Lo que aprenderá
En esta lección vamos a ver cómo se puede generar electricidad y cómo podemos usarla en la práctica, para el funcionamiento de diferentes dispositivos y equipos. Veremos más adelante cómo la energía eléctrica puede transformarse en otras formas de energía que se utilizan en dispositivos tales como lámparas, elementos de calefacción, LEDs, motores, relés y muchos otros.
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Generadores
Si se conecta un cuerpo cargado a otro, de manera que fluye una corriente, su duración es muy corta. Tan pronto como las cargas de un pasan para el otro que las tiene en falta, estableciendo así el equilibrio, la corriente cesa.
¿Qué debemos hacer si queremos una corriente que fluye por un tiempo más largo entre los dos extremos de un hilo que une a estos cuerpos?
Como vimos en la lección anterior, una corriente no puede fluir de forma permanente entre dos cuerpos entre las cuales existe una diferencia de potencial, ya que hay un momento en el que se restablece el equilibrio y por lo tanto no hay más "fuerza" para empujarlos.
Si queremos mantener el flujo de corriente, hay que restaurar las cargas en el cuerpo que as proporciona para que sean enviadas a lo que no las tiene. En resumen, hay que eliminar las cargas del cuerpo que obtiene para volver a fornecer a los que las proporciona.
Este proceso implica un gasto energético debido a que estamos "entregando" energía al sistema que la proporcionará cuando la corriente circular. Para ello se utilizan los dispositivos especiales que se llaman "generadores" para "generar" energía. Estos generadores tienen dos puntos importantes, en los que están conectados los conductores, siendo llamado "polos". Un polo es negativo, que proporciona electrones para formar la corriente, como es en exceso, y el otro es positivo que recibe los electrones, como se muestra en la Figura 23.
Para que el generador realice su función, el a través del establecimiento en sus polos de una diferencia de potencial de una o concentración de cargas capaz de causar el movimiento de la corriente cuando conectamos algún dispositivo de conducción es necesario disponer de alguna forma de energía para la conversión. El tipo de energía que se utiliza por el generador para ser convertido en energía eléctrica, puede variar mucho.
Uno de los tipos más comunes es lo que convierte la energía química (liberado de las reacciones químicas) en energía eléctrica. Las pilas y baterías son los principales elementos de este grupo de generadores.
Una célula común o celda hacia crea entre sus polos una diferencia de potencial de 1,5 V, que dura tanto como lo tiempo en que las sustancias en su interior pueden reaccionar de acuerdo con la figura 24.
Un paquete de pilas o celdas se llama una batería. En el caso de los automóviles, lo que tenemos es una asociación de acumuladores o varias celdas, que constituyan 12 voltios entre sus polos. La diferencia entre la batería y el acumulador es el hecho de que las baterías se pueden recargar.
La reacción química que hace que la fuente de alimentación proporcione energía es reversible de modo que cuando un acumulador se descarga puede recargar mediante la circulación de una corriente a través de él, pero en la dirección opuesta a la normalidad. Esta corriente de alimentación “entrega” energía la batería,.
Baterías comunes no pueden ser cargadas, aunque hay células especiales llamadas "NiCad" (níquel-cadmio) y similares, o "recargable" que se puede recargar muchas veces, por un proceso especial, tales como las que se encuentran en los teléfonos celulares, teléfonos inalámbricos, etc.
También se les llama a menudo "pilas".
También están los llamados "células de combustible" que tienen la conversión directa en electricidad la energía liberada en la reacción entre dos gases. Un tipo usado en naves espaciales está empleando hidrógeno y oxígeno que reaccionan para formar agua, con la liberación de energía eléctrica en electrodos especiales.
Otro tipo importante de generador es la dinamo. Un ejemplo es la dinamo de la bicicleta, en el que la energía mecánica de movimiento de su rotor se convierte en energía eléctrica que alimenta una lámpara e incluso un cuerno.
