Electricidad

 

Un hecho real es que todo objeto se compone de átomos y cada átomo posee igual número de electrones y protones

La electricidad o energía eléctrica se produce porque la materia se puede cargar eléctricamente. ¿Qué significa esto?

Veamos: los electrones poseen una carga negativa y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras para que el objeto resulte neutro (no cargado). Pero al frotar, por ejemplo, un globo sobre un polerón los electrones saltan del polerón al globo y éste se carga de electricidad. El globo pasa a tener más electrones que protones y se carga negativamente; mientras el polerón, con más protones que electrones, se carga positivamente.

¿Qué ha pasado? Hemos producido electricidad

Ahora bien, la electricidad se puede trasmitir de un punto a otro conduciéndola a través de distintos objetos o materiales.

Todos los cuerpos pueden trasmitir energía eléctrica, pero existen unos que son mejores trasmisores de energía eléctrica (conductores, como los metales) que otros, a los cuales les cuesta más o simplemente no permiten el paso de ella (aisladores o malos conductores).

Para generar energía eléctrica necesitamos de motores eléctricos, pilas, generadores, los cuales hacen que se pueda cargar un objeto y así poder transferir la electricidad.

Los efectos de la electricidad son múltiples y en la actualidad, conocidos y controlados, se ocupan para muchos usos.

Magnético (Electroimanes) Mecánico (Motores) Químico (Electrólisis) LuminososCalóricos

Sin embargo, en el curso de la historia, el hombre ha atribuido explicaciones de carácter místico o religioso a determinados fenómenos naturales como el rayo, los fuegos de San Telmo o la piedra imán.

Los primeros descubrimientos de los cuales se tiene noticia en relación con los fenómenos eléctricos, fueron realizados por los griegos en la Antigüedad. El filósofo y matemático Tales de Mileto en el siglo V antes de Cristo observó que un trozo de ámbar, después de ser frotado con una piel de animal, adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros (como trozos de paja y pequeñas semillas).

Átomo

Tuvieron que pasar varios siglos antes de que William Gilbert publicara en 1600 su obra De Magnete, en la que realiza el primer estudio científico del magnetismo. Este científico observó que algunos otros cuerpos se comportan como el ámbar al frotarlos, y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier otro cuerpo, aun cuando no sea ligero.

Como la designación griega que corresponde al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a usar el término “eléctrico” para referirse a todo cuerpo que se comportaba como el ámbar, con lo cual surgieron las expresiones “Electricidad”, “Electrizar”, “Electrización”, etc...

Éste fue el punto de partida de la historia de la electricidad, cuyo estudio y desarrollo durante los siglos XVII y XVIII se limitó únicamente a los fenómenos electrostáticos. Ya en la época moderna surgieron los gabinetes de física y con ellos los primeros modelos de máquinas eléctricas, fuentes

productoras de grandes cantidades de carga eléctrica.

Desde que Otto von Guericke construyó en la segunda mitad del siglo XVII su máquina eléctrica, primer ingenio de estas características, son numerosos los modelos y diseños que los diferentes investigadores llevaron a la práctica con éxito.

Dos investigadores aportaron una contribución esencial a la electrostática: Stephen Gray (1670-1736) descubrió la electrización por influencia (por frotamiento) y la conductividad eléctrica; por su parte, Du Fay (1698-1739) reveló la existencia de dos electricidades de diferentes naturalezas, que llamó “resinosa” (negativa) y “vítrea” (positiva). Un discípulo suyo, el abate Nollet (1700-1770), se hizo famoso popularizando experimentos de electrostática: hacía que las chispas crepitaran en los salones de la alta sociedad, donde las damas hacían cola para ser electrizadas por el abate. El entusiasmo se desbordó cuando apareció el primer condensador eléctrico, capaz de almacenar la misteriosa energía: una simple botella con agua con tapón atravesado por un clavo, la Botella de Leiden. Este dispositivo parece haber sido inventado simultáneamente, en 1745, por Ewald G. von Kleist (1700-1748) y Petrus van Musschenbrock (1692-1761), profesor de la Universidad de Leiden.

Años después, en el siglo XVIII Benjamín Franklin, un científico norteamericano, propuso una teoría para explicar los fenómenos eléctricos que se derivaban del frotamiento. Cuando se frota una sustancia como el vidrio, dicho cuerpo gana “fluido eléctrico” y queda cargado positivamente (+). En el caso del ámbar, pierde “fluido eléctrico” y queda cargado negativamente (-). Franklin fue, entonces, el primero en hablar de cuerpos cargados positiva y negativamente. La explicación actual del fenómeno se basa en la Teoría atómica de la materia. Los electrones –partículas cargadas negativamente– giran alrededor del núcleo del átomo, específicamente en la corteza o envoltura del átomo. El átomo puede ganar o perder electrones. Si pierde electrones su carga será positiva, por pérdida de partículas negativas; si gana electrones, su carga será negativa, por ganancia de partículas negativas.

El electrón fue descubierto por Joseph J. Thomson.

William

Gilbert

Benjamín

Franklin

En el siglo XIX aparece una nueva forma de electricidad. Alessandro Volta consiguió en 1800, gracias a su pila, producir corrientes eléctricas de manera continua. Éste es el origen de la electrodinámica, con el que se abre todo un mundo de experiencias. En 1820 Hans Christian Oersted demostró experimentalmente la relación entre electricidad y magnetismo. Es en este momento cuando surgen las primeras nociones acerca del electromagnetismo, cuyo desarrollo ha permitido algunos de los mayores avances tecnológicos de la humanidad.

El ovoide prolongado es un aparato de metal que sirve para mostrar la distribución de la carga eléctrica en su superficie; el electroscopio de Volta, de gran importancia en la historia de la electricidad, se trata de un dispositivo utilizado para estudiar los mecanismos de adquisición de carga eléctrica en los distintos cuerpos; en el granizo eléctrico observamos cómo la conexión de dos placas metálicas a una diferencia de potencial causa el revoloteo de unas pequeñas bolitas de médula de saúco; el campanario eléctrico se vale de un efecto similar al anterior para hacer que dos bolitas golpeen una campana en un proceso continuo de carga-repulsión/descarga-atracción; el efecto eléctrico en puntas demuestra la acumulación de cargas en los extremos de los objetos metálicos, lo que ocasiona el giro de las aspas al ionizar el aire de su entorno.

La generación de carga eléctrica en abundancia se consigue por medio de las máquinas electrostáticas, con las que se conseguían diferencias de potencial suficientes para efectuar determinados experimentos.

Para almacenar la electricidad producida por estas máquinas se contaba con las botellas de Leiden, cuya forma varió a lo largo del tiempo. Otro sistema de almacenamiento de carga eléctrica era el condensador de Aepinus.

El estudio de la electricidad pronto trajo consigo la observación de las "chispas". Cuando dos conductores a diferente potencial se situaban a corta distancia, era posible hacer saltar una chispa entre ambos. Existen distintos aparatos que hacen uso de esta propiedad con finalidades diferentes.

El excitador de Henley se utilizaba para estudiar los efectos de las descargas eléctricas en objetos, seres vivos incluidos, colocados entre los dos conductores; el perforador de tarjetas se utilizaba para un fin análogo: se colocaba un naipe o una tarjeta entre los dos conductores, de manera que al saltar la chispa, la tarjeta quedaba perforada; el

termómetro de Kinnersley permitía probar el desprendimiento de calor en las chispas; el cuadro mágico y la pirámide centelleante son ejemplos de juegos científicos de carácter experimental: en ambos casos las descargas producían efectos visuales y la formación de figuras brillantes.

Los tubos de Geissler consisten, por lo general, en un fino tubo de cristal que contienen un gas enrarecido en su interior. Al producirse una descarga de alta tensión, tienen lugar diversos efectos radiantes, dependiendo del gas y la presión a la que esté sometido. Algunos de estos tubos están coloreados y producen efectos ópticos especialmente llamativos.

William Crookes, al igual que Geissler, empleaba condiciones de vacío y descargas de alta tensión en tubos de vidrio. Sus experimentos le llevaron a identificar la naturaleza eléctrica de los rayos catódicos, fuente de otro tipo de

Tubo de

Crooke

radiación completamente distinta, a la que Röntgen denominó rayos X, debido a su carácter desconocido. Röntgen los descubrió accidentalmente al observar un haz de electrones (radiación catódica) que incidía en la superficie de vidrio de un tubo de descarga.

La necesidad de controlar la corriente eléctrica llevó a la creación de las cajas de resistencias, que permitían controlar la intensidad de la corriente. El reóstato de Wheatstone es una resistencia variable que hace uso de la buena conducción eléctrica de unas piezas gruesas de metal.

La medida de la corriente eléctrica se realiza utilizando fenómenos eléctricos y magnéticos. El multiplicador de Schweigger es una aplicación de la experiencia de Oersted, en la cual una aguja imanada es desviada por una corriente. Es el primer galvanómetro de la historia, ya que el ángulo de desviación está relacionado con la intensidad de la corriente. Los demás galvanómetros son instrumentos similares, pero más precisos y probablemente más complejos.

Si con la pila de Volta y otros generadores como el de Faraday se conseguía corriente continua, ahora la corriente alterna podía conseguirse con las máquinas magnetoeléctricas, como por ejemplo la de Gramme.

El movimiento de unas bobinas en un campo magnético fijo induce una corriente alterna, que puede utilizarse como tal o transformarse en corriente continua con facilidad. El transformador de corriente alterna nace de la necesidad de transportar energía eléctrica a grandes distancias. Desde los primeros aparatos destinados a elevar la tensión como la bobina de Ruhmkorff o el resonador de Oudin, antecesores de los actuales transformadores, este tipo de instrumentos han sufrido no pocas modificaciones, si bien en esencia su funcionamiento se basa en los mismos principios que llevaron a Michael Faraday a enunciar, en 1832, su ley de la inducción.

En la actualidad sabemos que todas las sustancias pueden presentar un comportamiento similar al del ámbar; es decir, pueden electrizarse al ser frotadas con otra sustancia. Por ejemplo, una regla de plástico se electriza cuando la frotamos con seda y puede atraer una bolita de “plumavit”; un peine se electriza cuando se le frota contra el cabello y luego puede atraer a éste, o bien, a un hilo de agua; la ropa de nailon también se electriza al friccionarse con nuestro cuerpo; los automóviles en movimiento adquieren electrización por su rozamiento con el aire, etc...

