Electro Tec Nia

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La corriente eléctrica

vamos a conocer... 1. Tipos o formas de manifestarse y producir electricidad 2. Generación y consumo de electricidad 3. Sistemas eléctricos 4. Magnitudes y unidades eléctricas (SI) 5. Conductores, aislantes y semiconductores 6. Trabajo y potencia 7. Corriente continua y corriente alterna 8. Efectos de la corriente eléctrica 9. Circuito eléctrico 10. Circuito eléctrico resistivo de CC 11. Transferencia de máxima potencia 12. Caída de tensión y sección de la línea 13. Efecto Joule PRÁCTICA PROFESIONAL Centrales térmicas en España MUNDO TÉCNICO Seguimiento de las previsiones energéticas

y al finalizar esta unidad... Describirás las distintas formas de manifestarse y generar electricidad. Calcularás la resistencia que ofrecen los distintos conductores eléctricos y a diferentes temperaturas. Describirás el comportamiento de los semiconductores. Definirás las magnitudes básicas del SI así como las magnitudes que intervienen al aplicar la Ley de Ohm en un circuito de CC. Realizarás cálculos de potencia, energía y rendimientos en circuitos eléctricos de CC. Describirás los efectos térmicos, químicos y electrodinámicos de la corriente eléctrica. Realizarás los diagramas de flujo de las distintas centrales de generación de energía eléctrica así como el esquema sinóptico de generación, transporte y distribución de electricidad.

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CASO PRÁCTICO INICIAL situación de partida Iván pertenece a un grupo de alumnos de la ESO que están interesados por su futuro profesional y asiste junto a sus compañeros a una conferencia sobre el tema de actualidad y relevancia, como es:

Iván y alguno de sus compañeros decide estudiar el Grado Medio de FP de Electricidad titulado: «Técnico en Instalaciones Eléctricas y Automáticas» donde tienen que estudiar en esta primera unidad los principios básicos de la electricidad. Entre los que se encuentran:

«ENERGÍAS PRIMARIAS Y PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD»

• La naturaleza de la electricidad, los fenómenos eléctricos y las formas de generar electricidad.

La primera parte de la conferencia incluye las fuentes primarias de energía, tales como el carbón, gas natural, petróleo y nuclear. En una segunda parte de la conferencia se trata de la transformación de esas energías primarias en energía eléctrica, donde se informa de las principales características de los sistemas de potencia destinados a la generación o producción, transporte y distribución de la electricidad. Todo ello despierta en Iván un gran interés y en este grupo de alumnos ven la importancia del sector eléctrico y le van dando sentido a las explicaciones que el profesor les da sobre los temas eléctricos.

• Las magnitudes eléctricas (con sus correspondientes unidades en el SI) como son tensión, resistencia, intensidad, potencia y energía. • Aplicación de la Ley de Ohm a un circuito de CC. • Comportamiento eléctrico de conductores, aislantes y semiconductores. • El sistema eléctrico de potencia desde generación, transporte y distribución hasta el punto de utilización con sus múltiples aplicaciones.

estudio del caso Antes de empezar a leer esta unidad de trabajo, puedes contestar las dos primeras preguntas. Después, analiza cada punto del tema, con el objetivo de contestar al resto de las preguntas de este caso práctico. 1. Describe tres fenómenos de naturaleza eléctrica que podemos detectar por simple observación directa de los mismos. 2. Describe cuatro formas de producir electricidad en la actualidad. 3. Describe cuatro efectos que produce la corriente eléctrica. 4. ¿Qué magnitudes y unidades (según el SI) intervienen en todo circuito eléctrico de CC?.

5. ¿Cómo y con qué aparato se miden la tensión y la intensidad? 6. ¿En qué consiste el transporte y distribución de la energía eléctrica? 7. Describe el principio de funcionamiento de las siguientes centrales generadoras de energía eléctrica: a) térmicas convencionales, b) térmicas de ciclo combinado, c) térmicas nucleares. 8. ¿Qué potencias de generación tenemos instaladas en España?

