Manual 2015 Electrotecnia 1451

ELECTROTECNIA

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CARRERAS PROFESIONALES CIBERTEC

NOMB R E D EL C UR SO 3

CIBERTEC CARRERAS PROFESIONALES

NDICE

Pgina

Presentacin 6

Red de contenidos 7

Unidad de aprendizaje 1: Introduccin, intensidad y tensin elctrica

1.1 Tema 1 : Electrosttica 10

1.1.1. : Carga elctrica 10

1.1.2. : Fenmenos electrostticos 11

1.1.3.

1.1.4.

1.1.5.

1.1.6.

1.1.7.

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La ley de Coulomb

El campo elctrico

Potencial elctrico

La electricidad

Circuito elctrico

17

22

31

33

34

1.2 Tema 2 : Intensidad de corriente y tensin elctrica 38

1.2.1. : Intensidad de corriente 38

1.2.2. : Sentido convencional y real de la corriente 40

1.2.3.

1.2.4.

1.3 Tema 3

1.3.1.

1.3.2.

1.3.3.

1.3.4.

1.3.5.

1.3.6.

1.3.7.

1.3.8.

1.3.9.

1.4 Tema 4

1.4.1.

1.4.2.

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Tensin elctrica y fuerza electromotriz

Tipos de corriente

Formas de producir electricidad

Por friccin

Por presin o golpe

Por luz

Por calor

Por reacciones qumicas

Por accin del agua o hidrulicas

Por accin elica

Por reacciones nucleares

Por magnetismo

Bateras

Asociacin de celdas

Tensin o voltaje en las borneras de la batera

41

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45

45

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53

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58

60

4


Unidad de aprendizaje 2: Resistencias y su anlisis en corriente continua

2.1 Tema 5 : Resistencias 67

2.1.1.

2.1.2.

: Conductores y aislantes

Resistencia elctrica

67

74

2.1.3. : Conductancia y conductividad 75

2.1.4. : Influencia de la temperatura sobre la resistividad 76

2.2 Tema 6 : Circuitos resistivos serie, paralelo y mixtos 81

2.2.1. : Cdigo de colores 81

2.2.2. : Circuito serie 84

2.2.3.

2.2.4.

2.2.5.

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:

Circuito paralelo

Circuito mixto

Problemas de circuitos resistivos

85

85

87

2.3 Tema 7 : Ley de Ohm 89

2.3.1. : Clculo de corrientes 89

2.3.2. : Clculo de voltajes 91

2.3.3.

2.3.4.

2.4 Tema 8

2.4.1.

2.4.2.

2.4.3.

2.4.4.

2.4.5.

2.5 Tema 9

2.5.1.

2.5.2.

2.5.3.

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Clculo de resistencias

Problemas para aplicar la ley de Ohm

Leyes de Kirchhoff

Ley de corrientes de Kirchhoff

Ley de tensiones de Kirchhoff

Divisor de tensin

Divisor de corriente

Problemas para aplicar las leyes de Kirchhoff

Potencia y energa elctrica

Energa elctrica

Potencia elctrica

Problemas sobre potencia elctrica

94

96

99

99

100

102

103

104

107

107

107

110

Unidad de aprendizaje 3: Electromagnetismo

3.1 Tema 10 : Imanes y campo elctrico 116

3.1.1. : Imanes 116

3.1.2. : Campo magntico y lneas de fuerza 120



3.1.3.

3.1.4.

3.1.5.

3.2 Tema 11

3.2.1.

3.2.2.

3.2.3.

3.2.4.

3.2.5.

3.2.6.

3.2.7.

3.2.8.

3.2.9.

3.3 Tema 12

3.3.1.

3.3.2.

3.3.3.

3.3.4.

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Campo magntico creado por un conductor rectilneo

Campo magntico creado por una espira

Campo magntico creado por una bobina

Electromagnetismo

Inductancia magntica

Flujo magntico

Intensidad de campo magntico

Electroimn

Campo magntico sobre una corriente

Campo magntico sobre una espira

Campo magntico sobre una bobina

Induccin electromagnetica

Autoinduccin

Aplicaciones

Instrumentos de medida

Transformador elctrico monofsico

Motor elctrico

Generador elctrico

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125

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127

129

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135

140

143

143

144

147

153

Unidad de aprendizaje 4: Condensadores

4.1 Tema 13 : Condensadores 162

4.1.1. : Conceptos generales 162

4.1.2. : Tipos e identificacin de condensadores 169

4.1.3. : Asociacin de condensadores 174

Unidad de aprendizaje 5: Sistemas de puesta a tierra

5.1 Tema 14 : Sistemas de puesta a tierra 183

5.1.1. : Partes de un sistema de puesta a tierra 184

5.1.2. : Resistencia de las tomas de tierra 189

5.1.3. : Conexin y revisin de los sistemas de tierra 191

5.1.4. : Resistencias de puesta a tierra 193

5.1.5. : Mtodos de medicin de resistividad del terreno 196

5.1.6. : Medicin de la resistencia de tierra 199

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PRESENTACIN

Electrotecnia pertenece a la lnea de tecnologa y se dicta en la carrera de

Electricidad. Brinda los conceptos fundamentales de la electricidad, as como sus

aplicaciones elctricas, que permitirn a los alumnos, de modo simple y prctico,

comprender y aplicar los principios de la electricidad en el desarrollo de circuitos

bsicos reales.

El manual para el curso ha sido diseado bajo la modalidad de unidades de

aprendizaje, las cuales se desarrollan durante un perodo determinado. En cada

una de ellas, se especifica el logro que deben alcanzar los alumnos al final de la

unidad; asimismo, se menciona el tema y contenido a desarrollar. Por ltimo, se

indican las actividades que debern desarrollar los alumnos en cada sesin, las

cuales les permitir reforzar lo aprendido en la clase.

El curso aplica la metodologa de taller. En ese sentido, recurre a tcnicas de

metodologa activa y trabajo cooperativo. Por esa razn, las sesiones se

desarrollan con la presentacin de diapositivas, dinmicas grupales y actividades

de laboratorio. De este modo, se propicia la activa participacin del alumno y la

constante prctica con el objetivo de lograr una mejor interpretacin de lo

estudiado. Inmediatamente despus del desarrollo de cada tema, los alumnos

transferirn lo aprendido resolviendo ejercicios dirigidos y/o propuestos,

individual o grupalmente y verificarn, durante las actividades de laboratorio, el

funcionamiento de los componentes, equipos y circuitos electrnicos,

permitiendo asi la experimentacin necesaria para confirmar los conocimientos

adquiridos.



RED DE CONTENIDOS

Electrotecnia

Introduccin Intensidad y

tensin

elctrica

Electrosttica

Intensidad de Corriente y tensin

elctrica

Resistencias y su anlisis en corriente

continua

Electromagnetismo

Condensadores Sistemas de

puesta a tierra

Formas de Producir

electricidad

Bateras Ley de Ohm

Resistencia

elctrica

Leyes de

Kirchhoff

Circuitos resistivos

serie, paralelo y mixtos

Potencia y energa elctrica

Imanes y campo

magntico

Electromagnetismo

Aplicaciones

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INTRODUCCIN, INTENSIDAD Y TENSIN ELCTRICA

LOGRO DE LA UNIDAD DE APRENDIZAJE

Al trmino de la unidad, el alumno explica los conceptos bsicos de electricidad, intensidad de corriente y tensin elctrica, aplicando fundamentos de electrosttica y leyes que la justifican.

Asimismo, explica el funcionamiento de las bateras y realiza acoplamientos con estas, aplicando fundamentos de asociacin serie, paralelo y mixtos, y empleando el programa Proteus.

TEMARIO

1.1. Electrosttica

1.2. Intensidad de corriente y tensin elctrica

1.3. Formas de producir electricidad

1.4. Bateras

ACTIVIDADES PROPUESTAS

Los alumnos explican los conceptos bsicos relacionados con la electricidad.

Los alumnos diferencian la corriente elctrica de la tensin elctrica. Los alumnos listan y explican las formas de producir electricidad.

Los alumnos asocian fuentes de tensin y determinan su energa equivalente.

UNIDAD DE

APRENDIZAJE

1

10


1.1 Electrosttica La Electrotecnia es la ciencia que estudia las aplicaciones tcnicas de la electricidad. Por tal motivo, es fundamental comprender previamente los principios bsicos de la energa elctrica, energa que est presente en casi todas las actividades humanas de una sociedad desarrollada.