Respecto a los ejemplos anteriores, conviene aquí hacer una precisón.

Por efecto de los roces entre objetos se produce en ellos un aumento de cargas eléctricas que conocemos como electricidad estática. La electricidad estática (llamada también corriente estática, aunque no corre  ni fluye) aparece principalmente por el efecto de la fricción entre dos cuerpos.

En rigor, el término electricidad estática se refiere a la acumulación de carga eléctrica en una zona con poca conductividad eléctrica, un aislante, de manera que la acumulación de carga se mantiene.

Pila de Volta

(ampliar

imagen)

La electricidad estática o corriente estática o simplemente estática es, como su nombre lo indica, estática (no se mueve), pues a diferencia de la corriente o electricidad que todos conocen es una carga que no va a ninguna parte.

En cambio, tanto la corriente continua como la corriente alterna fluyen en algún sentido, la estática no.

Por eso hoy, la electricidad (entendida como corriente eléctrica) se define como un flujo continuo de electrones a través de un conductor.

Importancia de la electricidad

La electricidad, junto con el vapor, ha sido un gran agente de transformación en la industria y en el comercio. A fines del siglo XIX se transformó en una fuente de luz, de calor y de fuerza motriz, dando origen, junto con el empleo del petróleo, a un impulso de la industria tan considerable que se ha dicho que en la última parte del siglo XIX, el mundo experimentó una segunda revolución industrial.

El invento de la dínamo-eléctrica, que transforma el trabajo mecánico en energía eléctrica, fue el acontecimiento más importante. Poco después se combinó esto con el aprovechamiento de las caídas de agua (energía hidroeléctrica).

La electricidad ha hecho posible el telégrafo (1833), después el teléfono (1876) y, posteriormente, la telegrafía y la telefonía sin hilos, con la trasmisión de la palabra. El sabio alemán Gauss sacó de los descubrimientos teóricos de Ampere y de Aragó la telegrafía eléctrica. El primer aparato práctico fue construido en Estados Unidos por Morse; el aparato y su alfabeto todavía son de uso universal. El teléfono fue inventado por el francés Bourseul, un empleado de telégrafos; pero no fue utilizado, sino mucho más tarde (1876), gracias al norteamericano Graham Bell. (Ver Cronología de la electricidad)

Desde 1836 Inglaterra y Estados Unidos empezaron a construir su red telegráfica.

Más tarde se inventó la telefonía sin hilos, que no tardó en industrializarse y ser usada en la vida diaria, disminuyendo las distancias y poniendo rápidamente en comunicación a todas las personas de nuestro planeta.

Y suma y sigue.

Resultaría monumental la tarea de seguir describiendo los avances hasta el momento en materia de electricidad o de sus posteriores aplicaciones tecnológicas. Pero no sería exagerar si dijéramos que la civilización actual volvería a un estado primitivo de no existir el conocimiento de esta forma de energía. Imagine su propia vida sin electricidad. Desde ya no habría luz eléctrica, ni teléfono o cualquier modo de comunicación a distancia que no sea la imprenta. No habría computadoras, ni cine. Tampoco automóviles porque para ello se necesitó del paso de la pistola de Volta, precursor de las bujías. La medicina retrocedería a sus orígenes, sin rayos X, resonancia magnética, ecografías, etc. El mundo de la alimentación sufriría un gran embate sin la refrigeración. Sin satélites de comunicación ni computadoras la meteorología sería incapaz de predecir huracanes o fenómenos como la Corriente del Niño. Si no hay

automóviles, tampoco habrá máquinas de construcción. ¿Habría edificios, puentes, túneles? Tal vez muy pocos. Es verdad, no tendríamos que vernos con los problemas que acarrearon estos avances. ¿Pero, a qué precio?

Imagine un mundo así. No se trata de ver si ese mundo sería mejor o peor, eso es muy difícil de evaluar, tan solo se trata de notar la diferencia. 

Obtención de la electricidad

La electricidad se obtiene a gran escala a través de las Centrales Hidroeléctricas o Termoeléctricas, fuente de energía térmica (combustibles, geotermia, energía solar, energía nuclear) o energía mecánica (energías eólica, hidráulica, mareomotriz), la cual acciona unos aparatos motores, por ejemplo, turbinas. Las turbinas, acopladas a alternadores, convierten su energía mecánica en energía eléctrica, que luego es distribuida a la red. En la actualidad, las únicas instalaciones de gran potencia son las centrales termoeléctricas (que funcionan con combustibles como carbón, petróleo o gas) y las centrales hidroeléctricas (que funcionan por la fuerza de la caída de aguas en las grandes represas o los caudales de ríos).

Electricidad: carga y corriente eléctrica

 

Hacia el año 600 antes de Cristo (a.C.), el filósofo griego Tales de Mileto descubrió que una barra de ámbar frotada con un paño atraía objetos pequeños, como trocitos de papel. Llamó electricidad a la propiedad adquirida por la barra, porque ámbar en griego se dice elektron.

El fenómeno se observa también en muchos otros materiales, como plástico o vidrio, y modernamente se llama carga eléctrica a la propiedad que adquieren al frotarlos. La corriente eléctrica que utilizamos diariamente consta de cargas eléctricas en movimiento, que se producen en formas más eficientes que frotando cuerpos.

Carga eléctrica

La carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. La carga eléctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede

adquirir carga eléctrica.

La electricidad estática es una carga eléctrica que se mantiene en estado estacionario (en reposo) sobre un objeto, causada por la pérdida o ganancia de electrones.

Todo cuerpo se compone de átomos, cada uno de los cuales posee igual número de electrones y protones.

Ámbar: Elecktron, en griego.

Los electrones poseen una carga negativa, y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras, para que el objeto resulte neutro (no cargado).

Pero al frotar, por ejemplo, un peine o peineta sobre un chaleco los electrones saltan del chaleco al peine y éste se carga de electricidad estática.

El peine pasa a tener más electrones que protones y se carga negativamente, mientras que el chaleco con más protones que electrones, se carga positivamente.

Por lo tanto, se pueden definir dos tipos de cargas eléctricas:

1.- Carga positiva: Corresponde a la carga del protón.

2.- Carga negativa: Corresponde a la carga del electrón.

Las cargas eléctricas no se crean al frotar un cuerpo, sino que se trasladan.

Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen.

Igual signo:

se repelen

Distinto signo: se atraen

 

En todos los fenómenos eléctricos que se originan en el interior de un sistema aislado, vale la ley de conservación de cargas , según la cual la suma de las cargas eléctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante.

La unidad con que se mide la carga eléctrica es el coulomb (C), en honor a Charles Coulomb,  y que corresponde a lo siguiente:

1 Coulomb = 6,25x1018 electrones. Por lo que la carga del electrón es de 1,6x10-19 C.

Para lograr que un cuerpo quede cargado eléctricamente requerimos que haya en él un exceso de uno de los dos tipos de carga (+ o – ), lo cual podemos lograr haciendo uso de

diferentes procesos, como el frotamiento (ya visto en el ejemplo del peine), el contacto y la inducción.

Ver: PSU: Física,

Pregunta 07_2005(1)

Pregunta 09_2005(1)

Pregunta 10_2005(1)

Pregunta 01_2005(2)

Ver: Interacción de cargas eléctricas

Electrización por contacto

Un segundo método de carga es por contacto, el cual requiere "contacto" físico para que ocurra transferencia de electrones además de la existencia de un cuerpo previamente cargado. No es muy eficiente, ya que por sucesivos toques al final la carga se va "terminando". Tiene como característica fundamental que el cuerpo adquiere el mismo signo del cuerpo que está inicialmente cargado.

Electrización por inducción

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado (en la figura de abajo el tubo con carga negativa) a un cuerpo neutro (la esfera colgante), se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente.

Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

Ver: PSU: Física; Pregunta 01_2005(2)

Conductores y aisladores

El fenómeno de la electrización consiste, como ya vimos, en una pérdida o ganancia de electrones. Para que se produzca, los electrones han de tener movilidad.

Existen algunos materiales, como los metales, que tienen la propiedad de permitir el movimiento de cargas eléctricas, y por ello reciben el nombre de conductores eléctricos. En cambio, hay otros, como el vidrio, el plástico, la seda, etc., que impiden el movimiento de cargas eléctricas a través de ellos, y por esto reciben el nombre de aisladores o aislantes eléctricos. Electroscopio

No podemos olvidar que ningún conductor es ciento por ciento conductor ni que tampoco un material aislante es ciento por ciento aislante. De alguna manera, todos los materiales conductores impiden cierta movilidad de cargas y, por otra parte, todos los materiales aislantes permiten algo de movilidad de cargas.

Electroscopio

El electroscopio es un aparato que permite averiguar si un cuerpo está eléctricamente cargado o no lo está. Se compone de una botella de vidrio, un tapón de goma por cuyo centro pasa una varilla metálica que tiene, en uno de sus extremos, una pelotilla metálica y, en el otro, dos laminillas de oro o platino que, al cargarse, por contacto o por inducción, se repelen (se separan).

Corriente eléctrica

Las cargas eléctricas en movimiento en un conductor constituyen una corriente eléctrica.

La corriente eléctrica es producida por una diferencia de potencial entre dos puntos. Se produce una diferencia de potencial entre dos puntos cuando éstos tienen cargas de diferente signo.

¿Cómo se produce la corriente?

Todos los cuerpos existentes en la naturaleza están eléctricamente neutros mientras no se rompa el equilibrio que existe entre el número de electrones y de protones que poseen sus átomos.

Los cuerpos en la naturaleza tienden a estar neutros; es decir, tienden a descargarse. Cuando un conductor C une dos cuerpos A y B, el cuerpo A con exceso de electrones y el cuerpo B con déficit de electrones, los electrones se distribuyen uniformemente entre ambos cuerpos. El movimiento de los electrones a través de C se conoce como corriente eléctrica.