Véase la Figura 25 como la rueda de bicicleta impulsa la dinamo para transmisión de energía mecánica que se transforma en electricidad.
Tipos de Generadores
1. Mecánicos
Generadores mecánicos convierten la energía mecánica en energía eléctrica, por ejemplo, movimientos o fuerzas de naturaleza mecánicas. Entonces tenemos en este grupo las dinamos y alternadores, como se muestra en la Figura 26.
Las dinamos convierten la fuerza obtenida por el movimiento de un motor, una cascada, una hélice accionada por el viento o fuerza mecánica de un ciclista en electricidad. Los alternadores hacen lo mismo, pero proporcionan la electricidad de una manera diferente, actual, que se estudiará a su debido tiempo alterna.
2. Generadores químicos
Este tipo de generador convierte la energía liberada en una reacción química en energía eléctrica. Tenemos en este grupo como principales representantes las pilas, baterías y acumuladores.
3. GeneradoresTérmicos
Estos generadores se utilizan poco debido a que tienen un rendimiento muy bajo. Por lo tanto, la pequeña cantidad de energía térmica que convierten en electricidad sirve más para medición es do que para uso. El mejor ejemplo es el termopar.
4. Generadores fotoeléctricos
Estos generadores convierten la energía radiante (luz y otras radiaciones electromagnéticos de corto longitud de onda) disponibles en forma de ondas electromagnéticas en energía eléctrica. El tipo más común es la fotocélula. Estos generadores no tienen todavía un buen rendimiento, pero han comenzado a tener una utilidad práctica en muchos equipos de potencia.
5. Otros
Hay otros que son generadores de menor o mayor rango de uso, pero que ofrecen grandes posibilidades para el futuro. Muchos de ellos son en realidad los generadores que suministran energía a uno de los tipos anteriores que, a su vez, proporciona electricidad.
Por ejemplo, los generadores atómicos que aprovechan la energía liberada en la desintegración de elementos radiactivos en realidad generan calor que a su vez calienta el agua y el agua se mueve a un generador mecánico, es decir, una dínamo o alternador.
2.2 - Receptores
Los receptores reciben electricidad a partir de una corriente y convierten esta energía en una o más formas de energía. Podemos citar como ejemplo las lámparas que convierten la energía eléctrica en luz (y calor), los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica (movimiento o fuerza) y muchos otros.
Receptores se aprovechan de los efectos de la corriente eléctrica y serán estudiados en esta lección.
2.3 - Conversión de Energía
Cuando conectamos hilo metálico a los polos de un generador y este alambre tiene una cierta resistencia eléctrica, para superar esta resistencia la energía suministrada por el generador se convierte en calor. Recordamos que ningún conductor es perfecto. Por lo tanto, por mejor que sea, las cargas en movimiento que forman la corriente siempre encuentran alguna dificultad para moverse. Esta dificultad u oposición se denomina "resistencia eléctrica", como se estudió en la lección anterior y ahora vamos a profundizar.
Hay muchos dispositivos que se aprovechan del calor gastado por las cargas, para superar la resistencia, con el fin de funcionar. Se puede citar como ejemplo, los calentadores en general: consisten en cables que no son buenos conductores, por ejemplo, alambre de nicromo, formados por una mezcla (aleación) de níquel con cromo.
Cuando la corriente pasa a través de estos hilos, gran cantidad de calor puede ser producida y utilizada por diversos aparatos tales como se muestra en la Figura 27.
Los calentadores de ambiente, duchas eléctricas, secadores de pelo, estufas eléctricas, encendedores de cigarrillos del coche, máquinas de sellado de plástico, moldeo por inyección de plástico y más, todos funcionan en este principio.
Si el cable es lo suficientemente delgada y presente un punto de fusión muy alto, tal como tungsteno, podemos ponerlo en una ampolla de vidrio para evitar la acción del oxígeno del aire ambiente que se quemaría.
