¿Qué es la energía eléctrica y cómo calcular sus diferentes tipos con unidades?
La electricidad es una de las necesidades básicas en estos tiempos modernos y no podemos imaginar nuestra vida sin ella. En cualquier forma, como CC almacenada en baterías o la red eléctrica de CA de los postes de servicios públicos, en ambos casos, la usamos para alimentar nuestros equipos de la vida diaria y nuestras industrias la utilizan para hacer funcionar máquinas para fabricar bienes y ofrecer servicios. La cantidad de electricidad que utilizamos se mide en función de la potencia eléctrica.
¿Qué es la energía eléctrica?
Cada equipo o dispositivo eléctrico que utilizamos tiene clasificaciones de potencia específicas mencionadas en él. Significa que consume esa potencia nominal específica y convierte esa energía eléctrica para un buen uso. Como un teléfono celular, utiliza la energía de la batería para alimentar su unidad de visualización (convirtiéndola en luz), parlantes (para generación de audio) y sus procesadores (para operaciones lógicas), etc. Lo mismo que las máquinas que consumen energía eléctrica y generan energía mecánica. La energía y el calentador generan energía térmica.
Generalmentela definición de potencia es la tasa de energía transferida o la energía transferida en una unidad de tiempo.
Entonces, según la definición, el energía eléctrica es la tasa de flujo de energía eléctrica o el trabajo realizado sobre las cargas eléctricas en un circuito eléctrico.
La energía eléctrica es la energía almacenada en la carga Q bajo la influencia del voltaje V (diferencia de potencial). De ahí la energía eléctrica es;
P = Energía Eléctrica / Tiempo = (V x Q) / t
Donde Q/t = I, porque el flujo de carga por unidad de tiempo se llama corriente eléctrica denotada por I.
P = VI
En un circuito eléctrico, podemos decir que la potencia consumida o generada por un componente es igual al producto de la caída de voltaje a través de él y la corriente que fluye a través de él.
Unidad de potencia
Dado que la potencia eléctrica es el flujo de energía por unidad de tiempo y la unidad de energía es el julio.
Potencia eléctrica = Julios / Segundo = J/s
La unidad SI de potencia eléctrica es el vatio representado por W..
Watt, W = Julios / Segundo
Un vatio se define como la energía eléctrica consumida cuando se aplica un voltio de diferencia de potencial a un circuito y obliga a un amperio de corriente a fluir a través de él.
La potencia puede variar desde cifras pequeñas hasta cifras muy grandes que se simplifican utilizando prefijos como mill watt mW, Kilovatio kW, megavatio MW, etc.
Cálculo de Potencia Eléctrica
La energía eléctrica generada o consumida por un componente de un circuito se puede calcular fácilmente utilizando estas ecuaciones;
P = IV
Según la ley de Ohm; V = IR
P = I2R
o P = V2/R
Donde la corriente, I es la corriente que fluye a través del componente, V es el voltaje a través de él y R es la resistencia del componente. Podemos usar cualquiera de las ecuaciones para calcular la potencia si tenemos cualquiera de los dos parámetros eléctricos (I, V o R) de un componente.
Suponiendo que un componente tiene una resistencia R = 10 Ω, un voltaje V = 12 V a través de él y una corriente I = 1,2 amperios fluye a través de él.
P = IV = 1,2 x 12 = 14,4 W
o P = I2R = (1,2)2 x 10 = 14,4W
o P = V2/R = (12)2/10 = 14,4W
Productor y Consumidor
El productor es una unidad eléctrica que genera o suministra energía eléctrica al circuito. Según la ley de conservación de la energía, la energía no se puede crear ni destruir. Los productores convierten otras formas de energía en energía eléctrica, como baterías que convierten la energía química de los productos químicos que contienen, las turbinas de agua convierten la energía cinética del agua, las turbinas de viento convierten la energía eólica y los paneles solares convierten las radiaciones solares. Todas estas unidades son productoras de energía eléctrica y ofrecen energía en diferentes entornos y condiciones.
El consumidor es una unidad eléctrica que consume energía eléctrica. Convierte la energía eléctrica en otra forma de energía requerida. Una resistencia consume energía eléctrica y la convierte en energía térmica. En los calentadores, la resistencia de la bobina se utiliza para generar calor. De manera similar, los motores generan energía mecánica, los LED generan energía luminosa, etc. Estos componentes eléctricos se denominan consumidores eléctricos.
La energía eléctrica es la medida de qué tan rápido el productor de electricidad suministra energía eléctrica y los consumidores la consumen.
Tipos de energía eléctrica
La energía eléctrica se puede clasificar en dos tipos según la naturaleza del flujo de corriente eléctrica. Los dos tipos de corrientes eléctricas son la corriente continua (CC) y la corriente alterna (CA).