La fuerza que impulsa a los electrones a moverse se debe a la diferencia de potencial o tensión (V) que existe entre A y B. Si la tensión es muy alta, los electrones pueden pasar de un cuerpo al otro a través del aire, por ejemplo, el rayo. En cambio, si la tensión es baja, los electrones necesitan ciertos materiales, llamados conductores, para pasar de un cuerpo a otro.

Los conductores más importantes son los metales. La Tierra es un inmenso conductor que, debido a que tiene tantos átomos, puede ganar o perder electrones sin electrizarse. Por esto, si un cuerpo electrizado se conecta a tierra, se produce una corriente eléctrica, hasta que el cuerpo se descarga.

Un cuerpo neutro tiene potencial eléctrico nulo.

Un cuerpo con carga positiva (déficit de electrones) tiene potencial positivo.

Un cuerpo con carga negativa (exceso de electrones) tiene potencial negativo.

Diferencia de potencial

En otros términos, la corriente eléctrica se define como un flujo de electrones.

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

a) Corriente continua: Abreviado como DC, es aquella en la cual las cargas se mueven en una sola dirección. Las pilas y baterías producen este tipo de corriente.

b) Corriente alterna: Abreviada AC, es aquella en la cual las cargas fluyen en una dirección y luego en dirección opuesta. Su polaridad cambia de forma cíclica en el circuito. Las veces (ciclos) o “frecuencia” en que cambia por segundo se mide en hertz (Hz).

En un circuito los electrones circulan desde el polo negativo al polo positivo, este es el sentido de la corriente, la que recibe el nombre de corriente real. Pero los técnicos usan una corriente convencional, donde el sentido del movimiento es el contrario de la corriente real, es decir, el sentido es del polo positivo al polo negativo.

Diferencia de potencial

La diferencia de potencial (o tensión) entre dos puntos es la energía que hay que dar a una carga positiva para desplazarla desde un punto al otro. La unidad de medida es el voltio (V).

Del mismo modo que se necesita una presión para que circule agua por una tubería, se necesita tensión (fuerza) para que circule la corriente eléctrica por un conductor.

El instrumento para medir la diferencia de potencial, tensión o voltaje es el voltímetro. Este se conecta en paralelo en el circuito a medir.

La intensidad de corriente

Es la cantidad de carga eléctrica que circula por un conductor por unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A). Corresponde al paso de un coulomb de carga cada segundo.

El instrumento que mide la intensidad es el amperímetro. Se conecta en serie en el circuito a medir.

Resistencia

Los electrones, al moverse a través de un conductor, deben vencer una resistencia; en los conductores metálicos, esta resistencia proviene de las colisiones entre los electrones. La resistencia eléctrica de un conductor se define como la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente a través de él.

La unidad de resistencia es el ohmio (W o Ω): resistencia que ofrece un conductor cuando por él circula un amperio y entre sus extremos hay una diferencia de potencial de un voltio.

La resistencia eléctrica de un conductor depende de su naturaleza, de su longitud y de su sección.

A mayor longitud, mayor resistencia. A mayor sección, menos resistencia.

R = • ρ L/S

ρ es una constante que depende del material, llamada resistividad.

Ver: Cálculo de la resistencia eléctrica según tipo y forma del conductor

Ley de Ohm

La diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor es directamente proporcional a la intensidad que circula por él. La relación entre estos factores constituye una ley fundamental.

V = I • R

Elementos de un circuito

Un circuito eléctrico es el camino o ruta por donde pasa la corriente eléctrica. Para esto necesitamos un conjunto de elementos conductores conectados para transmitir la electricidad.

El generador o fuente de energía para mover las cargas eléctricas. La resistencia o material que dificulta o permite el paso de la corriente. Los cables de conexión entre la fuente y los aparatos eléctricos El interruptor o punto de control de corriente: cerrado o abierto.

Ejemplo:

Circuito en serie

Tiene sólo un camino de recorrido para la corriente. Si más de un componente es conectado en este circuito toda la corriente fluirá a través de dicho camino.

Las ampolletitas del árbol de Pascua están conectadas en serie, si tú sacas una de ellas (o si se quema) se apagan todas porque el circuito queda interrumpido.

Las características de las resistencias conectadas en serie son:

a) por cada resistencia circula la misma corriente

I = I1 = I2 = I3

Ver: PSU: Física, Pregunta 04_2005Física

b) la tensión de la fuente es igual a la suma de las tensiones de cada una de las resistencias

V = V1 + V2 + V3

c) la resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma de cada resistencia

R = R1  + R2 + R3

Circuito en paralelo

Este circuito tiene más de un camino para que la corriente circule.

 

Las ampolletas de la mesa del comedor están conectadas en paralelo, si se quema una de ellas no se apagan las otras porque cada una está conectado en forma independiente a la fuente de corriente

Las características de las resistencias conectadas en paralelo son:

a) la corriente que produce la fuente es igual a la suma de la corriente que circula por cada resistencia

I = I1 + I2 + I3

b) la tensión de la fuente es igual a la tensión de cada una de las resistencias

V = V1 = V2 = V3

c) la resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma del inverso de cada resistencia

Circuitos eléctricos

 

Es tan común la aplicación del circuito eléctrico en nuestros días que tal vez no le damos la importancia que tiene. El automóvil, la televisión, la radio, el teléfono, la aspiradora, las computadoras y videocaseteras, entre muchos y otros son aparatos que requieren para su funcionamiento, de circuitos eléctricos simples, combinados y complejos. (Ver: Historia del circuito eléctrico)

Pero ¿qué es un circuito eléctrico? Se denomina así el camino que recorre una corriente eléctrica. Este recorrido se inicia en una de las terminales de una pila, pasa a través de un conducto eléctrico (cable de cobre), llega a una resistencia (foco), que consume parte de la energía eléctrica; continúa después por  el conducto, llega a un interruptor y regresa a la otra terminal de la pila.

Los elementos básicos de un circuito eléctrico son: Un generador de corriente eléctrica, en este caso una pila; los conductores (cables o alambre), que llevan a corriente a una resistencia foco y posteriormente al interruptor, que es un dispositivo de control.

Todo circuito eléctrico requiere, para su funcionamiento, de una fuente de energía, en este caso, de una corriente eléctrica.

¿Qué es la corriente eléctrica? Recibe este nombre el movimiento de cargas eléctricas (electrones) a través de un conducto; es decir, que la corriente eléctrica es un flujo de electrones.

¿Qué es un interruptor o apagador? No es más que un dispositivo de control, que permite o impide el paso de la corriente eléctrica a través de un circuito, si éste está cerrado y que, cuando no lo hace, está abierto.

Existen otros dispositivos llamados fusibles, que pueden ser de diferentes tipos y capacidades. ¿Qué es un fusible? Es un dispositivo de protección tanto para ti como para el circuito eléctrico.

Sabemos que la energía eléctrica se puede transformar en energía calorífica. Hagamos una analogía, cuando hace ejercicio, tu cuerpo está en movimiento y empiezas a sudar, como consecuencia de que está sobrecalentado. Algo similar sucede con los conductores cuando circula por ellos una corriente eléctrica (movimiento de electrones) y el circuito se sobrecalienta. Esto puede ser producto de un corto circuito, que es registrado por el fusible y ocasiona que se queme o funda el listón que está dentro de el, abriendo el circuito, es decir impidiendo el paso de corriente para protegerte a ti y a la instalación.

Recuerda que cada circuito presenta Características Particulares. Obsérvalas, compáralas y obtén conclusiones sobre los circuitos eléctricos.

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, en paralelo y de manera mixta, que es una combinación de estos dos últimos.

Tipos de circuitos eléctricos

Circuito en serie

Circuito en paralelo

Circuito con un timbre en serie con dos ampolletas en paralelo

Circuito con una ampolleta en paralelo con dos en serie

Circuito con dos pilas en paralelo

Ver, en Internet:

http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_electrica/ke_corriente_electrica_1.htm

Electricidad: Potencia y resistencia

 

Concepto de energía

Para entender qué es la potencia eléctrica hay que definir antes el concepto de “energía”:

Energía es la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo.

Cuando conectamos un computador o cualquier artefacto eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (ya sea una pequeña batería o una central hidroeléctrica), la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una ampolleta transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria.

De acuerdo con el postulado de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”, en el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.

La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” (en castellano julio) y se representa con la letra “J”.

Potencia eléctrica

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía.

También se puede definir Potencia como la energía desarrollada o consumida en una unidad de tiempo, expresada en la fórmula

Se lee:  Potencia es igual a la energía dividido por el tiempo

Si la unidad de potencia (P) es el watt (W), en honor de Santiago Watt, la energía (E) se expresa en julios (J)  y el tiempo (t) lo expresamos en segundos, tenemos que:

Entonces, podemos decir que la potencia se mide en julio (joule) dividido por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Además, diremos que la unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

Como un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 julio (joule) de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

Para entenderlo, hagamos un símil: Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene.

Cálculo de la potencia

Para calcular la potencia que consume un dispositivo conectado a un circuito eléctrico se multiplica el valor de la tensión, en volt (V), aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre (expresada en ampere).

Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula:

P = V • I  

Expresado en palabras: Potencia (P) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I).

Como la potencia se expresa en watt (W), sustituimos la “P” que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de watt, tenemos también que: P = W, por tanto,

W = V • I

Expresado en palabras: Watt (W) es igual a la tensión (V) multiplicada por la Intensidad (I).

Si conocemos la potencia en watt de un dispositivo y la tensión o voltaje aplicado (V) y queremos hallar la intensidad de corriente (I) que fluye por un circuito, despejamos la fórmula anterior y realizamos la operación matemática correspondiente:

Si observamos la fórmula    W = V • I   veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico son directamente proporcionales a la potencia; es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional.

Entonces podemos deducir que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado.

1 watt = 1 volt · 1 ampere

A modo de ejemplo, resolvamos el siguiente problema:

¿Cuál será la potencia o consumo en watt de una ampolleta conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la ampolleta es de 0,45 ampere?

Sustituyendo los valores en la fórmula tenemos:

P = V • IP = 220 • 0,45P = 100 watt

Es decir, la potencia de consumo de la ampolleta será de 100 W.