El vidrio tendrá un vacío en su interior y luego se llena con un gas inerte para equilibrar la presión externa, que no hace que el bulbo frágil sujeto a la implosión.
Con esto vamos a tener una bombilla incandescente común o un dispositivo que puede convertir la energía eléctrica, no sólo calor, sino también la luz.
Ver que la luz es una forma de radiación electromagnética, es decir, que consiste en ondas electromagnéticas de longitud muy corta (más adelante veremos lo que viene a ser la longitud de onda, por lo que no se molestan en entender el término por ahora, si usted no sabe lo que es).
La lámpara que funciona con un filamento caliente se llama "lámpara incandescente", como se muestra en la Figura 28.
2.4 - Los Conductores
Como no hay conductores perfectos, el flujo de corriente por cualquier cable o dispositivo siempre genera calor. Este es un problema para los dispositivos electrónicos y eléctricos de diversos tipos, tales como computadoras, controles industriales, equipos de medida, telecomunicaciones, médica y, por supuesto, de la casa.
La gran cantidad de cables y componentes por que pasa por la corriente en estos dispositivos genera calor. Este calor, a diferencia de los otros dispositivos no sirve para nada y debe ser eliminado.
Si el calor generado no se elimina, los componentes sensibles sobrecalientan y pueden quemar. Así, en muchos equipos un punto crítico es la ventilación: es necesario para eliminar el calor generado en todos sus cables y componentes cuando está en funcionamiento.
Y para ello, no tenemos muchas alternativas: el calor es una consecuencia inevitable del principio de funcionamiento de todos los dispositivos, no importa lo bueno, siempre tiene una cierta resistencia eléctrica.
2.5 - El circuito eléctrico
Para proveer de electricidad a cualquier dispositivo, de modo que pueda ser aprovechada, convirtiéndose en otra forma de energía, por ejemplo, luz, calor, movimiento, sonido, etc. no sólo se debe conectar un cable que permite el transporte de cargas. Si sólo hay un alambre de conectado las cargas alcanzan el dispositivo, pero no tienen más para donde ir, como se muestra en la Figura 29. Tenga en cuenta que las cargas no son la electricidad, que sólo transportan energía. Por lo tanto, tienen que entregar la energía al dispositivo alimentado y tienen que ir a alguna parte.
Si no tiene para donde ir, la corriente no pasa nada más e nada más sucede.
Por esta razón, a continuación, al analizar los ejemplos que hemos dado, en los que se alimentan los calentadores, lámparas o LEDs, vemos que es necesario que las cargas eléctricas que componen la corriente deben realizar una ruta o camino cerrado.
Dejando uno de los polos del generador, se pasan por todos los componentes donde entregan su energía, y luego vuelven al otro polo del mismo generador.
A continuación, debería ser un camino o ruta completa (cerrado) de modo que una corriente puede fluir y proporcionar energía. El dispositivo proporciona la energía es el generador y los que reciben son los receptores.
El camino total recorrido por la cadena, incluyendo los componentes, se llama el circuito eléctrico, como se muestra en la Figura 30.
En electrónica, es común para llamar la distancia total que una corriente debe hacer a través de un conjunto de componentes de "circuito eléctrico" o simplemente circuito.
El circuito se forma entonces por el conjunto de componentes que deben realizar alguna función cuando recorrido por una corriente.
Tenga en cuenta que si el circuito se interrumpe en cualquier punto, la corriente deja de circular por ella, y el dispositivo o aparato deja de funcionar.
La interrupción se puede realizar de forma voluntaria cuando queremos desconectar un dispositivo. Para este tenemos el uso de dispositivos llamados interruptores.
Todos los componentes y otros dispositivos que se encuentran en los equipos electrónicos, lo que sea, desde una computadora para el control de potencia de una máquina industrial, son formados por circuitos eléctricos.
Luego hay varias rutas para el que circule la corriente y sea producido el efecto deseado, o que les permite recibir energía para funcionar. De lo contrario, la corriente no podía moverse y que no iba a funcionar.