Primeros indicios sobre la electricidad Desde los años 585 a.C. en los que Tales de Mileto observó que el ámbar al ser frotado era capaz de atraer o repeler trocitos de pasta seca, pasaron 20 siglos hasta que en 1600 Willian Gilbert observó que las piedras preciosas, al ser frotadas, también podían atraer o repeler pequeños objetos. La cuantificación de estos fenómenos de atracción-repulsión se debe a Coulomb, quien, en 1777, inventó la balanza de torsión y en 1785 enunció la ley de la electrostática que lleva su nombre.

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Unidad 1

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1. Tipos y formas de manifestarse y producir electricidad El ámbar frotado en el primer instante atrae trocitos de papel

Atracción Al cabo del tiempo, los trocitos de papel caen

Repulsión a Figura 1.1. Atracción y repulsión de pequeños objetos.

La electrostática es la ciencia que se ocupa de las cargas eléctricas en reposo sobre una superficie. Los fenómenos electrostáticos son de muy difícil observación, debido al pequeñísimo valor cuantitativo que producen las reacciones mutuas entre cargas eléctricas en reposo. Hoy en día, en la industria de fabricación de componentes electrónicos, aparecen problemas creados por la carga electrostática, debido a la gran sensibilidad de los semiconductores y de los circuitos integrados a la electricidad estática.

1.1. Métodos de electrización de los cuerpos Los cuerpos se pueden electrizar conectándolos a una fuente de energía eléctrica (como veremos en electrodinámica), o mediante los siguientes métodos electrostáticos: – Por frotamiento o fricción, casos del ámbar o máquina de Guericke, respectivamente; o por inducción (inicialmente llamada influencia) en el que no hay contacto entre los cuerpos y sí una aproximación. – Por contacto, condensación o acumulación de carga eléctrica (es una variante al primer caso).

Electricidad vítrea o positiva + + + Vidrio + + + e_

1.2. Manifestación del fenómeno electrostático Los fenómenos electrostáticos se nos presentan con frecuencia en nuestra vida cotidiana al frotar un peine con el pelo, tocar una pantalla de televisor, abrir la puerta del coche, etc. Estos fenómenos se manifiestan sin que aparentemente hagamos nada para producirlo.

Paño Electricidad resinosa o negativa _ _ _ Ebonita _ _ _

En la actualidad, para evitar sus efectos perjudiciales, se construyen moquetas antiestáticas, se protegen los puestos de trabajo y se efectúa el apantallamiento electrostático de embalajes (espuma conductora) y aparatos eléctricos e informáticos (filtro de la pantalla del ordenador conectado a tierra).

e_

1.3. Aplicaciones de la electrostática ++++++ Piel de gato

Figura 1.2. Tipos de cargas que adquieren los cuerpos frotados.

Utilizando la fuerza de atracción entre cargas de signo contrario o bien las fuerzas de repulsión entre cargas de igual signo, la electrostática tiene aplicaciones tales como: • La construcción de precipitadores electrostáticos para la recogida de polvo.

a

• La fabricación de lija o papel abrasivo. • La técnica de las fotocopiadoras.

vocabulario Fenómeno electrostático Transferencia de electrones de la superficie de un cuerpo a la superficie de otro cuerpo, sin producción de carga.

• La pintura por rociado. En las aplicaciones citadas lo que producimos es la separación de las cargas de signo contrario. La evolución de las máquinas electrostáticas dio lugar, en 1931, a la primera máquina electrostática moderna llamada: «generador de Van de Graff» (físico norteamericano que la inventó).

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1.4. Electricidad atmosférica: campo eléctrico natural Se produce el fenómeno tormentoso por el desarrollo, a la altura comprendida entre 400 y 10.000 metros, de potentes nubes sombrías de gran desarrollo vertical que van cargadas estáticamente, hasta que el efecto de cizalladura entre nubes, en la zona de la ionosfera, produce la descarga del campo eléctrico, que se dirige hacia abajo a través del rayo.

caso práctico inicial El fenómeno de la tormenta nos manifiesta su naturaleza eléctrica a través del rayo.