Si en el mismo ejemplo quisiéramos hallar la intensidad de la corriente que fluye por la ampolleta y conocemos la potencia y la tensión o voltaje aplicada al circuito, usamos la fórmula

Si realizamos la operación utilizando los mismos datos del ejemplo anterior, tendremos:

 

Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden utilizar cualquiera de las dos fórmulas siguientes:

o

 

Con la primera, el valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito, multiplicando a continuación ese resultado por el valor de la resistencia en ohm o ohmio (Ω) que posee la carga o consumidor conectado al propio circuito.

Ver: PSU: Física, Pregunta 08_2005

Con la segunda fórmula obtenemos el mismo resultado elevando al cuadrado el valor del voltaje de la red eléctrica y dividiéndolo a continuación por el valor en ohm o ohmio (Ω) que posee la resistencia de la carga conectada.

Kilowatt/hora

Usando el watt y el segundo resultan unidades muy pequeñas, por ello, para medir la potencia eléctrica se usa otra unidad llamada kilowatt-hora.

Esta unidad proviene de despejar energía (E) de la ya conocida ecuación

Despejando la ecuación, la energía queda

Entonces la unidad de energía sería

1 julio = 1 watt x 1 segundo pero 1 kilowatt = 1.000 watt y 1 hora = 3.600 segundos, por lo tanto:

1 Kilowatt-hora = 1 KWh = 1.000 watt x 3.600 segundos = 3,6 x 106 julios

 

O, también:

1 KWh = 3.600.000 julios

 

Cuando la corriente circula por un conductor, los electrones pierden energía al colisionar al interior del conductor, como consecuencia de esto, aumenta la temperatura; es decir, la energía eléctrica se disipa en forma de calor. Si el conductor es muy fino, éste se calienta hasta ponerse incandescente, este efecto tiene aplicación en estufas, hornos eléctricos, ampolletas, etc.

Una de las aplicaciones más útiles de la energía eléctrica es su transformación en calor. Como el calor es una forma de energía, se mide en julios, pero existe una unidad para medir el calor: la caloría. Esta se puede transformar en julios por medio de principio de equivalencia definido por James Joule, que establece

1 julio = 0,24 calorías

 

Entonces, para encontrar el calor proporcionado por una corriente eléctrica, basta multiplicar la energía en joule por 0,24; es decir, el calor se puede obtener de la siguiente forma:

Q = P t x 0,24 calorías

 

siendo esta fórmula la expresión de la ley de Joule cuyo enunciado es el siguiente:

"El calor desarrollado por una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al tiempo, a la resistencia del conductor y al cuadrado

de la intensidad de la corriente."

 

Ejercicios:

1.- Una ampolleta tiene las siguientes características: 100 watt, 220 voltios. Calcula

a) La intensidad de la corriente que pasa por la ampolleta cuando la encendemos

b) La resistencia del filamento de la ampolleta

c) El calor que desprende la ampolleta en media hora

d) La energía consumida en una semana si está encendida durante 5 horas diarias

2.- La potencia de una lavadora es 1.800 watt, si un generador le suministra una corriente de 8,18 A, ¿a qué tensión está conectada?

3.- Un generador transporta una carga de 800 Coulomb (C), si su potencia es de 120 watt, ¿qué energía suministra el generador si al conectarlo a un conductor hace circular una corriente de 10 A?

4.- ¿Qué corriente fluye por un artefacto si consume una potencia de 1200 watt y se conecta a una diferencia de potencial de 220 voltios?

5.- La energía que suministra un generador para trasladar una carga de 500 Coulomb es de 3,5x105 julios (joules). Calcular la potencia del generador si se conecta a un conductor y hace circular una carga de 12 A.

6.- Una estufa de 3 kW se enciende durante 2 horas 48 minutos ¿Cuántas calorías se desprenden en ese tiempo?

7.- Una ampolleta de 100 W se conecta a 220 volt

a) ¿Qué intensidad la atraviesa?

b) ¿Cuál es su potencia?

c) ¿Cuántas calorías desprende en 1/2 hora?

8.- Por un anafe eléctrico conectado a la red pública circula una corriente de 400 mA

a) ¿Cuál es la resistencia de su filamento?

b) ¿Qué energía consume en 5 horas?

c) Calcule las calorías que desprende en 100 seg

9.- Se tiene un generador eléctrico de 880 watt el cual se emplea para el alumbrado de una casa. ¿Cuántas ampolletas en paralelo de 220 volt pueden alimentarse si cada una necesita 0,25 A para encender correctamente?

10.- Para proteger la instalación eléctrica de una casa se usan tapones de 10 A. ¿Se quemarán si se encienden al mismo tiempo 20 ampolletas de 75 watt cada una, 4 estufas de 500 watt cada una, una cocina de 800 watt y un termo de 1 Kw?

11.- En una casa se encienden simultáneamente 50 ampolletas de 100 watt cada una y 2 estufas de de 800 watt cada una. Si la instalación usa tapones de 25 A, ¿se quemarán?

Resistencia eléctrica

Se denomina resistencia eléctrica (R) de una sustancia o materia a la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicha sustancia.

Depende de varios factores:

- Naturaleza del material con el que está hecho el conductor.

- Su geometría (su extensión y superficie, área o sección).

Su valor viene dado en ohms o ohmios, se designa con la letra griega omega mayúscula (Ω), y se mide con el Óhmetro.

Según sea la magnitud de esta oposición, las sustancias se clasifican en conductoras, aislantes y semiconductoras. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

La relación entre la Intensidad de una corriente eléctrica, la tensión (o diferencia de potencial) y la resistencia que se opone a dicha corriente está expresada en la llamada ley de Ohm.

Ver: Ley de Ohm

Ver: Cálculo de la resistencia eléctrica según el tipo y la forma del conductor.

 

Asociación de resistencias

A una misma fuente de corriente se pueden conectar o asociar dos o m ás resistencias; esto se puede hacer de dos maneras: en serie y en paralelo.

En la práctica, muchas resistencias son aparatos que transforman la energía  eléctrica en otra diferente. Ejemplos: lavadoras, maquinilla de afeitar, planchas, hornillos, etc...   

Resistencias en serie

En la figura se han conectado tres ampolletas en serie

Las ampolletitas del árbol de Pascua están conectadas en serie, si sacas una de ellas (o se quema) se apagan todas porque el circuito queda interrumpido.

Las características de las resistencias conectadas en serie son:

a) por cada resistencia circula la misma corriente

I = I1 = I2 = I3

b) la tensión de la fuente es igual a la suma de las tensiones de cada una de las resistencias

V = V1 + V2 + V3

c) la resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma de cada una de las resistencias

R = R1 + R2 + R3

Resistencias en paralelo

En la figura se han conectado tres ampolletas en paralelo

Las ampolletas de una mesa del comedor están conectadas en paralelo, si se quema una de ellas no se apagan las otras porque cada una está conectada en forma independiente a la fuente de corriente.

Las características de las resistencias conectadas en paralelo son:

a) la corriente que produce la fuente de corriente es igual a la suma de la corriente que circula por cada resistencia

I = I1 + I2 + I3

b) la tensión de la fuente es igual a la tensión de cada una de las resistencias

V = V1 = V2 = V3

c) la resistencia equivalente a todas ellas es igual a la suma del inverso de cada resistencia

Ejercicios:

1.- Conecta tres ampolletitas de linterna en serie y luego conecta tres ampolletitas en paralelo

a) comprueba que si sacas una ampolletita de la conexión en serie, se apagan todas

b) comprueba que si sacas una ampolletita de la conexión en paralelo, no se apagan

2.- Calcula la resistencia equivalente en cada circuito

3.- Aplicando la ley de Ohm calcula la intensidad de corriente que circula por cada circuito

4.- Calcula la tensión de la fuente en cada circuito

Corto circuito

Se produce un cortocircuito cuando no hay resistencia y esto ocurre:

a) cuando se unen los polos de un generador

b) cuando se ponen en contacto los polos de una toma de tensión con un cable sin resistencia

c) cuando el aislamiento de un conductor está dañado y se ponen en contacto los alambres

d) cuando el casquillo de una ampolleta está mal aislado

Según la ley de Ohm, si la resistencia es muy pequeña, la intensidad de corriente aumenta y puede aumentar tanto que el alambre puede llegar a ponerse incandescente, existiendo el peligro de que se produzca un incendio.

Ver: PSU: Física, Pregunta 04_2005Física

Importancia de la electricidad

 

La electricidad es una de las principales formas de energía usadas en el mundo actual. Sin ella no existiría la iluminación conveniente, ni comunicaciones de radio y televisión, ni servicios telefónicos, y las personas tendrían que prescindir de aparatos eléctricos que ya llegaron a constituir parte integral del hogar.

Además, sin la electricidad el transporte no sería lo que es en la actualidad. De hecho, puede decirse que la electricidad se usa en todas partes.

La electricidad es una manifestación de la materia, producida por el átomo y sus pequeñas partículas llamadas electrones y protones. Estas partículas son demasiado pequeñas para verlas, pero existen en todos los materiales.

El átomo está formado por tres tipos de partículas: electrones, protones y neutrones. Los protones y neutrones se localizan en el centro o núcleo del átomo y los electrones giran en órbita alrededor del núcleo.

El protón tiene carga positiva.

El electrón tiene carga negativa.

La carga de un electrón o un protón se llama electrostática. Las líneas de fuerza asociadas en cada partícula producen un campo electrostático. Debido a la forma en que interactúan estos campos, las partículas pueden atraerse o repelerse entre sí. La ley de las cargas eléctricas dice que las partículas que tienen cargas iguales se repelen y las que tienen cargas opuestas se atraen.

 

Ley de cargas

Un protón (+) repele a otro protón (+)

Un electrón (-) repele a otro electrón (-)

Las propiedades de un átomo dependen del número de electrones y protones.

Si el número de protones es mayor al de electrones, tendrá una carga positiva. Si el número de protones es menor al de electrones tendrá una carga negativa. Los átomos cargados reciben el nombre de iones. Los átomos con igual número de protones y electrones son eléctricamente neutros.

 

 

Electricidad en el hogar

El uso de la electricidad en la vida moderna es imprescindible. Difícilmente una sociedad puede concebirse sin el uso de la electricidad.

La industria eléctrica, a través de la tecnología, ha puesto a la disposición de la sociedad el uso de artefactos eléctricos que facilitan las labores del hogar, haciendo la vida más placentera.