1.1.1. Carga elctrica

La carga elctrica constituye una propiedad fundamental de la materia. Se manifiesta a travs de ciertas fuerzas, denominadas electrostticas, que son las responsables de los fenmenos elctricos. Su influencia en el espacio puede describirse con el auxilio de la nocin fsica de campo de fuerzas. El concepto de potencial hace posible una descripcin alternativa de dicha influencia en trminos de energas. Los trminos elctricos tienen su origen en las experiencias realizadas en la antigedad. Su origen data desde las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filsofo griego que vivi en el siglo sexto antes de Cristo. l estudi el comportamiento de una resina fsil, el mbar -en griego elektron-, observando que cuando era frotada con un pao de lana adquira la propiedad de atraer hacia s pequeos cuerpos ligeros. Los fenmenos anlogos a los producidos por Tales con el mbar o elektron se denominaron fenmenos elctricos y actualmente fenmenos electrostticos. La electrosttica es la parte de la fsica que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga elctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenmenos asociados a las cargas elctricas en reposo. Gracias a esta, se desarroll la teora atmica que permiti aclarar la naturaleza y origen de los fenmenos elctricos.

Hoy se sabe que los tomos estn constituidos por cargas elctricas negativas (electrones descubiertos experimentalmente por Thomson en 1896) y positivas (protones descubiertos por Ruthenford en 1922). La nocin de flujo elctrico, introducida por Benjamn Franklin (1706-1790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios de siglo al descubrirse que

la materia est compuesta ntimamente de tomos y stos a su vez por partculas que tienen propiedades elctricas. La interaccin electroesttica es la responsable de que los ncleos y los electrones se mantengan unidos formando tomos, de que los tomos se unan a otros para formar molculas y de que las molculas se unan entre si para dar lugar a objetos macroscpicos. Los constituyentes del cuerpo



humano, sus tomos y molculas se mantienen unidos gracias a las fuerzas electromagnticas. Muchos de los efectos naturales que podemos observar son en su origen el resultado de fuerzas electromagnticas. Por ejemplo las plantas verdes absorben la luz del sol, es decir, absorben una onda electromagntica y convierten su energa potencial electromagntica, en forma de molculas de hidratos de carbono, fundamento de la vida en la Tierra. Los fenmenos elctricos y magnticos son producidos por la misma propiedad de la materia, propiedad a la que llamamos carga elctrica. Los efectos elctricos y magnticos son dependientes entre si, pero para facilitar su estudio es posible separarlos. Si limitamos el estudio a cargas en equilibrio estable (electroesttica), podemos separar electricidad de magnetismo. La electrosttica no slo describe las caractersticas de las fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino tambin, facilita la comprensin de sus aplicaciones tecnolgicas. Podemos afirmar sin lugar a dudas que las aplicaciones tcnicas derivadas de los principios elctricos son los que revolucionaron al mundo en los ltimos ciento cincuenta aos, desde el pararrayos, los motores elctricos, la luz, las comunicaciones, la televisin, la revolucin informtica, el desarrollo de Internet y la amplia variedad de dispositivos cientficos y tcnicos estn relacionados de alguna u otra manera con los fenmenos electrostticos.

1.1.2. Fenmenos electrostticos

Los fenmenos de naturaleza electrosttica conocidos durante la antigedad consistan en su mayor parte en fuerzas resultantes de atraccin o repulsin entre un cuerpo con respecto a otros. Ejemplo: al frotar mbar (elektron en griego) con piel de animal, este atrae pedacitos de papel o cabello. Estas fuerzas se producen como resultado de atraccin entre cargas de signo opuesto, o de repulsin entre cargas de signos iguales.

1.1.1.1. Electrizacin

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades elctricas se dice que ha sido electrizado o cargado. La electrizacin por frotamiento permiti, a travs de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretacin de las mismas cada vez ms completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrosttica.

Si una barra de caucho, de plstico o PVC (histricamente de

mbar) se frota con un pao de lana o una piel, se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un pao de seda.

12


Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o trocitos de papel, la propiedad elctrica adquirida por frotamiento no es equivalente en ambos casos.

As, puede observarse que dos barras de caucho electrizadas se

repelen entre s, y lo mismo sucede en el caso de que ambas sean de vidrio. Sin embargo, la barra de caucho es capaz de atraer a la de vidrio y viceversa. Este tipo de experiencias se conocan ya desde la poca de la Grecia clsica.

No se realizo ningn progreso notable en la

interpretacin de este fenmeno hasta los alrededores del 1600, cuando William Gilbert (1544- 1603), medico de la reina Isabel I de Inglaterra, comenz un estudio detallado de las distintas clases de sustancias que se comportaban como el mbar, describi tales caractersticas como elctricos (del nombre griego del mbar, elektron). Gilbert llam no elctricos a los materiales en los cuales fue incapaz de encontrar esa fuerza de atraccin, hay los llamamos a estos dos tipos de materiales como conductores y aislantes respectivamente. La siguiente etapa de importancia en el desarrollo de las ideas sobre las cargas elctricas vino unos cien aos ms tardes, Charles DuFay (1698-1739) demostr que se podan distinguir, entre la electricidad que adquiere el vidrio (vtrea) y la que adquiere el mbar (resinosa).

Posteriormente Benjamn Franklin (1706-

1790) al tratar de explicar los fenmenos elctricos consider la electricidad como un fluido sutil, llam a la electricidad vtrea de DuFay electricidad positiva (+) y a la resinosa electricidad negativa (-). Tengamos en cuenta que el signo atribuido es arbitrario (y sin importancia), pero el establecer un convenio de signos nos permite introducir una formulacin matemtica muy concisa para los hechos experimentales.

Las experiencias de electrizacin permitieron concluir que: Cargas elctricas de distinto signo se

atraen y cargas elctricas de igual signo se repelen. Una experiencia sencilla sirvi de apoyo a Franklin para avanzar en la descripcin de la carga elctrica como propiedad de la materia.

Cuando se frota la barra de vidrio con el pao de seda, se

observa que, tanto una como otra se electrizan, ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un tercer cuerpo cargado.



Pero si una vez efectuada la electrizacin se envuelve la barra con el pao de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior. Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto pao-barra se comporta como si no lo estuviera, manteniendo una neutralidad elctrica.

Las varillas de plstico cargadas por frotamiento con piel, se

repelen entre si, al igual que las varillas de vidrio. Pero, entre varillas de plstico y vidrio se atraen, esto es debido a que, tras el proceso de electrizacin se cargan con diferente signo.

Las varillas de

plstico cargadas por frotamiento con piel, se repelen entre si.

Las varillas de vidrio

cargadas por frotamiento con piel, se repelen entre si.

Una varilla de vidrio

cargada, es atrada por una varilla de plstico cargada.

Este fenmeno fue interpretado por Franklin, que permiti

introducir el principio de conservacin de la carga, segn el cual, cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro, pero en conjunto no hay produccin neta de carga. En trminos de cargas positivas y negativas ello significa que la aparicin de una carga negativa en el vidrio va acompaada de otra positiva de igual magnitud en el pedazo de piel o viceversa, de modo que la suma de ambas es cero.

Cuando un cuerpo cargado elctricamente se pone en contacto

con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades elctricas. Este tipo de electrizacin, denominada electrizacin por contacto, se caracteriza porque es permanente y se produce tras un

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reparto de carga elctrica que, se efecta en una proporcin que depende de la geometra de los cuerpos y de su composicin.

Existe, no obstante, la

posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con l. Se trata, en este caso, de una electrizacin a distancia. Si el cuerpo cargado lo est positivamente la parte del cuerpo neutro ms prximo se cargar con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva.

La formacin de estas dos regiones o polos de caractersticas

elctricas opuestas, hace que a la electrizacin por influencia se la denomine, tambin, polarizacin elctrica. A diferencia de la anterior, este tipo de electrizacin es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente prximo al neutro.

Un modelo que busca explicar estos efectos elctricos, muy

similar al modelo propuesto por Benjamn Franklin, se lo podra resumir como:

1 La materia contiene dos tipos de cargas elctricas, llamadas

positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen iguales cantidades de cada tipo de carga, de manera que la carga neta es cero. Cuando son cargados por frotamiento la carga se transfiere de un cuerpo a otro. Cuando el proceso ha terminado uno de los objetos tiene un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa.

2 Objetos cargados con carga del mismo signo se repelen. 3 Objetos cargados con carga de distinto signo se atraen. Aparece inherente a este modelo, la llamada ley de conservacin

de la carga: La carga elctrica no puede ser creada ni destruida, nicamente puede ser transferida.

1.1.1.2. La naturaleza elctrica de la materia

La teora atmica moderna explica el por qu de los fenmenos de electrizacin y hace de la carga elctrica una propiedad fundamental de la materia en todas sus formas. Un tomo de cualquier sustancia est constituido, en esencia, por una regin central o ncleo y una envoltura externa formada por electrones.