Los interruptores y conmutadores
Para establecer o interrumpir la corriente en un circuito, a fin de lograr su control, utilizamos dispositivos llamados interruptores.
Normalmente están formados por hojas o contactos que, mientras que se apoya permiten el paso de la corriente y estando separados, interrumpen el circuito.
Los conmutadores, como se muestra en la Figura 31, deben estar conectados en serie con el dispositivo o circuito controlado.
El término "serie", como se usa en este documento, quedará más claro de la misma manera, cuando también pasarnos para el estudio de otras maneras de conectar dispositivos en un circuito.
Tenemos varios tipos de interruptores que se muestran en la figura 32. Estos interruptores son especificados por la corriente máxima que puede controlar y apoyo de tensión máxima entre estos contactos cuando están abiertos.
Son los interruptores que le permiten activar o desactivar la mayoría de los dispositivos electrónicos, como ordenadores, monitores de vídeo, televisores, equipos de prueba, control, etc.
Interruptores instalados en algunos dispositivos permiten que se activan automáticamente por el movimiento de los motores, por ejemplo.
Un circuito está formado por un generador (una batería, por ejemplo), un interruptor y un receptor (un dispositivo de recepción de energía como una lámpara) se llama "circuito eléctrico simple." La Figura 34 es un ejemplo de circuito eléctrico simple.
2.6 – Corriente Electrónica y Convencional
Un hecho importante que el lector se habrá dado cuenta es de que en nuestro estudio los electrones fluyen siempre al polo negativo de un generador al polo positivo, es decir, la corriente fluye de negativo a positivo, como se muestra en la Figura 35.
Esta es la corriente real o electrónica que sirve para explicar la mayor parte de los fenómenos relacionados con la operación de los circuitos y dispositivos eléctricos.
Sin embargo, hay otra manera de analizar una corriente y que se utiliza a menudo en el manual, diagramas, y la literatura técnica.
Dado que los valores positivos son mayores que los negativos, uno esperaría que el potencial más alto, es decir, los positivos los predominantes, y por lo tanto mucho más fácil de entender, se adoptar la corriente fluyendo de lo positivo para lo negativo, como se muestra en la figura 36.
Esto se hace realmente, no hay problema para entender el circuito de principio y los componentes de trabajo.
La corriente que fluye de positivo a negativo se llama "convencional".
El lector no debe estar tan preocupado si la corriente fluye en realidad de positivo a negativo o viceversa, porque se puede representar en ambos sentidos. Sólo hay que tener cuidado de no mezclar los dos en el mismo esquema o explicación.
Todo esto "confusión" se debe a que la electricidad depende del electrón y se acordó que estas partículas tienen cargas negativas. Si fuera diferente... Ah! Si los electrones fueron positivos...
2.7 - Lámparas incandescentes
Las llamadas lámparas incandescentes se pueden encontrar en una amplia variedad de formas y tamaños, como se muestra en la Figura 37.
Estas lámparas están cayendo en desuso, por su bajo rendimiento, siendo reemplazadas por lámparas fluorescentes, las lámparas electrónicas y los LEDs en la mayoría de las aplicaciones. Estos tipos de lámparas serán estudiados en su momento en este curso.
La característica principal de una lámpara es la tensión que hay alimentarla para que la corriente correcta circule por su filamento delgado de metal y, por lo tanto, podemos producir la intensidad de la luz prevista sin "quemar".
Si conectamos una lámpara a un generador cuya tensión es inferior a la recomendada, no vamos a tener suficiente calefacción y la luz emitida es débil, o incluso no se producir. En este caso, no hay peligro de que el filamento de romper, "quemar" u otros daños.
Sin embargo, si conectamos una lámpara a una tensión mayor que la recomendada para el generador, el calentamiento del filamento será excesivo porque va a pasar corriente mayor que la esperada, su ruptura o quema ocurre, como se muestra en la Figura 38.