Las máquinas o artefactos eléctricos que nos proporcionan comodidad en el hogar, ahorro de tiempo y disminución en la cantidad de quehaceres, se denominan electrodomésticos.

Un protón (+) atrae a un electrón (-)

Entre los electrodomésticos más utilizados en el hogar citaremos: cocina eléctrica, refrigerador, tostadora, microonda, licuadora, lavaplatos, secador de pelo, etc.

Existe también otro tipo de artefactos que nos proporcionan entretenimiento, diversión, y que son también herramientas de trabajo y fuentes de información como: el televisor, el equipo de sonido, los video juegos, las computadoras, etc.

 

Electricidad en la comunidad

La electricidad en la comunidad se manifiesta, entre otros, a través de: alumbrado público en plazas, parques, autopistas, túneles, carreteras, etc., con el fin de proporcionar seguridad y visibilidad a los peatones y mejor desenvolvimiento del tráfico automotor en horas nocturnas; los semáforos en la vía pública permiten regular y controlar el flujo de vehículos.

También en los medios de comunicación apreciamos la importancia de la electricidad, ya que el funcionamiento de la radio, televisión, cine, la emisión de la prensa, etc. depende en gran parte de este tipo de energía.

Desde que la electricidad fue descubierta, siempre estuvo al servicio de la medicina a través de los distintos instrumentos y máquinas usadas en esta área (equipos para radiaciones de cobalto, equipos de rayos X, equipos para tomografías, equipos para electrocardiogramas, etc.), y ha contribuido a numerosos avances en la ciencia e investigación.

Diversas herramientas y maquinarias que funcionan con electricidad son empleadas en nuestra comunidad para reparar o acondicionar nuestras urbanizaciones.

 

Electricidad en la industria

La necesidad de aumentar la producción de bienes a un mínimo costo obligó a reemplazar la mano de obra por maquinarias eficientes. Esto pudo llevarse a cabo en forma masiva a raíz del desarrollo de los motores eléctricos.

En una empresa de bebidas gaseosas podemos observar como las correas transportadoras llevan las botellas a las máquinas llenadoras tapadoras para ser llenadas y luego son transportadas para ser empacadas, estas máquinas necesitan energía eléctrica para su operación.

Para ver más, ir a Electricidad: Usos y conversión

 

Fuentes de energía en la naturaleza

En la naturaleza encontramos la electricidad atmosférica, manifestándose a través del rayo. Este fenómeno natural contiene gran carga eléctrica y al acercarse a la tierra se transforma en energía calórica y luminosa.

Ya conocemos que las nubes están formadas por un número inmenso de pequeñas gotas de agua, que forman grandes masas suspendidas en el aire.

El roce de una nube con otra, o con los picos de las grandes montañas, puede hacer que éstas adquieran una carga eléctrica extraordinaria.

La nube cargada de electricidad puede ejercer sobre otras nubes, o sobre las porciones más elevadas del suelo, fenómenos de influencia, haciendo que la atracción entre cargas opuestas produzca una descarga violenta.

De este modo se produce el rayo, con la consiguiente manifestación de luminosidad, que es el relámpago, y el ruido producido por la rotura de las capas de aire que constituye el trueno.

En la naturaleza existen diversas fuentes de energía y para convertirlas en electricidad es necesario crear el sistema apropiado

para cada fuente. Estas fuentes de energía son de dos tipos: No Renovables (petróleo, gas, carbón, uranio, plutonio, etc.) y Renovables (agua, luz solar, calor, viento, etc.)

Electroscopio

Es un aparato utilizado en los laboratorios de Física, que sirve para poner de manifiesto la presencia de cargas eléctricas, y determinar si su naturaleza es de carga negativa o positiva. Para medir cargas eléctricas muy pequeñas, se utiliza el llamado electroscopio de Volta.

Efecto Hall

 

Efecto Hall es la medición del voltaje transversal en un conductor cuando es puesto en un campo magnético. Mediante esta medición es posible determinar el tipo, concentración y movilidad de portadores en silicio.

El electromagnetismo enseña que un campo electromagnético variable en el tiempo sólo penetra en un conductor hasta una profundidad del orden del espesor pelicular. El Efecto Hall permite la penetración de un campo magnético rotante y la generación de corriente.

Energía hidroeléctrica.

Pinza para medir efecto

Hall

Este método está siendo utilizado para producir corriente necesaria en experimentos de fusión nuclear por confinamiento magnético.

El científico alemán Klaus von Klitzing obtuvo, en 1985, el Premio Nobel de Física por el descubrimiento del efecto Hall cuántico.

Introducción Teórica al efecto Hall 

El efecto Hall consiste en que en un metal o semiconductor con corriente, situado en un campo magnético perpendicular al vector densidad de corriente, surge un campo eléctrico transversal y un diferencia de potencial. 

La causa del efecto Hall es la desviación que experimentan los electrones que se mueven en el campo magnético bajo la acción de la fuerza de Lorentz.

Las siguientes figuras muestran las direcciones del campo magnético B, de la densidad de corriente J, la fuerza de Lorentz F, la velocidad de las cargas V (según sean estas positivas o negativas), así como los signos de las cargas concentradas en las caras opuestas superior e inferior para cada tipo de carga (negativa y positiva).

La figura 1a) es válida para metales y semiconductores tipo n; para semiconductores tipo p, los signos de las cargas que se

concentran en las superficies son opuestos (figura 1b).

Las cargas siguen siendo desviadas por el campo magnético hasta que la acción de la fuerza en el campo eléctrico transversal equilibre la fuerza de Lorentz.

La diferencia de potencial debida al efecto Hall es, pues, en el equilibrio:

   (1)

Energía hidráulica

 

La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura. La energía potencial, durante la caída, se convierte en cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores.

Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua y,

fig. 1a       fig. 1b

una vez utilizada, es devuelta río abajo. Su desarrollo requiere construir pantanos, presas, canales de derivación y la instalación de grandes turbinas y equipamiento para generar electricidad. Todo ello implica la inversión de grandes sumas de dinero, por lo que no resulta competitiva en regiones donde el carbón o el petróleo son baratos. Sin embargo, el peso de las consideraciones medioambientales y el bajo mantenimiento que precisan una vez estén en funcionamiento centran la atención en esta fuente de energía.

 

La fuerza del agua ha sido utilizada durante mucho tiempo para moler trigo, pero fue con la Revolución Industrial, y especialmente a partir del siglo XIX, cuando comenzó a tener gran importancia con la aparición de las ruedas hidráulicas para la producción de energía eléctrica. Poco a poco la demanda de electricidad fue en aumento. El bajo caudal del verano y otoño, unido a los hielos del invierno hacían necesaria la construcción de grandes presas de contención, por lo que las ruedas hidráulicas fueron sustituidas por máquinas de vapor en cuanto se pudo disponer de carbón.

La primera central hidroeléctrica moderna se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de energía hidroeléctrica eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene un 60% de su electricidad de centrales hidráulicas.

En todo el mundo, este tipo de energía representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento. Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99%), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay, se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.

En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.

Centrales hidroeléctricas

La energía hidroeléctrica es una de las más rentables. El costo inicial de construcción es elevado, pero sus gastos de explotación y mantenimiento son relativamente bajos. Aún así tienen unos condicionantes:

Las condiciones pluviométricas medias del año deben ser favorables

El lugar de emplazamiento está supeditado a las características y configuración del terreno por el que discurre la corriente de agua.

El funcionamiento básico consiste en aprovechar la energía cinética del agua almacenada, de modo que accione las turbinas hidráulicas.

En el aprovechamiento de la energía hidráulica influyen dos factores: el caudal y la altura del salto para aprovechar mejor el agua llevada por los ríos, se construyen presas para regular el caudal en función de la época del año. La presa sirve también para aumentar el salto.

Otra manera de incrementar la altura del salto es derivando el agua por un canal de pendiente pequeña (menor que la del cauce del río), consiguiendo un desnivel mayor entre el canal y el cauce del río.

El agua del canal o de la presa penetra en la tubería donde se efectúa el salto. Su energía potencial se convierte en energía cinética llegando a las salas de máquinas, que albergan a las turbinas hidráulicas y a los generadores eléctricos. El agua al llegar a la turbina la hace girar sobre su eje, que arrastra en su movimiento al generador eléctrico.

 

La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX.

Las turbinas pueden ser de varios tipos, según los tipos de centrales: Pelton (saltos grandes y caudales pequeños), Francis (salto más reducido y mayor caudal), Kaplan (salto muy pequeño y caudal muy grande) y de hélice.

Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas para adecuar el flujo de agua por las turbinas con respecto a la demanda de electricidad. El agua sale por los canales de descarga.

El agua es devuelta al río en las condiciones en que se tomó, de modo que se puede volver a utilizar por otra central situada aguas abajo o para consumo.

La utilización de presas tiene varios inconvenientes. Muchas veces se inundan terrenos fértiles y en ocasiones poblaciones que es preciso evacuar. La fauna piscícola puede ser alterada si no se toman medidas que la protejan.

Se mide en metros o hectómetros cúbicos. Los embalses tienen pérdidas debidas a causas naturales como evaporación o filtraciones.

Conceptos

Nivel: horizontalidad constante de la superficie de un terreno, o de la superficie libre de los líquidos.

Cota: valor de la altura a la que se encuentra una superficie respecto del nivel del mar.

Caudal: cantidad de líquido, expresada en metros cúbicos o en litros, que circula a través de cada una de las secciones de una conducción, abierta o cerrada en la unidad de tiempo.

Salto de agua: paso brusco o caída de masas de agua desde un nivel a otro inferior. Numéricamente se identifica por la diferencia de cota que se da en metros.

Embalse: resulta de almacenar todas las aguas que afluyen del territorio sobre el que está enclavado. Las dimensiones del embalse dependen de los caudales aportados por el río.Su capacidad útil es toda aquélla agua embalsada por encima de la toma de la central. La capacidad total incluye el agua no utilizable.

 

Tipos de centrales hidroeléctricas

Clasificación

Se pueden clasificar según varios argumentos, como características técnicas, peculiaridades del asentamiento y condiciones de funcionamiento.