El ncleo est formado por dos tipos de partculas, los protones, dotados de carga elctrica positiva, y los neutrones, sin carga elctrica aunque con una masa semejante a la del protn. Tanto unos como otros se hallan unidos entre s por efecto de unas fuerzas mucho ms intensas que las de la repulsin electrosttica -las fuerzas nucleares- formando un todo compacto. Su carga total es positiva debido a la presencia de los protones.

Los electrones son partculas mucho ms ligeras que los

protones y tienen carga elctrica negativa. La carga de un electrn es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protn. Las fuerzas elctricas atractivas que experimentan los electrones respecto del ncleo, hace que stos se muevan en torno a l en una situacin que podra ser comparada, en una primera aproximacin, a la de los planetas girando en torno al Sol.

El nmero de electrones en un

tomo es igual al de protones de su ncleo correspondiente, de ah que en conjunto y a pesar de estar formado por partculas con carga, el tomo completo resulte elctricamente neutro. Un ncleo puede tener de 1 a 100 protones, dependiendo del elemento qumico de que se trate y normalmente contiene aproximadamente igual nmero de neutrones, un protn y un neutrn tienen la misma masa, que es del orden de dos mil veces mayor a la masa del electrn, es decir que la masa del ncleo es aproximadamente cuatro mil veces mayor a la masa del conjunto de sus electrones.

Una caracterstica elctrica importante de este modelo atmico

es la cuantizacin de la carga. Cuando decimos que una magnitud esta cuantizada, significa que existe una cantidad mnima, que es la ms pequea cantidad posible de esa magnitud. Cualquier cantidad superior de esa magnitud contendr un nmero entero de veces esa cantidad mnima. Para la carga elctrica, la cantidad mnima o elemental es la carga del electrn (o protn) y la designaremos con la letra e y es indivisible.

Aunque los electrones se encuentran ligados al ncleo por

fuerzas de naturaleza elctrica, en algunos tipos de tomos les resulta sencillo liberarse de ellas. Cuando un electrn logra escapar de dicha influencia, el tomo correspondiente pierde la neutralidad elctrica y se convierte en un ion positivo, al poseer un nmero de protones superior al de electrones. Lo contrario sucede cuando un

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electrn adicional es incorporado a un tomo neutro. Entonces el ion formado es negativo.

La electrizacin de por frotamiento de mbar con un pao de

lana, se explica del siguiente modo: por efecto de la friccin, los electrones externos de los tomos del pao de lana son liberados y cedidos a la barra de mbar, con lo cual, sta queda cargada negativamente y aqul positivamente. En trminos anlogos puede explicarse la electrizacin del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenmenos se pierden o se ganan electrones, pero el nmero de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al nmero de electrones aceptado por el otro, de ah que en conjunto no hay produccin ni destruccin de carga elctrica. Esta es la explicacin, desde la teora atmica, del principio de conservacin de la carga elctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teora sobre la base de observaciones sencillas.

La electrizacin

por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes tomos poseen un defecto de electrones, que se ver en parte compensado por la aportacin del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga elctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesin de electrones.

La electrizacin por influencia es un efecto de las fuerzas

elctricas. Debido a que stas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraer hacia s a las cargas negativas, con lo que la regin prxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsin sobre los electrones atmicos convertir esa zona en positiva. En ambos casos, la separacin de cargas inducida



por las fuerzas elctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

1.1.1.3. Conductores, aisladores y semiconductores

Una varilla metlica sostenida en la mano y frotada con una piel,

no manifiesta en ningn momento estar cargada. Sin embargo es posible cargar esa varilla si se la provee de un mango de vidrio o plstico y si el metal no se toca con las manos al frotarlo. La explicacin es que tanto el metal, como el cuerpo humano y la tierra son conductores de la electricidad y que el vidrio o el plstico son aisladores (o tambin llamados dielctricos).

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas elctricas,

bajo la accin de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situacin de equilibrio.

En los conductores elctricos como el

cobre, las cargas se pueden mover libremente a travs del material, mientras que en los aisladores como el plstico, no pueden hacerlo o ponen muchas dificultades a este movimiento de las cargas elctricas por su interior y slo permanece cargado el lugar en donde se deposit la carga neta. Aun cuando no hay aisladores perfectos, el poder aislante del cuarzo fundido es aproximadamente 1025 veces mayor al del cobre, de modo que para muchos fines prcticos, algunos materiales se comportan como si fueran aisladores perfectos.

Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto

del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza ntima. As, los tomos de las sustancias conductoras poseen electrones externos muy dbilmente ligados al ncleo en un estado de semi libertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los ncleos atmicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.

Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran

variedad de situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricacin de dispositivos electrnicos que son la base de la actual revolucin tecnolgica, tales el caso del silicio y el germanio. En condiciones ordinarias se comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista fsico, su inters radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad, ya sea mediante pequeos cambios en su composicin (por ejemplo al silicio se le agregan trazas de boro o de azufre), ya sea sometindolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminacin.

18


1.1.3. La ley de Coulomb

Aun cuando los fenmenos electrostticos fundamentales eran ya conocidos en la poca de Charles Coulomb (1736-1806), no se conoca an la proporcin en la que esas fuerzas de atraccin y repulsin variaban. Fue este fsico francs quien, en 1785, tras poner a punto un mtodo de medida de fuerzas sensible a pequeas magnitudes, lo aplic al estudio de las interacciones entre pequeas esferas dotadas de carga elctrica. El resultado final de esta investigacin experimental fue la ley que lleva su nombre y que describe las caractersticas de las fuerzas de interaccin entre cuerpos cargados. El dispositivo utilizado recibi el nombre de balanza de torsin, constaba de dos esferas que se podan cargar, suspendidas de manera se pudiese medir el ngulo de torsin de la fibra que las mantena suspendidas, en ngulo girado era proporcional a la carga de las esferas. Los primeros resultados experimentales podemos expresarlos como:

Donde F es la magnitud de la fuerza que obra en cada una de las dos esferas cargadas y r es la distancia que las separa. Estas fuerzas, como lo requiere la tercera ley de Newton, obran en la lnea que une las cargas pero en sentidos opuestos. Coulomb tambin estudio como variaba la fuerza elctrica con el tamao relativo de las cargas aplicadas a cada esfera y llego a:

Donde q1 y q2 son medidas de las cargas aplicadas a cada esfera. Cuando se consideran dos cuerpos cargados (supuestos puntuales), la intensidad de las fuerzas atractivas o repulsivas que se ejercen entre s es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa, dependiendo adems dicha fuerza de la naturaleza del medio que les rodea. Como fuerzas de interaccin, las fuerzas elctricas se aplican en los respectivos centros de las cargas y estn dirigidas a lo largo de la lnea que los une y su sentido depende de los signos de las cargas. Cargas de igual signo se repelen y de signo contrario se atraen.



Teniendo presente la constante de proporcionalidad, la cual depende del medio en el cual plantemos las cargas, podemos escribir la Ley de Coulomb como:

Donde 0 es la permitividad del vaci y su valor experimental es: De tal manera que podemos escribir la constante de proporcionalidad como: Finalmente, la expresin matemtica de la ley de Coulomb es, escribindola en forma vectorial:

Aqu F12 es la fuerza que acta sobre la partcula 2, con carga q2, debido a

la partcula 1, con carga q1. h

Son los vectores de posicin de las cargas 1 y 2.

Es el vector que va desde la carga q1 hasta q2, y

Es la distancia entre las cargas, tal como se ve en la figura:

20


1.1.3.1. Unidad de carga

La unidad de carga en el sistema MKS es el coulomb, que se lo abrevia como coul La ley de Coulomb proporciona una idea de la magnitud del coulomb como

cantidad de electricidad. As, haciendo en la en la ecuacin de Coulomb:

q1= q2= 1coul y r1= 1m

La fuerza elctrica resultante sera de 9x109N, es decir, dos cargas de un coulomb situadas a una distancia de un metro, experimentaran una fuerza electrosttica de nueve mil

millones de newtons. La magnitud de esta fuerza descomunal indica que el coulomb es una cantidad de carga

muy grande, de ah que se empleen sus submltiplos para describir las situaciones que se plantean en el estudio de los fenmenos electrostticos. Los submltiplos del coulomb

ms empleados son:

El milicoulomb: 1mCoul = 103

Coul

El microcoulomb: 1Coul = 106

Coul

El nanocoulomb: 1nCoul = 10-9

Coul



La cantidad fundamental de carga del electrn o del protn expresada en culombios tiene el valor de:

e =1,60207*1019 coul Por razones prcticas relacionadas con la precisin de las

mediciones, la unidad de carga en el sistema MKS no se define usando una balanza de torsin, sino que se la deriva de la unidad de corriente elctrica. La unidad de corriente

elctrica es el amper, entonces, se define el coulomb como la cantidad de carga que pasa por una seccin transversal dada de un alambre en 1 segundo, siempre que circule por

el alambre una corriente constante de 1 Amper.