_

_

_

_ _ _

70 km

_

40 km

IONOSFERA (Suficiente número de electrones libres)

+ _

Dieléctrico

Rayo

_

_ + _

+

+

+

+

+

+ _

+

+ _

+

+

+

+

Cumulonimbos (Nubes sombrías de gran desarrollo vertical)

Estratosfera (Corrientes horizontales) + _

vocabulario Rayo

40 km

10 km

a

_

_

400 - 10.000 m

Máxima concentración de ozono

_

60 - 600 km

600 km

+

Chispa eléctrica de gran intensidad producida por descarga entre dos nubes, entre la base de una nube y la superficie de la Tierra o en el interior de una nube. Relámpago Manifestaciones luminosas del rayo, siendo el trueno el ruido que las acompaña. Tormenta

+

+

Perturbación atmosférica violenta generalmente acompañada de descargas eléctricas, ráfagas de aire y lluvia, nieve o pedrisco.

Figura 1.3. Fenómeno tormentoso y sus efectos.

Las cargas eléctricas que existen en la ionosfera generan un campo eléctrico natural al que estamos permanentemente sometidos. La magnitud con que se mide es la intensidad de campo eléctrico y su unidad es el voltio/metro. El valor de la intensidad del campo eléctrico en zonas templadas, por término medio, es de 115 voltios/metro a cielo despejado; valor que puede llegar hasta los 15 o 20 kilovoltios/metro cuando se produce una tormenta, lo que puede suponer que la descarga del rayo alcance los 100 millones de voltios con una intensidad comprendida entre 10.000 y 80.000 amperios. Estos valores del campo eléctrico creado en el momento del rayo varían muy rápidamente y liberan gran cantidad de energía que puede producir grandes catástrofes y ninguna aplicación útil.

saber más Véanse protecciones contra sobretensiones en la unidad 12.

1.5. Electricidad dinámica: por reacción química y por inducción electromagnética El paso siguiente a las acciones mutuas de las cargas eléctricas en reposo fue la producción de carga eléctrica y el que circulase a través de un circuito a voluntad del experimentador. De esta forma nació la electrodinámica, que hoy definimos como ciencia, fenómenos y aplicaciones de la electricidad en movimiento. La electrocinética es una rama de la electrodinámica que se ocupa de los efectos caloríficos de las corrientes conducidas y de la distribución de las corrientes en una red, exentas de la acción de campos magnéticos. La principal aplicación es la producción de luz y de calor.

vocabulario Español-Inglés Electricidad: electricity. Electrostática: electrostatics. Carga eléctrica: electric charge. Electrodinámica: electrodynamics. Electrocinética: electrokinetics.

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B

A

Posición inicial

De 0 a I A

B

I Desviación instantánea

De I a 0 B

A

I

a Figura 1.4. Descubrimiento de la inducción electromagnética, según apuntes de Faraday de 29 de agosto de 1831.

vocabulario Transductor Dispositivo que puede ser estimulado por ondas de uno o varios medios o sistemas de transmisión y suministrar las ondas correspondientes en uno o varios medios o sistemas de transmisión distintos. El término «onda» es utilizado en el sentido más amplio posible e incluye conceptos tales como energía, señal, corriente, tensión, presión, movimiento, etc. y tanto si las señales de entrada y salida son del mismo o diferente tipo.