En primer lugar hay que distinguir las que utilizan el agua según discurre normalmente por el cauce de un río, y aquellas otras a las que ésta llega, convenientemente regulada, desde un lago o pantano. Se denominan:

Centrales de Agua Fluente, Centrales de agua embalsada, Centrales de Regulación, Centrales de Bombeo.

Según la altura del salto de agua o desnivel existente:

Centrales de Alta Presión, Centrales de Media Presión, Centrales de Baja Presión

Centrales de Agua Fluente:

Llamadas también de agua corriente, o de agua fluyente. Se construyen en los lugares en que la energía hidráulica debe ser utilizada en el instante en que se dispone de ella, para accionar las turbinas hidráulicas.

No cuentan prácticamente con reserva de agua, oscilando el caudal suministrado según las estaciones del año. En la temporada de precipitaciones abundantes (de aguas altas), desarrollan su potencia máxima, y dejan pasar el agua excedente. Durante la época seca (aguas bajas), la potencia disminuye en función del caudal, llegando a ser casi nulo en algunos ríos en la época del estío.

Su construcción se realiza mediante presas sobre el cauce de los ríos, para mantener un desnivel constante en la corriente de agua.

Centrales de agua embalsada:

Se alimenta del agua de grandes lagos o de pantanos artificiales (embalses), conseguidos mediante la construcción de presas. El embalse es capaz de almacenar los caudales de los ríos afluentes, llegando a elevados porcentajes de captación de agua en ocasiones. Este agua es utilizada según la demanda, a través de conductos que la encauzan hacia las turbinas.

 

Centrales de Regulación:

Prestan un gran servicio en situaciones de bajos caudales, ya que el almacenamiento es continuo, regulando de modo conveniente para la producción. Se adaptan bien para cubrir horas punta de consumo.

Centrales de Bombeo:

Se denominan "de acumulación". Acumulan caudal mediante bombeo, con lo que su actuación consiste en acumular energía potencial. Pueden ser de dos tipos, de turbina y bomba, o de turbina reversible.

La alimentación del generador que realiza el bombeo desde aguas abajo, se puede realizar desde otra central hidráulica, térmica o nuclear.

No es una solución de alto rendimiento, pero se puede admitir como suficientemente rentable, ya que se compensan las pérdidas de agua o combustible.

Centrales de Alta Presión:

Aquí se incluyen aquellas centrales en las que el salto hidráulico es superior a los 200 metros de altura. Los caudales desalojados son relativamente pequeños, 20 m3/s por máquina.

Situadas en zonas de alta montaña, y aprovechan el agua de torrentes, por medio de conducciones de gran longitud.

Centrales de Media Presión:

Aquellas que poseen saltos hidráulicos de entre 200-20 metros aproximadamente. Utilizan caudales de 200m3/s por turbina.

En valles de media montaña, dependen de embalses.

Centrales de Baja Presión:

Sus saltos hidráulicos son inferiores a 20 metros. Cada máquina se alimenta de un caudal que puede superar los 300m3/s.

Ventajas

La energía hidroeléctrica en general, y su uso en particular, presenta ciertas ventajas sobre otras fuentes de energía, como son:

Disponibilidad: Es un recurso inagotable, en tanto en cuanto el ciclo del agua perdure.

No contamina" (en la proporción que lo hacen el petróleo, carbón, etc.): Nos referimos a que no emite gases "invernadero" ni provoca lluvia ácida, es decir, no contamina la atmósfera, por lo que no hay que emplear costosos métodos que limpien las emisiones de gases.

Produce trabajo a la temperatura ambiente: No hay que emplear sistemas de refrigeración o calderas, que consumen energía y, en muchos casos, contaminan, por lo que es más rentable en este aspecto.

Almacenamiento de agua para regadíos

Permite realizar actividades de recreo (remo, bañarse, etc.)

Evita inundaciones por regular el caudal.

 

Sin embargo, también tiene una serie de inconvenientes:

Las represas: obstáculos insalvables. Salmones y otras especies que tienen que remontar los ríos para desovar se encuentran con murallas que no pueden traspasar.

"Contaminación" del agua. El agua embalsada no tiene las condiciones de salinidad, gases disueltos, temperatura, nutrientes, y demás propiedades del agua que fluye por el río.

Privación de sedimentos al curso bajo. Los sedimentos se acumulan en el embalse empobreciéndose de nutrientes el resto de río hasta la desembocadura.

Central Ralco

Problemas sociales, económicos, burocráticos y hasta climáticos, no pudieron impedir que una de las obras de ingeniería más importantes del país viera

finalmente la luz.

Ralco es una central tipo

embalse de 155 metros de altura y 360 metros de

longitud. Propiedad de Endesa Chile,

tuvo un costo de US$570 millones.

Fue en 1990 cuando los ejecutivos de Endesa comenzaron a proyectar una gran iniciativa de generación hidroeléctrica para el país, un megaproyecto -revolucionario para su época- que asegurara el suministro eléctrico de Chile por varios años.

Aunque desde esa fecha el proyecto era un hecho en el papel, lo cierto es que no fue hasta 1997 que la central hidroeléctrica Ralco pudo comenzar a materializarse, ello gracias a la aprobación en junio de ese año y por parte de la Comisión Nacional de Medio Ambiente (Conama), del Estudio de Impacto Ambiental (EIA) necesario para poder iniciar la construcción de la infraestructura.

Cronología de las obras

Ralco se ubica en la zona del Alto Bío Bío, distante 120 kilómetros al sureste de Los Angeles. El área, que se caracteriza por poseer un clima principalmente lluvioso y

relativamente frío, alojaba alrededor de 4.000 pobladores de la etnia pehuenche.

Las primeras obras realizadas en la zona por Endesa Chile, propietaria de la central, se llevaron a cabo en febrero de 1998 y consistieron en la habilitación de los caminos interiores de la presa. Pero no fue hasta un año después que la energética pudo iniciar las obras de excavación de las fundaciones en el lugar exacto donde se erigiría la central, entre las cotas 520 y 730 metros sobre el nivel del mar (m.s.n.m.).

La bocatoma de la central se ubica en la ribera sur del embalse, a poca distancia del cuerpo de la presa, la que permite captar el caudal de diseño de la central.

En mayo de 1999 se dio inicio a las obras de excavación de la caverna de máquinas y del túnel de aducción (de 9,2 metros de diámetro y 7 kilómetros de longitud, y enteramente revestido con hormigón), y un año y medio después, es decir en diciembre de 2000, la empresa tomó la decisión de iniciar el desvío de las aguas del río Bío Bío (que drena una cuenca hidrográfica de aproximadamente 24.000 km2 y recorre unos 400 kilómetros desde su nacimiento en la laguna Galletué hasta su desembocadura en el mar), encauzándolas a través del túnel de desvío, excavado en la ribera norte, de 500 metros de largo y 13,5 metros de diámetro.

En el extremo aguas abajo del túnel de aducción se ubica una chimenea de equilibrio para regular los efectos de los fenómenos hidráulicos transitorios, causados por la operación de las unidades generadoras. Un poco más abajo, la aducción continúa en forma de pique vertical y luego por un túnel inferior, el cual se bifurca y da origen a dos túneles blindados que llevan las aguas a cada una de las dos turbinas de la central.

Por esos días, las obras estaban siendo fuertemente cuestionadas en la opinión pública a raíz de una decidida campaña iniciada por un grupo de familias pehuenches que se negaban a abandonar los terrenos prontos a ser inundados.

Sin embargo, si bien fue un problema que sólo se logró resolver en la etapa final del proyecto, en 2003 y luego que Endesa Chile tuviera que desembolsar una alta suma de dinero para compensar a las familias por sus terrenos (alrededor de $ 200 millones y 70 hectáreas por familia) ésta no fue la peor dificultad que debió sortear Ralco.

El gran inconveniente vino en 2001 de manos de la naturaleza, luego que las constantes lluvias en la zona hicieron incrementar el caudal de las aguas del Bío Bío, que arrasó con la ataguía ubicada aguas arriba del sector de la presa. Este traspié obligó a atrasar la entrega y entrada en operación de la central en al menos seis meses. Luego, 2002, en agosto y octubre crecidas en el Bio-bío sobrepasaron la represa en construcción.

Si bien la obra gruesa experimentó un retraso, en forma paralela y manteniendo los tiempos se continuó con las labores en la caverna de máquinas, a la que se accede a través de un túnel de 280 m de longitud. Esto dio pie para

El embalse permite

acumular alrededor de

1.200 millones de m3 de los cuales

cerca 800 millones de m3

pueden ser utilizados en regulación.

la colocación y montaje de equipos como las vigas del puente de grúa.

El año 2002 es tal vez uno de los períodos en donde la central experimentó mayor avance. En enero se dio inicio a la colocación del Hormigón Compactado con Rodillo HCR) y en febrero, los técnicos e ingenieros del proyecto recibieron en puerto uno de los dos transformadores de la caverna de máquinas, el primer equipo en hacer arribo. Este llegó a Ralco un mes después.

A mediados del mismo año, el nivel de las aguas del embalse alcanzó el nivel de la atapresa. En ese momento Endesa creyó adecuado continuar el hormigonado por capas completas, proceso que culminó recién en octubre de 2003. Antes, en marzo, Ralco había completado el millón de m3 de HCR en la presa.

Concluido el hormigonado, la siguiente fase fue dedicarse al evacuador de crecidas, provisto de tres compuertas de regulación que permite evacuar hasta un caudal de 6.550 m3/s (equivalente a una crecida con período de retorno de 1.000 años). Este también contempla un desagüe de fondo que permitió controlar el llenado del embalse una vez que se realizó el cierre del túnel de desvío y, por otro, descargar el caudal de sostenimiento ecológico, el que forma parte de los compromisos ambientales.

Paralelamente al trabajo en exterior, se avanzó con el montaje del primer equipo (uno de los dos estatores) en el foso de la Unidad N° 1, lo que se llevó a cabo en octubre de 2002. Cinco meses después se da por finalizada la etapa de colocación de las dos turbinas del tipo Francis de Alstom, de eje vertical y 285 MW de potencia, y sus respectivos transformadores.