1.1.3.2. Principio de superposicin

Se ha comprobado experimentalmente que las fuerzas elctricas se comportan en forma aditiva, es decir; la fuerza

elctrica sobre una carga q, debida a un conjunto de cargas

q1.......qn, es igual a la suma de las fuerzas Fi, que cada

carga qi, ejerce separadamente sobre la carga q:

Donde la fuerza Fi est dada por:

En la ecuacin anterior las cargas qi ocupan las posiciones

dadas por los vectores ri con i = (1,.....n) y la carga q est en

la posicin del vector r.

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1.1.4. El campo elctrico

Las cargas elctricas no precisan de ningn medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ah que las fuerzas elctricas sean consideradas fuerzas de accin a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situacin de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripcin, en trminos fsicos, de la influencia que uno o ms cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. La nocin fsica de campo se corresponde con la de un espacio dotado de propiedades medibles. Por ejemplo, la temperatura del aire en una habitacin (el saln de clase por Ej.) posee un valor determinado en cada punto de la misma. Si T representa la temperatura, existe una funcin T(x, y, z) que da la temperatura en cada punto (x, y, z) de la habitacin. Si la temperatura cambia con el tiempo, debemos incluirlo como variable T(x, y, z, t). Como la temperatura es una magnitud escalar, T(x, y, z, t) es un ejemplo de campo escalar. Adems de campos escalares existen campos vectoriales, es decir magnitudes vectoriales que estn definidas en cada punto del espacio. El viento en la atmsfera terrestre es un ejemplo. En cada punto de la atmsfera el aire tendr una velocidad V. Cada una de las tres componentes de este campo vectorial ser funcin de la posicin y del tiempo. En coordenadas cartesianas podemos escribir estas tres componentes como Vx (x,y,z,t); Vy (x,y,z,t); Vz (x,y,z,t). En el caso de que se trate de un campo de fuerzas, ste viene a ser aquella regin del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. As, la influencia gravitatoria sobre el espacio que rodea la Tierra se hace visible cuando en cualquiera de sus puntos se sita, a modo de detector, un cuerpo de prueba y se mide su peso, es decir, la fuerza con que la Tierra lo atrae. Dicha influencia gravitatoria se conoce como campo gravitatorio terrestre. De un modo anlogo la fsica introduce la nocin de campo magntico y tambin la de campo elctrico o electrosttico. Podemos decir que el campo elctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas, es aquella regin del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. As, si en un punto cualquiera del espacio, en donde est definido un campo elctrico, se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observar la aparicin de fuerzas elctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. El campo juega un papel intermedio en las fuerzas que obran entre las cargas. Podemos decir que hay dos problemas separados, uno es el clculo de campos establecidos a partir de distribuciones de cargas dadas y el otro el calculo de las fuerzas que campos dados ejerzan sobra cargas colocadas en ellos. Todo campo fsico queda caracterizado por sus propiedades. En el caso del campo elctrico, una forma de describir las propiedades del campo sera indicar la fuerza que se ejercera sobre un mismo cuerpo de prueba que

tenga una carga q0. La carga de referencia ms simple es la carga puntual

(masa despreciable) con carga positiva. El referirse a la misma carga de prueba permite comparar los distintos puntos del campo en trminos de intensidad. La fuerza elctrica que en un punto

cualquiera del campo se ejerce sobre la carga de prueba q0 positiva, tomada

como elemento de comparacin, recibe el nombre de intensidad del campo



elctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza (vector) por unidad de carga (escalar) la intensidad del campo elctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su mdulo E y por su direccin y sentido. La definicin de campo elctrico es similar a la de campo gravitatorio. Supongamos que una partcula que denominaremos partcula de prueba tiene una carga pequea q positiva, se encuentra en las cercanas de un grupo de partculas cargadas como se observa en la grfica:

Se define al campo elctrico E, en el punto P del espacio que ocupa la carga q0, debido al grupo de partculas, como el cociente entre la fuerza total F ejercida por el grupo sobre la partcula de prueba y la carga q de la misma.

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Donde E estar aplicada en el punto P y su direccin estar a lo largo de la recta que une la carga central Q y el punto genrico P, en donde se sita la

carga de prueba q0, y su sentido ser atractivo o repulsivo segn Q sea negativa o positiva respectivamente. A continuacin se considerarn por

separado ambos aspectos del campo E.

La expresin del mdulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fcilmente para el caso sencillo del campo elctrico creado por una carga

puntual Q sin ms que combinar la ley de Coulomb con la definicin de E. Conocido el campo elctrico, es posible determinar la fuerza elctrica que actuar sobre una carga arbitraria q en cualquier punto del espacio mediante

la ecuacin: Expresin que indica que la fuerza aplicada a q es igual a q veces el valor de

la intensidad de campo E en el punto P. Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variacin con la posicin hace ms sencillos los clculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas.

1.1.4.1. Unidad de campo elctrico

La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el Sistema

Internacional equivale, por tanto, al Newton/Coulomb



1.1.4.2. Campo elctrico producido por partculas cargadas.

Sistema con una carga puntual

La fuerza F ejercida sobre una partcula de prueba con carga

q0, por otra partcula q con carga situada en el origen de

coordenadas, est dada por la ley de Coulomb: La ecuacin nos d el campo elctrico creado por una partcula puntual de carga q. Las principales caractersticas de este

campo son:

|E| es proporcional a q|E| y a su vez es proporcional a 1/r2

Apunta hacia fuera para una carga positiva y hacia la carga si esta es negativa, segn se observa en las siguientes grficas:

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Sistema de N cargas puntuales

Supongamos que tenemos ahora un sistema de N cargas puntuales. La fuerza F que actuar sobre una carga de prueba situada en un punto P del espacio estar dada por:

Es decir:

Donde:

qi es la carga de la partcula ri es la distancia de la partcula i al punto P y i es el vector unitario que apunta desde la partcula i al punto P.

Dividiendo esta fuerza por la carga q0, se obtiene el campo

elctrico E en el punto P:

El campo elctrico E producido por dos o ms cargas puntuales, es el vector suma de las contribuciones individuales al campo debidas a cada carga por separado. La obtencin del campo elctrico producido por una distribucin de cargas puntuales se reduce esencialmente a un problema de suma de vectores. Consideremos el siguiente sistema de dos cargas:



Donde: Entonces, podemos calcular el campo elctrico debido a la carga

q1, como:

Cuya componente en el eje X es: Y cuya componente en el eje Y es:

De igual manera, el campo elctrico debido a la carga q2, se calcula como: Cuya componente en el eje X es:

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Y cuya componente en el eje Y es:

La componente en el eje X debido a las cargas q1 y q2 es:

Y la componente en el eje Y es:

El valor escalar del campo E se obtendra: La direccin del vector del campo elctrico estara determinada por la resultante de la componente X e Y. Dado que q1 es el doble de la carga de q2, el vector estara orientado hacia arriba y hacia la derecha:



1.1.4.3. Representacin del campo elctrico.

Lneas de fuerza

El concepto de campo elctrico como vector no fue apreciado entre los primeros fsicos, de ellos uno de los ms importantes fue Michel Faraday (1791 1867), quien pens siempre en funcin de lneas de fuerza. Las lneas de fuerza siguen siendo una manera conveniente de representarse, en la mente, la forma de los campos elctricos. Se las usa con este fin, pero en general no se las usa cuantitativamente. Es posible conseguir una representacin grfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas lneas de fuerza. Son lneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en direccin de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo elctrico, las lneas de fuerza indican las trayectorias que seguiran las partculas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. La relacin entre las lneas de fuerza y el vector intensidad de campo es la siguiente: 1 - El campo elctrico ser un vector tangente a la lnea de fuerza en cualquier punto considerado. 2 Las lneas de fuerza se dibujan de modo que el nmero de lneas por unidad de superficie de seccin transversal sea proporcional a la magnitud de campo. En donde las lneas estn muy cercanas, el campo es grande y en donde estn separadas es pequeo. Una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas de fuerza radiales, pues las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin de la lnea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas mviles positivas se desplazaran en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de lneas de fuerza sera anlogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las lneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales y las segundas sumideros de lneas de fuerza. Las lneas de fuerza se orientan segn el signo de la carga.

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Lneas de fuerza en accin, de dos cargas iguales con signos contrarios en el caso de la izquierda y de signos iguales en la derecha. Lneas de fuerza en accin de dos cargas de diferente valor y de signos contrarios. Las grficas representan las lneas de fuerza en dos dimensiones, pero en verdad estas se deberan representar en tres dimensiones, podramos imaginarlas.