Por lo tanto, los tipos de energía eléctrica son CC y CA, que se explican a continuación.
Energía DC
La alimentación de CC es suministrada por una fuente de CC, como una batería y una célula fotovoltaica. La corriente continua es unidireccional y constante. Por tanto su cálculo es muy sencillo. Es igual al producto del voltaje y la corriente.
P = VI
Donde, V es el voltaje a través del componente e I es la corriente que pasa a través de él.
Alimentación de CA
La corriente alterna es una corriente que cambia continuamente entre sus valores máximos y mínimos. La potencia suministrada por dicha corriente se denomina potencia eléctrica CA. La corriente cambia su dirección periódicamente, lo que introduce la idea de frecuencia y fase en la forma de onda de corriente y voltaje.
Por lo tanto, la alimentación de CA se clasifica además en tres tipos de potencias.
Poder aparente
esta es la potencia total suministrada por la fuente al circuito. Como sugiere el nombre, esta es la potencia que parece disiparse dentro del circuito. Se denota por S& está dado por;
S = Vrms Irms
Dónde
Vrms = Tensión RMS (media cuadrática) = Vpeak/√2
Irms = RMS (media cuadrática) Corriente = Ipeak/√2
La potencia aparente es la combinación de potencia activa y potencia reactiva, por eso se mide en voltios-amperios o VA.
Poder activo o real
La potencia activa o potencia real es la cantidad de potencia disipada dentro de la resistencia total del circuito. Esta es la potencia que realmente recibe el circuito. Se denota por PAG & está dado por;
P = Vrms Irms cosϕ
Dónde
- Vrms = Tensión RMS (media cuadrática) = Vpeak/√2
- Irms = RMS (media cuadrática) Corriente = Ipeak/√2
- ϕ = el ángulo de fase o la diferencia de fase entre voltaje y corriente
Se mide en vatios.
Poder reactivo
La potencia reactiva es la potencia que se disipa en la reactancia del circuito. Se desperdicia dentro del cableado de los circuitos en forma de calor y nunca se aprovecha. Se denota por q & está dado por;
Q = Vrms Irms sinϕ
Dónde
- Vrms = Tensión RMS (media cuadrática) = Vpeak/√2
- Irms = RMS (media cuadrática) Corriente = Ipeak/√2
- ϕ = el ángulo de fase o la diferencia de fase entre voltaje y corriente
Dado que esta energía se desperdicia y no es utilizada por el circuito, debe reducirse al máximo para utilizar toda la potencia de la fuente. Se mide en Voltios-Amperios-Reactivos o conocido brevemente como var.
Relación entre potencia aparente, activa y reactiva
Dado que la potencia aparente es la combinación de potencia activa y reactiva, están relacionadas entre sí. La relación se puede explicar utilizando la siguiente ecuación;
S2 =P2 +Q2
Dónde
- S = potencia aparente
- P = Potencia Real o Activa
- Q = potencia reactiva
Si se da el ángel de fase o la diferencia de fase entre la corriente y el voltaje ϕ, entonces también podemos calcular la potencia activa y reactiva usando;
P = S Cos ϕ
Q = S sen ϕ
Factor de potencia
La relación entre la potencia activa o real (la potencia que realmente se disipa en el circuito) y la potencia aparente (la potencia total suministrada al circuito) se conoce como Factor de Potencia.
Factor de potencia = P/S
Factor de potencia = Vrms Irms cosϕ / Vrms Irms
Factor de potencia = cosϕ
Por lo tanto, el factor de potencia es el cos ϕ donde ϕ es la diferencia de fase entre voltaje y corriente debido a la reactancia. Varía entre 0 y 1.
Si el factor de potencia es máximo
Factor de potencia = Cosϕ = 1
Significa que la diferencia de fase ϕ = 0°, es decir, el voltaje y la corriente están en fase. Sólo es posible si la reactancia total del circuito es cero. En tal caso el poder real PAG es igual a la potencia aparente S es decir, éste utiliza toda la energía suministrada al circuito. Según la relación;
P = S Cos ϕ
P = S (1)
P = S
Es el mejor de los casos y el factor de potencia se mantiene lo más cerca posible de 1.
Si el factor de potencia es mínimo
Factor de potencia = Cosϕ = 0
Significa que la diferencia de fase ϕ = 90°, es decir, las formas de onda de voltaje y corriente están separadas 90°. El circuito tiene reactancia pura y no tiene resistencia. Por lo tanto, la energía total suministrada al circuito se desperdiciará dentro del cableado y nunca se aprovechará. En tal caso, la potencia activa o la potencia que realmente utiliza es cero y se calcula mediante la relación,
P = S Cos ϕ
P = S (0)
P = 0
Por lo tanto, se evita un factor de potencia bajo en cualquier condición, ya que puede reducir la eficiencia del sistema y desperdiciar energía.
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