Esto es exactamente lo que sucede cuando, sin darse cuenta, se conecta una lámpara en una toma de 110V donde el voltaje es de 220 V, o cuando encendemos una lámpara de 6 V en una batería de 12 V
Curiosamente, la resistencia del filamento es responsable de determinar la "cantidad" de la corriente que pasa a través de una bombilla de luz cuando conectamos a un generador.
Así que, incluso si el generador puede proporcionar corrientes infinitamente superiores, tales como una toma de corriente que está conectado al generador gigantesco de una planta de energía, la resistencia del dispositivo accionado sólo hace pasar la corriente que necesita.
2.8 – Cortocircuito - fusibles e interruptores automáticos
Si un cable eléctrico de muy baja resistencia está conectado entre los polos de un generador, por ejemplo, una toma de corriente, no hay prácticamente ningún límite a la corriente que pase a (tener en cuenta la energía eléctrica de nuestra casa viene de un "generador" ya que, de hecho, está conectado por cables a una grande usina).
El resultado es que la corriente será tan intensa que puede calentar y quemar el cable con un efecto explosivo y entonces tenemos lo que llamamos "cortocircuito", como se muestra en la Figura 39.
Así para que no ocurra un cortocircuito debe haber ser siempre algo que limite la corriente al valor esperado, absorbiendo así, "poco a poco" la potencia suministrada por el generador y haciendo su conversión al calor, la luz u otra forma deseada de energía.
Para proteger un circuito o equipo en caso de un cortocircuito se usan componentes denominados fusibles. Como se muestra en la figura 40 estos componentes consisten en un alambre fino que se rompe cuando la corriente alcanza una cierta intensidad, considerada peligroso para el circuito protegido.
Tenga en cuenta que el fusible está conectado en el trayecto de la corriente, es decir, de modo que la corriente del circuito pase a través de él. Decimos que está conectado en serie con el circuito protegido.
Una forma más avanzada para proteger el circuito se muestra en la figura 41. Se trata de un interruptor térmico o disyuntor que desconecta el circuito cuando la corriente alcanza un valor determinado. La ventaja del disyuntor es que se retira una vez la causa del cortocircuito simplemente se puede volver a alimentarla. En caso de que el fusible tenga que poner una nueva.
2.9- Los efectos de la Corriente Eléctrica
Cuando una corriente eléctrica fluye a través de ciertos medios podemos ver diferentes efectos. Muchos de estos efectos son indeseables en algunos casos, pero en otros son simplemente se aprovechan para una aplicación práctica. Los efectos de la corriente eléctrica son:
• El efecto térmico
De acuerdo con que estudiamos, para superar la oposición o resistencia que la corriente eléctrica encuentra para pasar a través de ciertos medios, hay un gasto de calor. Este es el efecto de calentamiento con la producción de calor a partir de la corriente, es decir, de la electricidad se explota en varios dispositivos de uso común como:
e) Las duchas y grifos eléctricos
f) Los calentadores de ambiente
g) secador de pelo y la ropa
h) Los invernaderos
i) sellado de maquinaria industrial y de inyección de plástico
j) Hornos Eléctricos
Por supuesto, indirectamente se produce calor en cualquier lugar en que hay corriente, incluso si no se desea. Por esta razón, una buena parte de la energía que se pierde en muchas aplicaciones es, precisamente, para su transformación en calor. Reducir la resistencia es algo por qué luchar en muchas aplicaciones.
• Efecto químico
Cuando una corriente eléctrica pasa a través de ciertas soluciones químicas hay la aparición de reacciones en que las sustancias contenidas en estas soluciones cambian sus características, es decir, reaccionan para formar nuevas sustancias.
Por lo tanto, hay reacciones químicas que son causadas por el paso de corrientes eléctricas que caracterizan lo que llamamos "efecto químico" de la corriente eléctrica.