1.1.5. Potencial elctrico Sea el campo elctrico creado por una carga positiva +Q, si se supone que tenemos en el infinito una carga positiva unidad y se traslada a un punto A ejerciendo sobre ella una fuerza igual y opuesta a la fuerza con que el campo tiende a alejarla, se habr realizado un trabajo. Por definicin, el potencial elctrico en un punto es el trabajo realizado sobre la unidad de carga positiva al desplazarla desde el infinito hasta dicho punto. Se representa por V. Dicho de otro modo, si dejamos en libertad una carga elctrica en presencia de un campo elctrico, la carga experimentar una fuerza proporcional al valor del campo que la obligar a moverse, y adquirir, por tanto, energa cintica. Es decir, es como si la carga, antes de empezar a moverse, tuviera cierta energa potencial por el hecho de estar dentro del campo elctrico (al igual que ocurre con una masa elevada a cierta altura sobre la superficie terrestre). Y al moverse, dicha energa potencial se transforma en energa cintica.

La unidad de potencial en el Sistema Internacional es el voltio o volt (smbolo, V). Un voltio es el potencial existente en un punto tal que para

transportar una carga positiva de un culombio desde el infinito hasta l, se requiere un trabajo de un julio (1V = 1 J/1C). De acuerdo con la definicin: El potencial es una magnitud escalar (como el trabajo y la carga). El potencial cero corresponde al punto del infinito. El potencial creado por una carga positiva es positivo. El potencial creado por una carga negativa es negativo. Por s solas, las cargas positivas se desplazan desde los puntos a mayor potencial a los puntos de menor potencial; los electrones, al revs. Al ser el potencial elctrico una magnitud escalar, el potencial creado en un punto por un sistema de cargas es la suma algebraica de los potenciales creados por cada una de esas cargas en dicho punto.

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1.1.5.1. Diferencia de potencial.

Consideremos ahora dos puntos A y B de un campo elctrico, cuyos potenciales son, respectivamente, VA y VB. Para transportar la unidad de carga positiva desde el infinito hasta A se requiere un trabajo VA, y para hacerlo desde el infinito hasta B un trabajo VB; por lo tanto, para transportar esa unidad de carga desde B hasta A, habra que realizar un trabajo. W = VA - VB; ese trabajo se denomina diferencia de potencial. As, la diferencia de potencial entre dos puntos A y B de un campo elctrico es el trabajo que hay que realizar sobre la unidad de carga positiva para transportarla desde B hasta A. La diferencia de potencial se denomina asimismo tensin y se abrevia d.d.p. Si en lugar de la carga unidad positiva, transportsemos desde B hasta A una carga q, el trabajo que tendramos que realizar sera q veces mayor, es decir, sera: W = q.(VA-VB) donde VA - VB es la diferencia de potencial entre A y B. La diferencia de potencial, al igual que el potencial elctrico, se expresa en voltios. Expresado el concepto de otro modo, al soltar una carga q en una regin en la que existe un campo elctrico, la carga comenzar a moverse y, por tanto, ir perdiendo energa potencial, que se convertir en energa cintica. Se llama diferencia de potencial, voltaje o tensin entre dos puntos, A y B, a la energa potencial (EP) que adquiere o que pierde una carga cuando se traslada desde A hasta B, dividida por el valor de dicha carga.

De la expresin anterior: VA - VB: es la diferencia de potencial entre los puntos A y B. EP: es la energa potencial ganada o perdida por la carga q. q: es la carga elctrica que adquiere o pierde energa potencial. Al igual que para el potencial elctrico, la unidad de la diferencia de potencial en el Sistema Internacional es el voltio (V).



1.1.6. La electricidad La electricidad o corriente elctrica es el desplazamiento de cargas elctricas. La corriente puede estar producida por cualquier partcula cargada elctricamente en movimiento; lo ms frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento produce una corriente. La corriente elctrica se debe entonces al movimiento de electrones, que circulan desde donde hay ms carga hacia donde hay menos carga (diferencia de potencial). Para que se produzca una corriente elctrica, es necesario un medio o material conductor que permita el movimiento de los electrones. Estos materiales se llaman conductores elctricos, a diferencia de los dielctricos o aislantes. Efectos de la corriente elctrica

La corriente elctrica propiamente no se puede ver, pero es posible reconocerla por sus efectos. Efecto trmico: la corriente elctrica genera calor en todos los conductores por donde esta fluye. Algunas de sus aplicaciones son las hornillas elctricas, planchas, termos elctricos, soldadores, lmparas incandescentes, etc. Efecto magntico: la corriente elctrica genera campos de atraccin en sus proximidades. Algunas de sus aplicaciones son electroimanes, motores elctricos, contactores, reles, instrumentos de medida, auriculares telefnicos, timbres, altavoces, cerraduras elctricas, etc. Efecto luminoso: la corriente elctrica exita ciertos gases y semiconductores. Algunas de sus aplicaciones son lmparas de nen, vlvulas indicadoras, pilotos luminosos, diodos luminiscentes, etc. Efecto qumico: la corriente elctrica descompone los lquidos conductores. Algunas de sus aplicaciones son la galvanizacin, la electrolisis, los acumuladores, etc. Efecto electrodinmico: la corriente elctrica con los dispositivos adecuados produce movimiento giratorio. La aplicacin tpica, los motores elctricos.

Los efectos mencionados son aprovechados por la Tecnologa para satisfacer nuestras necesidades.

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La energa elctrica

La energa elctrica, que permite satisfacer muchas de nuestras necesidades actuales, presenta decisivas ventajas respecto a otras formas de energa:

La energa elctrica se puede transportar fcilmente y por tanto se puede disponer de esta en cualquier lugar.

La energa elctrica se puede transformar con especial facilidad en otras formas de energa: calor, luz, energa mecnica, etc.

La energa elctrica se obtiene generalmente en las centrales elctricas a partir de otras formas de energa. Estas formas de energa inicial pueden ser: la energa mecnica de un salto de agua, la energa qumica contenida en el carbn, en el petrleo o en el gas natural, la energa de radiacin del sol o tambin el gran deposito de energa contenida en los ncleos atmicos.

1.1.7. Circuito elctrico Un circuito elctrico es un conjunto de elementos unidos entre si, a travs de los cuales circula una corriente elctrica. A continuacin se muestra un circuito con sus elementos: Las funciones de estos elementos se muestran en la siguiente tabla:



1.1.7.1. Representacin de los circuitos.

A continuacin las diferentes formas de representar un circuito elctrico: Topogrfica: Consiste en un dibujo en perspectiva de la habitacin

donde se halla la instalacin elctrica, en el que se muestran los elementos y conducciones que la integran. Unifilar: Es una forma simplificada de la representacin topogrfica. Se

indican los elementos y las canalizaciones que contienen los conductores de enlace entre alimentacin, los elementos de control y los receptores. Es muy til en instalaciones complejas.

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Funcional o multifilar: Es til para explicar el funcionamiento y cometido de los elementos que conforman el circuito o instalacin elctrica. Es el que se emplea con mayor frecuencia.

Circuital: Proporciona la informacin necesaria para realizar el montaje del circuito, aunque en ocasiones resulta difcil comprender su funcionamiento.



Resumen

Cuando las cargas estn en reposo, la interaccin entre ellas se denomina fuerza electrosttica. Dependiendo del signo de las cargas que interaccionan, la fuerza electrosttica puede ser atractiva o repulsiva.

En el Sistema Internacional, la unidad de carga elctrica es el Culombio (C). Un Culombio es la cantidad de carga que pasa por la seccin transversal de un conductor elctrico en un segundo, cuando la corriente elctrica es de un amperio.

La fuerza que la carga q1 ejerce sobre q2 se denomina fuerza electrosttica y viene

dada por la ley de Coulomb: F=K(q1.q2)/r2

La perturbacin que crea una carga en torno a ella se representa mediante un

vector denominado campo elctrico. La direccin y sentido del vector campo elctrico, en un punto, vienen dados por la direccin y sentido de la fuerza que experimentara una carga positiva colocada en ese punto. E=K.q1/r

2

Las lneas de fuerza siguen siendo una manera conveniente de representarse, en la mente, la forma de los campos elctricos. Se las usa con este fin, pero en general no se las usa cuantitativamente.

La electricidad o corriente elctrica es el desplazamiento de cargas elctricas. La

corriente puede estar producida por cualquier partcula cargada elctricamente en movimiento; lo ms frecuente es que sean electrones, pero cualquier otra carga en movimiento produce una corriente.

La corriente elctrica propiamente no se puede ver, pero es posible reconocerla

por sus efectos: trmico, magntico, luminoso, qumico, electrodinmico, etc.

Un circuito elctrico es un conjunto de dispositivos unidos entre si, a travs de los cuales circula una corriente elctrica. Estos elementos fundamentales son el generador, receptores y conductores.

Es necesario usar la variedad formal en situaciones que as lo establezcan como

reuniones de trabajo, entrevistas con autoridades o presentaciones orales, siempre dentro de un contexto riguroso.

