía química dentro de los productos químicos se convierte en energía eléctrica. La reacción química libera electrones que pueden fluir a través de un electrodo metálico.
Los electrodos metálicos se colocan dentro de una sustancia química llamada electrolito. Los productos químicos reaccionan con los electrodos e intercambian electrones que fluyen a través de los electrodos hacia el circuito eléctrico generando así electricidad. Este proceso se puede revertir para almacenar la misma carga eléctrica dentro del producto químico.
Este método de generación de electricidad se utiliza en baterías. Las baterías pueden ser de dos tipos, es decir batería primaria y batería secundaria. El baterías primarias No son recargables y no se pueden utilizar una vez que estén completamente descargados. También se las conoce como pilas desechables. Mientras que la baterías secundarias son recargables y ofrecen de cientos a miles de ciclos de recarga. Se utilizan principalmente como fuente de alimentación de respaldo y en dispositivos portátiles como teléfonos inteligentes y computadoras portátiles, etc.
Las baterías son una fuente portátil de electricidad CC que alimenta todos los dispositivos portátiles. Las baterías recargables, como las de iones de litio, se utilizan principalmente en teléfonos móviles y portátiles, mientras que las baterías de plomo-ácido se utilizan en vehículos y como fuente de energía secundaria en caso de corte de energía.
Efecto fotovoltaico
La conversión de energía luminosa en energía eléctrica se denomina efecto fotovoltaico. En este proceso, el material genera electricidad cuando se expone a la luz. Un panel solar funciona con el mismo fenómeno utilizando el sol como fuente de energía luminosa y lo convierte en electricidad.
Los paneles solares contienen pequeñas células fotovoltaicas. Cada célula fotovoltaica está hecha de material semiconductor. El fotón (partícula de luz) golpea y desprende electrones que fluyen a través del circuito. Estos electrones fluyen en una sola dirección, razón por la cual los paneles solares generan electricidad de CC.
La fuente de alimentación de CC se puede convertir fácilmente en CA mediante un inversor de corriente. Utilizamos múltiples paneles solares en áreas remotas para generar electricidad. También se utiliza como fuente de energía secundaria durante el día para casas y negocios.
Fuentes de electricidad
La energía no se puede crear ni destruir; se puede cambiar de una forma a otra. Según la ley de conservación de la energía, podemos convertir cualquier forma de energía en energía eléctrica y la energía existe en diversas formas. Utilizamos diferentes fuentes de energía para generar electricidad según los tres métodos de generación de electricidad discutidos anteriormente.
A continuación se presentan algunas de las fuentes de energía que se pueden utilizar para generar electricidad.
Gas natural
El gas natural, también llamado gas fósil, es un gas combustible disponible naturalmente bajo la superficie terrestre. Es un gas altamente combustible. Se utiliza para convertir el agua en vapor o en los gases calientes que se desprenden durante su combustión. El vapor o gas altamente presurizado se dirige hacia la turbina para hacerla girar y generar electricidad.
Petróleo
El petróleo también es combustible al igual que el gas natural. Es usado para calentar agua para generar vapor. Luego, el vapor se utiliza para hacer girar las turbinas del generador para generar electricidad.
Energía hidroeléctrica
La energía cinética del agua que fluye también se puede utilizar para hacer girar turbinas. El agua generalmente se recoge en una presa (una barrera artificial) que se utiliza para elevar el nivel del agua. El agua se libera en un tubo estrecho donde se instalan las palas de la turbina. El agua hace girar la pala de una turbina conectada a un generador para generar electricidad. Esta electricidad generada a partir del flujo de agua se llama energía hidroeléctrica.
La energía nuclear
En la energía nuclear, el proceso de fisión nuclear se utiliza para generar electricidad mediante el uso de vapor para hacer girar turbinas. La fisión nuclear es un proceso de división del núcleo de átomos radiactivos como el uranio o el plutonio.
En un reactor nuclear, el núcleo del átomo de uranio es bombardeado con neutrones que dividen el núcleo liberando energía térmica y neutrones. Los neutrones golpean otros átomos de uranio provocando una reacción en cadena y mucha energía térmica. En condiciones controladas, esta energía térmica se puede utilizar para calentar agua y generar vapor que se utiliza para hacer girar la turbina.
Energía geotermica
La energía geotérmica significa la energía térmica dentro de la tierra. La temperatura aumenta a medida que descendemos bajo la superficie terrestre. Podemos utilizar esta energía térmica para hacer girar turbinas de vapor.
Se perforan pozos de aproximadamente 2 millas de profundidad en la superficie de la tierra. La alta temperatura hierve el agua del interior que se bombea. Tan pronto como llega a la superficie, se convierte en vapor debido a la caída de presión. En su recorrido se instalan enormes turbinas que utilizan su energía cinética para girar.
Energía solar
El sol es una fuente natural de energía luminosa que puede convertirse en electricidad mediante el efecto fotovoltaico. Las plantas solares utilizan de cientos a miles de paneles solares para generar electricidad utilizando la radiación solar.
Energía eólica
Las turbinas eólicas se utilizan para convertir la energía cinética del viento en electricidad. Enormes parques eólicos que contienen múltiples turbinas eólicas se instalan en alta mar y en la costa (en zonas con mucho viento) y se utilizan para suministrar electricidad utilizando la energía eólica.
Biomasa
La biomasa son desechos orgánicos que provienen de plantas y animales, como desechos animales, desechos agrícolas, desechos de madera y desechos sólidos municipales, etc. Contiene energía almacenada en su interior que puede liberarse en forma de calor durante la combustión.
La energía de biomasa es energía renovable y se utiliza como combustible para hacer funcionar turbinas de vapor para generar electricidad.
Transmisión de electricidad
Se instalan enormes plantas de generación de energía en áreas remotas para utilizar algunas de las fuentes de energía mencionadas anteriormente. Esta energía generada se transmite a largas distancias a los centros de carga (áreas urbanas) como las ciudades. A veces, la energía incluso se transmite entre ciudades para satisfacer la demanda de carga. Para más detalles, lea el post anterior sobre Sistema de Energía Eléctrica – Generación, Transmisión y Distribución de Electricidad.
El nivel de voltaje de la electricidad debe ser muy alto para reducir las pérdidas en la línea de transmisión. Por lo tanto, o usamos HVAC (corriente alterna de alto voltaje) o HVDC (corriente continua de alto voltaje) para transmitir energía a largas distancias.
El nivel de voltaje de CA se puede convertir fácilmente de bajo a alto y viceversa mediante un transformador. Los generadores de la central eléctrica generan CA cuyo voltaje se incrementa mediante un transformador. Los transformadores también se utilizan en el extremo receptor para reducir (disminuir) el nivel de voltaje para uso doméstico o comercial. Los transformadores son baratos y se pueden usar para aprovechar las líneas eléctricas en cualquier punto y disminuir su voltaje de manera económica para su uso.
Por otro lado, HVDC es una corriente continua cuyo voltaje se puede aumentar o disminuir únicamente mediante convertidores complejos. Estos convertidores son muy caros. Sin embargo, el voltaje CC en un rango muy alto (conocido como HVDC) tiene pérdidas de línea muy bajas, razón por la cual; Se utiliza para la transmisión de energía a distancias muy largas. Dado que los convertidores HVDC son muy caros, no podemos usarlos en ningún momento para aprovechar la energía de la línea HVDC. sólo se utiliza para la transmisión de potencia entre dos puntos a una distancia muy larga de más de 600 km.
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