En tanto, la excavación del túnel de aducción se dio por concluida cuando se produjo el encuentro de los dos frentes de trabajo en marzo de 2004. Las cuadrillas -luego de cuatro años de trabajo- se reunieron en el kilometraje 4.286,7. Esto dio paso al llenado del embalse (en abril) y del túnel (en agosto), faenas que se vieron complementadas con la terminación de la instalación de las compuertas del vertedero en la presa.

En tanto, las turbinas comenzaron su período de prueba en seco. Con el llenado del túnel y del embalse -que gracias a las lluvias caídas en la zona durante algunas semanas apuraron el proceso, completando los 125 metros de altura en sólo algunos días- permitieron probar los generadores con agua (la que después de ser utilizada es devuelta al río a través de un túnel de evacuación de 12,5 metros de diámetro y 200 meros de longitud). Esto fue la antesala de la sincronización de ambas unidades con el Sistema Interconectado Central (SIC), lo que ocurrió en agosto, y el comienzo de la entrega de energía en forma constante al sistema, lo que efectivamente ocurre desde septiembre.

La energía generada en Ralco pasa a través de la subestación eléctrica encapsulada y barras de 220 kV que se encuentran a un costado de la sala de máquinas, las que conducen la energía al exterior por medio de una galería de 60 metros de longitud. En el exterior se ubican las mufas terminales de las barras encapsuladas y allí se origina la línea de transmisión de 2 x 220 kV que lleva la energía hasta la subestación eléctrica Charrúa, situada en las cercanías de Cabrero.

La central hidroeléctrica

Aunque la inauguración de Ralco se llevó a cabo el 27 de septiembre, lo cierto es que la central estaba inyectando 390 MW de energía desde mediados de agosto a través del funcionamiento de una de las turbinas, la que originalmente se tenía previsto que generara 285 MW. La restante terminaba su período de prueba.

Ralco, cuyo costo fue de US$570 millones, es una central tipo embalse con 1,5 millones m3 de hormigonado, con una altura total de 155 metros y 360 metros de longitud, volumen total de 1.200 millones de m3 de los cuales cerca de 800 millones de m3 pueden ser utilizados en regulación, una aducción en túnel de siete kilómetros de extensión a través del cual se transporta el agua hasta la casa de máquinas subterránea alojada en una caverna en un macizo rocoso cercano a la confluencia del río Bío Bío con el río Huiri-Huiri, aguas arriba de la cola del embalse Pangue. Es allí donde se alojan los equipos de

generación.

Pensada para generar 570 MW de potencia, producto de un caudal de diseño de 368 m3/s y una caída neta de 175 metros (unque el caudal medio se pensó en 232 m3/s), estudios posteriores revelaron que la capacidad máxima de Ralco puede alcanzar los 690 MW. Actualmente la central está generando 640

MW, pero Endesa Chile ya pidió a las autoridades ambientales los permisos pertinentes que posibiliten inyectar los 690 MW, generación que se consigue cuando el embalse está al máximo, es decir 725 m.s.n.m., y gracias a los 452 m3/s de agua que hacen rodar las turbinas. Así, la central debiese sobrepasar los 3.100 GWh que Endesa tenía previsto generar anualmente.

Con esto, Ralco es responsable de inyectar el 10% del total de la energía consumida en el SIC.

Central termoeléctrica

 

Esquema básico de una central termoeléctrica:

Termal Energy (Energía termal), se convierte en Kinetic Energy (Energía cinética) y ésta,  a su vez, se convierte en Electricidad.

Oxigene + gas  =  Oxígeno y gas (combustible)Boiler =  caldera o quemadorWater  =  aguaSteam =  vapor de aguaTurbine =  TurbinaSwitch =  Contacto o conectorTransmisión lines = cables de trasmisión

 

Centrales termoeléctricas ChileNombre Capacidad (MW) Año

Ventanas 338,00  Renca 100,00  Laguna Verde 54,70  El Indio 18,80  Concepción (gas) 23,75 1982Huasco (gas) 74,23 1977Diego de Almagro (gas) 23,75 1961Bocamina (carbón) 125,00 1970Huasco (carbón) 16,00 1965Mejillones (gas) 72,99 1993     

 

Centrales hidroeléctricas

 

La función de una central hidroeléctrica es utilizar la energía potencial del agua almacenada y convertirla, primero en energía mecánica y luego en eléctrica.

Esquema general de una central hidroeléctrica

Una masa de agua en desnivel (en

altura) posee una cierta energía

potencial acumulada. Al caer el agua, la

energía se convierte en cinética (de

movimiento) y hace girar una

turbina, la cual, a su vez, acciona un

generador que produce la corriente eléctrica.

 

Una central hidroeléctrica

tipo

1. Agua embalsada, 2.

Presa, 3. Rejillas filtradoras, 4.

Tubería forzada, 5. Conjunto

turbina-alternador, 6.

Turbina, 7. Eje, 8. Generador, 9.

Líneas de transporte de

energía eléctrica, 10.

Transformadores(Ampliar imagen)

 

Ventajas de las centrales hidroeléctricas:

1. No requieren combustible, sino que usan una forma renovable de energía, constantemente repuesta por la naturaleza de manera gratuita.

2. Es limpia, pues no contamina ni el aire ni el agua.

3. A menudo puede combinarse con otros beneficios, como riego, protección contra las inundaciones, suministro de agua, caminos, navegación y aún ornamentación del terreno y turismo.

4. Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.

5. Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una duración considerable.

6. La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse en marcha y detenerse con rapidez y requiere poca vigilancia siendo sus costes de mantenimiento, por lo general, reducidos.

Algunas desventajas de las centrales hidroeléctricas:

1. Los costos de instalación iniciales son muy altos.

2. Su ubicación, condicionada por la geografía natural, suele estar lejos de los centros de consumo y obliga a construir un sistema de transmisión de electricidad, aumentando los costos de inversión y de mantenimiento y aumentando la pérdida de energía.

3. La construcción implica mucho tiempo en comparación con la de las centrales termoeléctricas.

4. El espacio necesario para el embalse inunda muchas hectáreas de terreno.

5. La disponibilidad de energía puede fluctuar, de acuerdo con el régimen de lluvias, de estación en estación y de año en año.

Tipos de Centrales Hidroeléctricas

Central Hidroeléctrica de Pasada

Una central de pasada es aquella en que no hay acumulación apreciable de agua para accionar las turbinas.

En una central de este tipo las turbinas deben aceptar el caudal natural del río, con sus variaciones de estación en estación. Si este es mayor a lo necesario, el agua sobrante se pierde por rebalse.En ocasiones un embalse relativamente pequeño bastará para impedir esa pérdida por rebalse.

Esquema de una central de Pasada

Corte vertical

 

Normalmente, en una central de pasada, se aprovecha un estrechamiento del río, y la obra del edificio de la central (casa de máquinas) puede formar parte de la misma presa.

El desnivel entre "aguas arriba" y "aguas abajo", es reducido, y si bien se forma un remanso de agua a causa del necesario embalsamiento mínimo (azud),  no es demasiado grande.

Este tipo de central requiere un caudal suficientemente constante para asegurar durante el año una potencia determinada.

Central Hidroeléctrica con Embalse de Reserva

En este tipo de proyecto se embalsa un volumen considerable de líquido "aguas arriba" de las turbinas mediante la construcción de una o más presas que forman lagos artificiales.

El embalse permite graduar la cantidad de agua que pasa por las turbinas. Del volumen embalsado depende la cantidad que puede hacerse pasar por las turbinas.

Con embalse de reserva puede producirse energía eléctrica durante todo el año aunque el río se seque por completo durante algunos meses , cosa que sería imposible en un proyecto de pasada.

Las centrales con almacenamiento de reserva exigen por lo general una inversión de capital mayor que las de pasada, pero en la mayoría de los casos permiten usar toda la energía posible y producir kilovatios-hora más baratos.

Esquema de una central con

embalse

Corte vertical

 

La casa de máquinas suele estar al pie de la presa, como ilustra el dibujo superior; en estos tipos de central, el desnivel obtenido es de caracter mediano.

Centrales Hidroeléctricas de Bombeo

Central de bombeo tipo

1. Embalse superior, 2. Presa,

3. Galeria de conducción, 4-5. Tuberia forzada,

6. Central, 7. Turbinas y

generadores, 8. Desagües, 9.

Líneas de transporte de

energía eléctrica, 10. Embalse inferior o río.

(Ampliar imagen)

 

Las centrales de bombeo son un tipo especial de centrales hidroeléctricas que posibilitan un empleo más racional de los recursos hidráulicos de un país.

Disponen de dos embalses situados a diferente nivel. Cuando la demanda de energía eléctrica alcanza su máximo nivel durante el día, las centrales de bombeo funcionan como una central convencional generando energía.

Al caer el agua, almacenada en el embalse superior, hace girar el rodete de la turbina asociada a un alternador.

Después el agua queda almacenada en el embalse inferior. Durante las horas del día en la que la demanda de energía es menor el agua es bombeada al embalse superior para que pueda iniciar el ciclo productivo nuevamente.

Para ello la central dispone de grupos de motores-bomba o, alternativamente, sus turbinas son reversibles de manera que puedan funcionar como bombas y los alternadores como motores.

Principales componentes de una Central Hidroeléctrica

Dentro de los principales componentes tenemos: la pPresa o represa, los aliviaderos, las tomas de agua, canales de derivación, la chimenea de equilibrio, las tubería forzadas, la casa de máquinas, las turbinas hidráulicas y los generadores.

La Presa o Represa

El primer elemento que encontramos en una central hidroeléctrica es la presa o azud, que se encarga de atajar el río y embalsar las aguas.

Con estas construcciones se logra un determinado nivel del agua antes de la contención, y otro nivel diferente después de la misma. Ese desnivel se aprovecha para producir energía.

Las represas pueden clasificarse por el material empleado en su construcción en: represas de tierra y represas de hormigó; estas últimas son las más utilizadas.

Represa de tierra

Represa de

hormigón

 

Los Aliviaderos

Los aliviaderos son elementos vitales de la presa que tienen como misión liberar parte del agua detenida sin que esta pase por la sala de máquinas.

Se encuentran en la pared principal de la represa y pueden ser de fondo o de superficie.

La misisón de los aliviaderos es liberar, si es preciso, grandes cantidades de agua o atender necesidades de riego.