El ejemplo más conocido es la electrólisis del agua, es decir, una reacción que utiliza una corriente eléctrica para descomponer el agua en hidrógeno y oxígeno, como en la fórmula H20 en sus elementos de formación, el gas hidrógeno libre y gas de oxígeno libre. En la Figura 42 se muestra cómo se produce esta reacción.
El ácido sulfúrico en el agua sólo a torna conductora, debido a que el agua pura casi no conduce la corriente. Sin embargo, en la reacción, el ácido no participa, con sólo la descomposición del agua en sus elementos formadores el hidrógeno y el oxígeno, que luego se recoge en tubos de ensayo.
Otra reacción producida haciendo pasar una corriente ocurre en el proceso de galvanoplastia, como se muestra en la Figura 43.
Con la circulación de una corriente eléctrica a través de una solución especial de una sal de ciertos metales, estos se pueden depositar un en electrodo de usando para eso la corriente eléctrica.
Si este electrodo es un objeto de metal, lo cubrimos con una fina capa de otro metal, por ejemplo, mediante el llamado "baño" de plata, oro, cromo u otros metales.
• Efecto fisiológico
Nuestro sistema nervioso funciona con impulsos eléctricos que se propagan a través de redes o nervios. Por lo que cualquier corriente externa que pasa por nuestro cuerpo puede interferir con nuestro sistema nervioso causando a nosotros desde la simple sensación de hormigueo a golpes o quemaduras.
La muy baja intensidad de corriente aplicada de una manera controlada en la piel de una persona se puede utilizar con fines terapéuticos, por ejemplo, masaje. Corrientes más altas pueden utilizarse para reanimar a los pacientes que han sufrido ataques al corazón.
Sin embargo, en general, las corrientes más intensas son peligrosas y deben evitarse ya que pueden causar daños o incluso la muerte. A medida que el choque es un peligro constante para los que trabajan con electricidad, más tarde, esa misma lección, vamos a hablar de ella de una manera más detallada.
• Efecto Magnético
Hay un efecto de la corriente que no depende de la existencia de la resistencia y que se produce siempre. El movimiento de las cargas eléctricas en cualquier condición es responsable de la aparición de un campo magnético, como se muestra en la Figura 44.
Oersted fue quien descubrió el efecto magnético de la corriente eléctrica al señalar que una aguja imantada en las inmediaciones de un alambre cambió de posición al pasar una corriente a través de este alambre.
En un imán que atrae a los metales ya se manifiesta un campo magnético producido por cargas en movimiento en el interior: Es una manifestación de la electricidad dinámica o la electrodinámica.
Oersted, un investigador danés, fue el primero en observar que la corriente que pasa un alambre podría influir en una aguja magnética colocada en su vecindad. Posteriormente se descubrió que es posible reforzar este campo magnético, enrollando el alambre para formar una bobina o solenoide, como se muestra en la Figura 45.
Si este cable se enrolla alrededor de una pieza de metal ferroso tal como hierro o acero, con el flujo de corriente el magnetiza y puede comportarse como un verdadero imán, atrayendo piezas de metal.
Si la corriente se interrumpe, deja de atraer objetos pequeños. Si el cable se envuelve en una forma hueca, como se muestra en la Figura 46, tendremos un dispositivo llamado "solenoide".
Cuando atravesado por una corriente, el solenoide atrae objetos de metal para su interior.
En muchos dispositivos eléctricos y electrónicos campos magnéticos creados por las bobinas e incluso por los imanes se utilizan intensivamente. Vamos a estudiar varios de estos dispositivos a lo largo de este curso.
Las lecciones de este curso son:
Lección 1 - Materia y energía, la naturaleza de la electricidad, la electricidad estática
Lección 2 - Energía eléctrica, corriente y tensión, el circuito eléctrico
Lección 3 - Resistencia eléctrica, resistores, Ley de Ohm, Ley de Joule
Lección 4 - Tipos de generadores, rendimiento y ecuación del generador