Si desea saber ms acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

pginas.

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/electro_port

ada.html

Aqu hallar informacin detallada sobre electrosttica.

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1.2 Intensidad de corriente y tensin elctrica La intensidad de corriente y tensin elctrica son dos parmetros elctricos muy fundamentales en el desarrollo de las aplicaciones y anlisis de los circuitos elctricos.

1.2.1. Intensidad de corriente

La corriente elctrica es el movimiento ordenado de electrones, a travs de un conductor, causado por una fuerza de atraccin (diferencia de potencial).

Y la intensidad de corriente es la cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo. Es decir, es una medida de la unidad de corriente y matemticamente se expresa asi: UNIDAD DE MEDIDA

La unidad de medida de la intensidad de corriente es el amperio (A). Si la intensidad de corriente medida en un conductor es de un amperio, significa que, por ese conductor, est fluyendo un colombio por segundo. De esta unidad se derivan otras unidades empleadas comnmente en electrnica:



En electricidad y electrnica industrial se puede trabajar hasta con miles de amperios, lo cual se expresa con la letra K: Ejercicios: 1- Cul es la intensidad de corriente que circula por un conductor, si por

este pasan continuamente 2 culombios por segundo? 2- Cul es la intensidad de corriente que circula por un conductor, si por

este pasan continuamente 4 culombios cada 0.5 segundo?

3- Cul es la cantidad de carga que pasa por un conductor, si la intensidad

de corriente que circula es de 450mA? Pasando la intensidad de mA a amperios, tenemos: La cantidad de carga (q) sera:

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1.2.2. Sentido convencional y real de la corriente Cuando hay una corriente elctrica, quiere decir que se estn moviendo los electrones y los mismos tienen carga negativa, por lo tanto van hacia el punto de carga positivo de la fuente de energa. Entonces, el sentido fsico de circulacin es desde el punto de carga negativo hacia el punto de carga positivo, tal como se observa en la siguiente grfica. Sin embargo, el hecho de que se muevan los electrones, significa un movimiento de cargas positivas en sentido contrario, lo que quiere decir que, una corriente elctrica tambin se puede representar como un movimiento de cargas (positivas) desde el punto positivo al negativo de fuente de energa, tal como se observa en la siguiente imagen.


1.2.3. Tensin elctrica y fuerza electromotriz

TENSIN ELCTRICA

La tensin elctrica o diferencia de potencial (tambin denominada voltaje) es una magnitud fsica que cuantifica la diferencia de potencial elctrico entre dos puntos. Tambin se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo elctrico sobre una partcula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. La tensin es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial elctrico de los puntos A y B en el campo elctrico, que es un campo conservativo. Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producir un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el



punto de mayor potencial se trasladar a travs del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesar cuando ambos puntos igualen su potencial elctrico (ley de Henry). Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente elctrica. UNIDAD DE MEDIDA La unidad de tensin elctrica es el voltio, por lo tanto, el voltaje es la medida

de la tensin elctrica. Asi, se dice que la tensin elctrica de un auto es 12V, de la red domstica 220V y de una pila 1.5V. Los trminos, tensin, potencial y diferencia de potencial, se expresan mediante la unidad voltio, y a menudo simplemente como voltaje. Por ejemplo, respecto a una batera de 9V se puede decir que, la batera proporciona una tensin de 9V, que entre sus terminales positivo (+) y negativo (-) aparece la diferencia de potencial de 9V, o simplemente, que genera un voltaje de 9V. Desde un punto de vista practico, es la fuerza que da lugar al movimiento ordenado de electrones a travs de un conductor, es decir, que origina o da lugar a la corriente elctrica. FUERZA ELECTROMOTRIZ (fem) Es la fuerza que obliga a moverse a los electrones dentro de un generador, y que tiene por efecto producir una tensin elctrica. Un generador de electricidad suministra una tensin elctrica (voltios) que hace que circule una corriente elctrica a travs de receptor (carga) para desarrollar un cierto trabajo (luz, calor fuerza mecnica, etc.).

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1.2.4. Tipos de corriente

Existen dos tipos de corriente: continua y alterna

1.2.3.1. Corriente continua (CC).

La corriente continua la producen las bateras, las pilas y las dinamos. Entre los extremos, de cualquiera de estos generadores, se genera una tensin constante que no varia con el tiempo, por ejemplo si la pila es de 12 voltios, todos los receptores que se conecten a la pila estarn siempre a 12 voltios (a no ser que la pila este gastada). Adems al conectar el receptor (una lmpara por ejemplo) la corriente que circula por el circuito es siempre constante (mismo nmero de electrones), y no varia de direccin de circulacin, siempre va en la misma direccin, es por eso que siempre el polo + y el negativo son siempre los mismos.

Por tanto, en CC (corriente continua o DC) la tensin siempre

es la misma y la Intensidad de corriente tambin, es decir, la corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas elctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito elctrico cerrado, movindose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM).

Si tuviramos que representar las seales elctricas de la

Tensin y la Intensidad de corriente continua, en una grfica, quedaran de la siguiente forma



1.2.3.2. Corriente alterna (CA). Este tipo de corriente es

producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales elctricas. La corriente que usamos en las viviendas es corriente alterna (enchufes). En este tipo de corriente, la intensidad varia con el tiempo (numero de electrones), adems cambia de sentido de circulacin a razn de 60 veces por segundo. Segn esto tambin la tensin generada entre los dos bornes (polos) vara con el tiempo en forma de onda senoidal (ver grfica), no es constante.

Esta onda se conoce como onda alterna senoidal y es la ms

comn, ya que, es la que tenemos en nuestras casas. La onda de la intensidad sera de igual forma pero con los valores de la intensidad lgicamente, en lugar de los de la tensin.

Por qu se dice que hay una tensin de 220V en los

enchufes? Como la tensin vara constantemente, se coge una tensin de referencia llamada Valor Eficaz. Este valor es el valor que debera tener en corriente continua para que produjera el mismo efecto sobre un receptor en corriente alterna. Es decir, si conectamos un radiador elctrico a 220V en corriente continua (siempre constante), dara el mismo calor que si lo conectamos a una corriente alterna con tensin mxima de 325V (tensin variable), en este caso diramos que la tensin en alterna tiene una tensin de 220V, aunque realmente no sea un valor fijo sino variable. Estara mejor dicho que hay una tensin con valor eficaz de 220V. Esto lo podemos ver en la grfica.

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Resumen

La intensidad de corriente y tensin elctrica son dos parmetros elctricos fundamentales en el desarrollo de las aplicaciones y anlisis de los circuitos elctricos.


la intensidad de corriente es la cantidad de carga que circula por un conductor en

la unidad de tiempo. Es decir, es una medida de la unidad de corriente y matemticamente se expresa asi: I = q/t. La unidad de medida de la intensidad de corriente es el amperio (A).

Cuando hay una corriente elctrica, quiere decir que se estn moviendo los

electrones y los mismos tienen carga negativa, por lo tanto van hacia el punto de carga positivo de la fuente de energa. Entonces, el sentido fsico de circulacin es desde el punto de carga negativo hacia el punto de carga positivo.

La tensin elctrica o diferencia de potencial (tambin denominada voltaje) es una

magnitud fsica que cuantifica la diferencia de potencial elctrico entre dos puntos. La tensin es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial elctrico de los puntos A y B en el campo elctrico, que es un campo conservativo.

La unidad de tensin elctrica es el voltio, por lo tanto, el voltaje es la medida de la

tensin elctrica.

La fuerza electromotriz es la fuerza que obliga a moverse a los electrones dentro de un generador, y que tiene por efecto producir una tensin elctrica.

Existen dos tipos de corriente: continua y alterna. La corriente continua la

producen las bateras, las pilas y las dinamos. Entre los extremos, de cualquiera de estos generadores, se genera una tensin constante que no varia con el tiempo. Este tipo de corriente es producida por los alternadores y es la que se genera en las centrales elctricas; en este tipo de corriente, la intensidad varia con el tiempo (numero de electrones), adems cambia de sentido de circulacin.

Si desea saber ms acerca de estos temas, puede consultar las siguientes

pginas.

http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_electrica/ke_corriente_electr

ica_3.htm

Aqu hallar informacin relacionada a la intensidad y tensin elctrica.



1.3 Formas de producir electricidad

La electricidad se puede producir por diferentes procesos: friccin, presin, luz, calor, magnetismo, reacciones qumicas, etc.

1.3.1. Por friccin

Una carga elctrica se produce cuando se frotan dos pedazos de ciertos materiales; por ejemplo, seda y una varilla de vidrio, o cuando se peina el cabello.