Para evitar que el agua pueda producir desperfectos al caer desde gran altura, los aliviaderos se diseñan para que la mayoría del líquido se pierda en una cuenca que se encuentra al pie de la represa, llamada de amortiguación.

Para conseguir que el agua salga por los aliviaderos existen grandes compuertas de acero que se pueden abrir o cerrar a voluntad, según la demanda de la situación.

Tomas de agua

Las tomas de agua son construcciones adecuadas que permiten recoger el líquido para llevarlo hasta las máquinas por medios de canales o tuberías. Estas tomas, además de unas compuertas para regular la cantidad de agua que llega a las turbinas, poseen unas rejillas metálicas que impiden que elementos extraños como troncos, ramas, etc. puedan llegar a los álabes y producir desperfectos.

Canal de derivación

El canal de derivación se utiliza para conducir agua desde la presa hasta las turbinas de la central.

Chimenea de equilibrio

Debido a las variaciones de carga del alternador o a condiciones imprevistas se utilizan las chimeneas de equilibrio que evitan las sobrepresiones en las tuberias forzadas y álabes de las turbinas.

La chimenea de equilibrio consiste en un pozo vertical situado lo más cerca posible de las turbinas. Cuando existe una sobrepresión de agua esta encuentra menos resistencia para penetrar al pozo que a la cámara de presión de las turbinas haciendo que suba el nivel de la chimenea de equilibrio. En el caso de depresión ocurrirá lo contrario y el nivel bajará.

Tuberías forzadas

Las estructuras forzadas o de presión, suelen ser de acero con refuerzos regulares a lo largo de su longitud o de cemento armado, reforzado con espiras de hierro que deben estar ancladas al terreno mediante solera adecuadas.

Casa de máquinas

Es la construcción en donde se ubican las máquinas (turbinas, alternadores, etc.) y los elementos de regulación y comando.

En la figura siguiente tenemos el corte esquemático de una central de caudal elevado y baja caida. La represa comprende en su misma estructura a la casa de máquinas.

Se observa en la figura que la disposición es compacta, y que la entrada de agua a la turbina se hace por medio de una cámara construida en la misma represa. Las compuertas de entrada y salida se emplean para poder dejar sin agua la zona de las máquinas en caso de reparación o desmontajes.

Esquema central de caudal elevado

1. Embalse, 2. Presa de

contención, 3. Entrada de agua a las máquinas

(toma), con reja, 4. Conducto de

entrada del agua,

5. Compuertas planas de

entrada, en posición

"izadas", 6. Turbina

hidráulica, 7. Alternador, 8.

Directrices para regulación de la entrada de agua

a turbina, 9. Puente de grua

de la sala de máquinas, 10. Salida de agua

(tubo de aspiración), 11.

Compuertas planas de salida,

en posición "izadas", 12. 

Puente grúa para maniobrar

compuertas de salida, 13.

Puente grúa para maniobrar

compuertas de entrada.

 

En la figura siguiente mostramos el esquema de una central de baja caida y alto caudal, como la anterior, pero con grupos generadores denominados "a bulbo", que están totalmente sumergidos en funcionamiento.

Central de baja caída y alto

caudal

1. Embalse, 2. Conducto de

entrada de agua, 3. Compuertas

de entrada "izadas", 4. Conjunto de bulbo con la turbina y el

alternador, 5. Puente grúa de

las sala de máquina, 6.

Mecanismo de izaje de las

compuertas de salida, 7.

Compuerta de salida "izada", 8.

Conducto de salida.

 

En la figura que sigue se muestra el corte esquemático de una central de caudal mediano y salto también mediano, con la sala de máquinas al pie de la presa.

El agua ingresa por las tomas practicadas en el mismo dique, y es llevada hasta las turbinas por medio de conductos metálicos embutidos en el dique.

Central de caudal y salto medianos

1. Embalse, Toma de agua,

3. Conducto metálico

embutido en la represa, 4.

Compuertas de entrada en posición de

izada, 5. Válvulas de

entrada de agua a turbinas, 6. Turbina, 7.

Alternador, 8. Puente grúa de la central, 9.  Compuerta de salida "izada",

10. Puente grúa para izada de la compuerta de

salida, 11. Conducto de

salida.

 

En la figura siguiente tenemos el esquema de una central de alta presión y bajo caudal. Este tipo de sala de máquinas se construye alejadas de la presa.

El agua llega por medio de una tuberia a presión desde la toma, por lo regular alejada de la central, y en el trayecto suele haber una chimenea de equilibrio.

La alta presión del agua que se presenta en estos casos obliga a colocar válvulas para la regulación y cierre, capaces de soportar el golpe de ariete.

Central de alta presión y bajo

caudal

1. Conducto forzado desde la

chimenea de equilibrio, 2. Válvula de

regulación y cierre, 3. Puente

grúa de sala de válvulas, 4. Turbina, 5.

Alternador, 6. Puente grúa de

la sala de máquinas, 7.

Compuertas de salida, en posición

"izadas", 8. Puente grúa para las compuertas

de salida, 9. Conducto de

salida (tubo de aspiración).

 

Turbinas Hidráulicas

Hay tres tipos principales de turbinas hidráulicas:

La rueda Pelton, que es adecuada para saltos grandes

La turbina Francis, adecuada para salto medianos

La de hélice o turbina Kaplan, muy útil en saltos pequeños.

El tipo más conveniente dependerá en cada caso del salto de agua y de la potencia de la turbina.

Esquema de la rueda Pelton

1. Rodete, 2. Cuchara, 3. Aguja, 4. Tobera, 5.

Conducto de entrada, 6.

Mecanismo de regulación, 7.

Cámara de salida.

 

Un chorro de agua, convenientemente dirigido y regulado, incide sobre las cucharas del rodete que se encuentran uniformemente distribuidas en la periferia de la rueda. Debido a la forma de la cuchara, el agua se desvia sin choque, cediendo toda su energía cinética, para caer finalmente en la parte inferior y salir de la máquina. La regulación se logra por medio de una aguja colocada dentro de la tubera.

Este tipo de turbina se emplea para saltos grandes y presiones elevadas.

Rodete y

cuchara de una turbina Penton.

Turbina Penton

y alternad

or.

 

Para saltos medianos se emplean las turbinas Francis, que son de reacción.

En el dibujo podemos apreciar la forma general de un rodete y el importante hecho de que el agua entre en una dirección y salga en otra a 90º, situación que no se presenta en las ruedas Pelton.

Las palas o álabes de la rueda Francis son alabeadas.

Un hecho también significativo es que estas turbinas en vez de toberas, tienen una corona distribuidora del agua.

Esta corona rodea por completo al rodete. Para lograr que el agua entre radialmente al rodete desde la corona distribuidora existe una cámara espiral o caracol que se encarga de la adecuada dosificación en cada punto de entrada del agua.

El rodete tiene los álabes de forma adecuada como para producár los efectos deseados sin remolinos ni pérdidas adicionales de caracter hidrodinámico.

 

 

Turbina Kaplan

Turbina Francis

 

En los casos en que el agua sólo circule en dirección axial por los elementos del rodete, tendremos las turbinas de hélice o Kaplan.

Las turbinas Kaplan tienen álabes móviles para adecuarse al estado de la carga.

Esta turbinas aseguran un buen rendimiento aún con bajas velocidades de rotación.

Desarrollo de la energía hidroeléctrica

La primera central hidroeléctrica se construyó en 1880 en Northumberland, Gran Bretaña. El renacimiento de la energía hidráulica se produjo por el desarrollo del generador eléctrico, seguido del perfeccionamiento de la turbina hidráulica y debido al aumento de la demanda de electricidad a principios del siglo XX. En 1920 las centrales hidroeléctricas generaban ya una parte importante de la producción total de electricidad.

La tecnología de las principales instalaciones se ha mantenido igual durante el siglo XX y lo que va corrido del actual siglo XXI.

Las centrales dependen de un gran embalse de agua contenido por una presa. El caudal de agua se controla y se puede mantener casi constante. El agua se transporta por unos conductos o tuberías forzadas, controlados con válvulas y turbinas para adecuar el flujo de agua con respecto a la demanda de electricidad. El agua que entra en la turbina sale por los canales de descarga. Los generadores están situados justo encima de las turbinas

y conectados con árboles verticales. El diseño de las turbinas depende del caudal de agua; las turbinas Francis se utilizan para caudales grandes y saltos medios y bajos, y las turbinas Pelton para grandes saltos y pequeños caudales.

Además de las centrales situadas en presas de contención, que dependen del embalse de grandes cantidades de agua, existen algunas centrales que se basan en la caída natural del agua, cuando el caudal es uniforme. Estas instalaciones se llaman de agua fluente o de pasada. Una de ellas es la de las Cataratas del Niágara, situada en la frontera entre Estados Unidos y Canadá.

A principios de la década de los noventa, las primeras potencias productoras de hidroelectricidad eran Canadá y Estados Unidos. Canadá obtiene el 60 por ciento de su electricidad de centrales hidráulicas. En todo el mundo, la hidroelectricidad representa aproximadamente la cuarta parte de la producción total de electricidad, y su importancia sigue en aumento.

Los países en los que constituye fuente de electricidad más importante son Noruega (99 %), Zaire (97%) y Brasil (96%). La central de Itaipú, en el río Paraná, está situada entre Brasil y Paraguay; se inauguró en 1982 y tiene la mayor capacidad generadora del mundo.

La reprresa de Itaipú es un proyecto conjunto de Brasil y Paraguay sobre las aguas del río Paraná, y su central hidroeléctrica, la mayor del mundo, de la que se obtienen importantes recursos energéticos para ambos países y el conjunto regional. Con una altura de 196 m, y 8 km. de largo, cuenta con 14 vertederos que actúan como cataratas artificiales. Como referencia, la presa Grand Coulee, en Estados Unidos, genera unos 6.500 Mw y es una de las más grandes.

En algunos países se han instalado centrales pequeñas, con capacidad para generar entre un kilovatio y un megavatio. En muchas regiones de China, por ejemplo, estas pequeñas presas son la principal fuente de electricidad. Otras naciones en vías de desarrollo están utilizando este sistema con buenos resultados.

Represa de Itaipú.