Estas cargas reciben el nombre de electricidad esttica, la cual se

produce cuando un material transfiere sus electrones a otro. Esto es algo que aun no se entiende perfectamente. Pero una teora dice

que en la superficie se un material existen muchos tomos que no pueden combinarse con otros en la misma forma en que lo hacen, cuando estn dentro del material; por lo tanto, los tomos superficiales contienen algunos electrones libres, esta es la razn por la cual los aisladores, por ejemplo vidrio, caucho, pueden producir cargas de electricidad esttica. La energa calorfica producida por la friccin del frotamiento se imparte a los tomos superficiales que entonces liberan los electrones, a esto se le conoce como efecto triboelctrico.

1.3.2. Por presin o golpe

El choque de dos elementos genera energa. Cuando se aplica presin a

algunos materiales, la fuerza de la presin pasa a travs del material a sus tomos, desalojando los electrones de sus orbitas y empujndolos en la misma direccin que tiene la fuerza. Estos huyen de un lado del material y se acumulan en el lado opuesto. As cesa la presin, los electrones regresan a sus rbitas. Los materiales se cortan en determinadas formas para facilitar el control de las superficies que habrn de cargarse; algunos materiales reaccionaran a una presin de flexin en tanto que otros respondern a una presin de torsin.

Cuando se estiran o se comprimen

ciertos materiales, como los cristales de cuarzo, aparecen pequeas tensiones elctricas en sus superficies. Este hecho, conocido como piezoelectricidad, sirve para generar pequeas corrientes y se emplea en dispositivos como los encendedores electrnicos, los relojes de cuarzo o los micrfonos piezoelctricos. El efecto es ms notable en los cristales, por ejemplo sales de Rochelle y ciertas cermicas como el titanato de bario.

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1.3.3. Por luz

La luz en s misma es una forma de energa y muchos cientficos la

consideran formada por pequeos paquetes de energa llamados fotones. Cuando los fotones de un rayo luminoso inciden sobre un material, liberan energa. En algunos materiales la energa procedente de los fotones puede ocasionar la liberacin de algunos electrones de los tomos. Materiales tales como potasio, sodio, cesio, litio, selenio, germanio, cadmio y sulfuro de plomo, reaccionan a la luz en esta forma. El efecto fotoelctrico se puede usar de tres maneras:

1.-Fotoemisin: La energa fotnica de un rayo de la luz puede causar la

liberacin de electrones de la superficie de un cuerpo que se encuentran en un tubo al vaci. Entonces una placa recoge estos electrones.

2.-Fotoconduccin.- La energa luminosa aplicada a algunos materiales

que normalmente son malos conductores, causa la liberacin de electrones en los metales, de manera que estos se vuelven mejores conductores.

3.-Fotovoltaica: La energa luminosa que se aplica sobre una de dos

placas unidas, produce la transmisin de electrones de una placa a otra. Entonces las placas adquieren cargas opuestas en la misma forma que una batera.

Las clulas fotovoltaicas (foto por luz y voltaicas por electricidad)

convierten la luz solar directamente en electricidad. Un panel solar (tambin llamado mdulo o placa solar) es un grupo de clulas fotovoltaicas

conectadas elctricamente y enmarcadas. Varios de estos paneles pueden ser agrupados en grandes parques solares, como el de Waldpolenz, en Alemania; Bellpuig, en Espaa; o Nellis, en Estados Unidos.

Las clulas fotovoltaicas estn hechas de semiconductores como el

silicio. Cuando la luz incide en la clula, una cierta parte de ella es absorbida dentro del material semiconductor. Esto significa que la energa de la luz

absorbida es transferida al semiconductor. Las clulas de los paneles fotovoltaicos tambin tienen un campo elctrico que acta para obligar a los electrones liberados por la absorcin de la luz a fluir en una direccin determinada. Este flujo de electrones es una corriente y mediante la colocacin de contactos metlicos en la parte superior e inferior de la celda fotovoltaica, podemos extraerla.



1.3.4. Por calor

Debido a que algunos materiales liberan fcilmente sus electrones y otros materiales los acepta, puede haber transferencia de electrones, cuando se ponen en contacto dos metales distintos, por ejemplo: Con metales particularmente activos, la energa calorfica del ambiente a temperatura normal es suficiente para que estos metales liberen electrones. Los electrones saldrn de los tomos de cobre y pasaran al tomo de cinc. As pues, el cinc adquiere un exceso de electrones por lo que se carga negativamente. El cobre, despus de perder electrones tiene una carga positiva.

Sin embargo, las cargas originadas a la temperatura ambiente son

pequeas, debido a que no hay suficiente energa calorfica para liberar ms que unos cuantos electrones. Pero si se aplica calor a la unin de los dos metales para suministrar ms energa, liberaran ms electrones. Este mtodo es llamado termoelectricidad. Mientras mayor sea el calor que se aplique, mayor ser la carga que se forme. Cuando se retira la fuente de calor, los metales se enfran y las cargas se disparan.

Central de generacin trmica:

Es el tipo de central donde se usa una turbina accionada por vapor de agua inyectado a presin para mover el eje de los generadores elctricos. Se puede producir desde los 5 hasta los 5000 kwatts.

Las centrales trmicas convencionales y las trmicas nucleares utilizan la

energa contenida en el vapor a presin. El ejemplo ms sencillo consiste en conectar una tetera llena de agua hirviendo a una rueda de paletas, enlazada a su vez a un generador. El chorro de vapor procedente de la tetera mueve las paletas, y estas, el rotor.

Podemos conseguir vapor de muchas maneras: quemando carbn, petrleo, gas o residuos urbanos, o bien aprovechando la gran cantidad de calor que generan las reacciones de fisin nuclear. Incluso se puede producir vapor concentrando la energa del sol.

El proceso seguido en todas las centrales trmicas (convencionales o nucleares) tiene cuatro partes principales:

1. Generador de calor (puede ser una caldera para quemar carbn, fuel, gas,

biogs, biomasa o residuos urbanos, o bien un reactor nuclear).

2. Circuito cerrado por donde circula el fluido que porta la energa cintica

necesaria (agua en fase lquida y en fase de vapor). El generador de vapor tiene una gran superficie de contacto para facilitar la transferencia de calor de la caldera. (En las centrales de gas de ciclo combinado, el fluido es el propio gas en combustin).

3. Condensador o circuito de enfriamiento. Convierte el vapor muerto de baja densidad en agua lquida de alta densidad, apta para ser convertida de nuevo en vapor vivo. El calor residual del vapor muerto se transfiere a otro medio (generalmente un ro o un embalse).

4. La turbina convierte la energa cintica del vapor vivo en movimiento

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rotatorio. Las ruedas de paletas se disponen una tras otra, con diferentes configuraciones, para aprovechar toda la energa contenida en el vapor a presin a medida que se expande y pierde fuerza. El generador convierte el giro en corriente elctrica, gracias al proceso de induccin electromagntica.

Las centrales geotrmicas aprovechan el calor interior de la tierra.

1.3.4. Por reacciones qumicas

Las substancias qumicas pueden combinarse con ciertos metales para iniciar una actividad qumica en la cual habr transferencia de electrones, producindose cargas elctricas. Por tanto, se convierte la energa qumica en elctrica. Todas las pilas consisten en un electrolito (que puede ser lquido, slido o en pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo. El electrolito es un conductor inico; uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe. Al conectar los electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente elctrica.



Las pilas en las que el producto qumico no puede volver a su forma original una vez que la energa qumica se ha transformado en energa elctrica (es decir, cuando las pilas se han descargado), se llaman pilas primarias o voltaicas. Las pilas secundarias o acumuladores son aquellas pilas reversibles en las que el producto qumico que al reaccionar en los electrodos produce energa elctrica, puede ser reconstituido pasando una corriente elctrica a travs de l en sentido opuesto a la operacin normal de la pila.

Entre los extremos de los metales, fuera del electrolito, se genera una

diferencia de potencial, o voltaje, que puede dar lugar a una corriente elctrica. En la pila, el zinc adquiere carga negativa, mientras que el cobre adquiere cargas positivas. Al zinc se le llama ctodo y el cobre recibe el nombre de nodo. As se tiene una fuente de electricidad distinta a la generada por friccin. Con este medio qumico para obtener electricidad se abrieron nuevas posibilidades de aplicacin prctica y experimental.

La explicacin de las reacciones qumicas que ocurren en la pila o celda

voltaica se dio muchos aos despus, ya que en la poca de Volta la qumica apenas empezaba a desarrollarse como ciencia moderna.

El proceso se basa en el principio de la electroqumica. Un ejemplo es la

pila hmeda bsica. Cuando en un recipiente de cristal se mezcla acido sulfrico con agua (para formar un electrolito) el acido sulfrico se separa en componentes qumicos de hidrogeno (H) y sulfato (SO4), pero debido a la naturaleza de la accin qumica, los tomos de hidrgeno son iones positivos (H+) y (SO4-2). El nmero de cargas positivas y negativas son iguales, de manera que toda la solucin tiene una carga neta nula. Luego, cuando se introducen en la solucin barras de cobre y zinc, estas reaccionan con ella.

El zinc se combina con los tomos de sulfato; y puesto que esos tomos

son negativos, la barra de zinc transmite iones de zinc positivos (Zn+); los electrones procedentes de los iones de zinc quedan en la masa de zinc, de manera que la barra de zinc tiene un exceso de electrones, o sea una carga negativa. Los iones de zinc se combinan con los iones de sulfato y los neutralizan, de manera que ahora la solucin tiene ms cargas positivas. Los iones positivos de hidrogeno atraen a electrones libres de la barra de cobre para neutralizar nuevamente la solucin. Pero ahora la barra de cobre tiene una deficiencia de electrones por lo que presenta una carga positiva.

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1.3.5. Por accin del agua o hidrulica

El aprovechamiento de la energa potencial acumulada en el agua para generar electricidad es una forma clsica de obtener energa. Alrededor del 20% de la electricidad usada en el mundo procede de esta fuente. Es, por tanto, una energa renovable pero no alternativa, estrictamente hablando, porque se viene usando desde hace muchos aos como una de las fuentes principales de electricidad.

La energa hidroelctrica que se puede obtener en una zona depende de

los cauces de agua y desniveles que tenga, y existe, por tanto, una cantidad mxima de energa que podemos obtener por este procedimiento. Se calcula que si se explotara toda la energa hidroelctrica que el mundo entero puede dar, slo se cubrira el 15% de la energa total que consumimos. En realidad se est utilizando alrededor del 20% de este potencial, aunque en Espaa y en general en los pases desarrollados, el porcentaje de explotacin llega a ser de ms del 50%.

Desde el punto de vista ambiental la energa hidroelctrica es una de las

ms limpias, aunque esto no quiere decir que sea totalmente inocua, porque los pantanos que hay que construir suponen un impacto importante. El pantano altera gravemente el ecosistema fluvial. Se destruyen hbitats, se modifica el caudal del ro y cambian las caractersticas del agua como su temperatura, grado de oxigenacin y otras. Tambin los pantanos producen un importante impacto paisajstico y humano, porque con frecuencia su construccin exige trasladar a pueblos enteros y sepultar bajo las aguas tierras de cultivo, bosques y otras zonas silvestres.

Los pantanos tambin tienen algunos impactos ambientales positivos. As,

por ejemplo, han sido muy tiles para algunas aves acuticas que han sustituido los humedales costeros que usaban para alimentarse o criar, muchos de los cuales han desaparecido, por estos nuevos hbitats. Algunas de estas aves han variado incluso sus hbitos migratorios, buscando nuevas rutas de paso por la Pennsula a travs de determinados pantanos.

La construccin de pantanos es cara, pero su costo de explotacin es bajo

y es una forma de energa rentable econmicamente. Al plantearse la conveniencia de construir un pantano no hay que olvidar que su vida es de unos 50 a 200 aos, porque con los sedimentos que el ro arrastra se va llenando poco a poco hasta inutilizarse.

Es la electricidad que se obtiene del aprovechamiento de las energas

cintica y potencial de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Es un tipo de energa verde cuando su impacto ambiental es mnimo y usa la fuerza hdrica sin represarla, en caso contrario es considerada slo una forma de energa renovable.

Estos sistemas se pueden desarrollar a diferentes escalas, existen desde

hace siglos pequeas explotaciones en las que la corriente de un ro mueve un rotor de palas y genera un movimiento aplicado, por ejemplo, en molinos rurales. Sin embargo, la utilizacin ms significativa la constituyen las centrales hidroelctricas de presas, aunque estas ltimas no son consideradas formas de energa verde por el alto impacto ambiental que producen.



Cuando el Sol calienta la Tierra, adems de generar corrientes de aire, hace que el agua del mar, principalmente, se evapore y ascienda por el aire y se mueva hacia las regiones montaosas, para luego caer en forma de lluvia. Esta agua se puede colectar y retener mediante presas. Parte del agua almacenada se deja salir para que se mueva los labes de una turbina engranada con un generador de energa elctrica.

La clave del diseo de las centrales hidroelctricas est en un diseo

adecuado de la tubera forzada de agua, que aumentar su velocidad, y en la eleccin de la turbina ms adecuada para que extraiga la mayor cantidad posible de energa del agua en movimiento. Uno de los modelos ms utilizados es la turbina Kaplan, con eje vertical y provisto de paletas mviles, que le permiten adaptarse a las condiciones de presin del chorro de agua.

FUNCIONAMIENTO

Por medio de la presa se acumula cierta cantidad de agua formando un embalse. Con el fin de generar un salto cuya energa pueda transformarse en electricidad, se sitan, aguas arriba de la presa, tomas de admisin protegida por una rejilla metlica.

Esta toma de admisin tiene una cmara de compuertas que controla la admisin del agua a una tubera forzada que tiene por fin llevar el agua desde las tomas hasta las mquinas de la central. El agua en la tubera forzada transforma su energa potencial en cintica, es decir, adquiere velocidad. Al llegar a las mquinas, acta sobre los labes del rodete de la turbina, hacindolo girar y perdiendo energa. El rodete de la turbina est unido por un eje al rotor del alternador que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. Solidario con el eje de la turbina y el alternador, gira un generador de corriente continua llamado excitatriz, que es el que excita los polos del rotor del alternador. El agua, una vez que ha cedido su energa, es restituida al ro, aguas debajo de la central.

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1.3.6. Por accin elica Los molinos de viento se han usado

desde hace muchos siglos para moler el grano, bombear agua u otras tareas que requieren energa. En la actualidad, sofisticados molinos de viento se usan para generar electricidad, especialmente en reas expuestas a vientos frecuentes, como zonas costeras, alturas montaosas o islas.

El impacto ambiental de este sistema de obtencin de energa es bajo. Es

sobre todo esttico, porque deforman el paisaje, aunque tambin hay que considerar la muerte de aves por choque con las aspas de los molinos.

El sol tambin es la causa del movimiento de grandes masas de aire desde

zonas de alta presin a zonas de baja presin. Este viento se puede recoger por grandes hlices o molinos, conectados a un rotor.

La clave de la conversin de la energa contenida en el aire en movimiento

giratorio est en un diseo muy cuidadoso, tanto de las palas de la hlice como del multiplicador, que convierte su rotacin lenta en un giro muy rpido.

El viento choca contra las palas y provoca diferencias de presin entre sus

dos caras, haciendo girar su estructura. Es un proceso idntico al que hace avanzar un avin gracias al giro de la hlice.

El engranaje multiplicador convierte el movimiento lento de la hlice en un giro rpido para activar el generador. El tamao de las palas tambin est en relacin con la cantidad de energa que producir el molino.



1.3.7. Por reacciones nucleares

La energa nuclear procede de reacciones de fisin o fusin de tomos,

en las que se liberan gigantescas cantidades de energa que se usan para producir electricidad.

Obtencin de energa por fisin nuclear convencional.

El sistema ms usado para generar energa nuclear utiliza el uranio como

combustible. En concreto se usa el istopo 235 del uranio que es sometido a fisin nuclear en los reactores. En este proceso el ncleo del tomo de uranio (U-235) es bombardeado por neutrones y se rompe originndose dos tomos de un tamao aproximadamente mitad del de uranio y liberndose dos o tres neutrones que inciden sobre tomos de U-235 vecinos, que vuelven a romperse, originndose una reaccin en cadena.

La fisin controlada del U-235 libera una gran cantidad de energa que se

usa en la planta nuclear para convertir agua en vapor. Con este vapor se mueve una turbina que genera electricidad.

El mineral de uranio se encuentra en la naturaleza en cantidades limitadas.

Es por tanto un recurso no renovable. Suele hallarse casi siempre junto a rocas sedimentarias. Hay depsitos importantes de este mineral en Norteamrica (27,4% de las reservas mundiales), frica (33%) y Australia (22,5%).

El mineral del uranio contiene tres istopos: U-238 (9928%), U-235

(0,71%) y U-234 (menos que el 0,01%). Dado que el U-235 se encuentra en una pequea proporcin, el mineral debe ser enriquecido (purificado y refinado), hasta aumentar la concentracin de U-235 a un 3%, hacindolo as til para la reaccin.

El uranio que se va a usar en el reactor se prepara en pequeas pastillas

de dixido de uranio de unos milmetros, cada una de las cuales contiene la energa equivalente a una tonelada de carbn. Estas pastillas se ponen en varillas, de unos 4 metros de largo, que se renen en grupos de unas 50 a 200 varillas. Un reactor nuclear tpico puede contener unas 250 de estas a

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Manual 2015 Electrotecnia 1451