El precursor de la electricidad dinámica fue Luigi Galvani con su equivocada teoría de la electricidad animal publicada en 1791. Teoría estudiada a fondo por Alejandro Volta en 1792, que comprendió la importancia del descubrimiento de Galvani y descubrió que la electricidad no se producía en el nervio de las ancas de rana (como suponía Galvani), sino en el par galvánico que formaba la unión de los dos diferentes metales (generador) con los que tocaba el anca de rana (receptor). Nace así la pila eléctrica como aparato que transforma directamente en energía eléctrica la energía desarrollada en una reacción química de oxidación-reducción (pérdidaganancia de electrones). Faraday descubrió el fenómeno de la inducción electromagnética mediante un montaje, como el circuito de la figura 1.4, en el que observó que, al conectar la batería en la bobina A, inmediatamente aparece un efecto en la aguja magnética, que oscila y se sitúa al fin en su posición original. Interrumpiendo la corriente en la bobina A, otra vez aparece una perturbación de corta duración en la aguja magnética. La producción de la corriente por inducción es un proceso dinámico, pues la corriente en la segunda bobina persiste únicamente en los periodos en que la corriente en la primera bobina aumenta de cero a su valor nominal o disminuye de este valor a cero. La causa de la inducción de corriente en la segunda bobina es la variación de corriente en la primera. La producción de corriente eléctrica por inducción se genera, por una variación de la corriente o por un cambio en la posición del imán, sobre el conductor o viceversa. En la actualidad es la forma de producir electricidad que llamamos según la ley de la inducción electromagnética Faraday-Lenz (veáse Práctica Profesional). Los experimentos de Faraday se sucederían por cierre y apertura de un circuito magnético sobre el cual se ha enrollado una bobina, inducción de las corrientes sin hierro, inducción de las corrientes por aproximación de un imán; y, enfrentándose al fenómeno magnético de Arago (magnetismo de rotación), crea el primer generador de corriente continua conocido con el nombre de disco giratorio de Faraday. En 1832 descubre la fuerza electromotriz de autoinducción. La energía química liberada en la combustión de fósiles (carbón, petróleo, gas) es la principal fuente de energía primaria utilizada en la actualidad. Además de las ya citadas formas de producir electricidad estática (por frotamiento o por inducción) y dinámica (por reacción química o por inducción electromagnética), se puede producir electricidad mediante otras formas, como indicamos a continuación.

1.6. Piezoelectricidad: transductor electromecánico F

+++++++++++ 0 Metal

Cuarzo

-1

+1 G

____________

Figura 1.5. Producción de electricidad por presión.

a

Conocemos con el nombre de piezoelectricidad los fenómenos eléctricos producidos por tensiones mecánicas que determinan la alineación de los cristales de los minerales. La propiedad piezoeléctrica, descubierta por Antoine Becquerel en 1819, solo se manifiesta en algunos minerales, entre los que se encuentran el cuarzo, la turmalina, la blenda, etc. Al efectuar una presión sobre las placas metálicas, las cargas del material presionado, el cuarzo, aparecen en las placas metálicas, lo que se pone de manifiesto al desviarse el galvanómetro, G. El efecto es reversible (efecto piezoeléctrico inverso descubierto por Dippmann, en 1900). En la actualidad, la aplicación de la piezoelectricidad está muy generalizada en el uso de encendedores de gas, micrófonos y auriculares de teléfonos móviles.

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1.7. Termoelectricidad: acción del calor Conocemos con el nombre de termoelectricidad al efecto de producir electricidad mediante la acción de calor. Macedonio Melloni, en 1830, construyó la primera pila térmica: una serie de barras de dos metales diferentes producen corriente cuando uno de los extremos se calienta.

a Cu

La figura 1.6 muestra un par termoeléctrico (termopar) formado por la soldadura de un conductor de constantán (Ko) con un hilo de cobre (Cu). Si calentamos el punto (a), el galvanómetro acusa una pequeñísima desviación de corriente.

b Cu

Ko

a

G

-1

0

+1

Figura 1.6. Par termoeléctrico.

La termoelectricidad solamente tiene aplicaciones importantes para equipos de medida, donde se necesitan medir determinadas temperaturas.

1.8. Fotoelectricidad: radiación solar Conocemos con el nombre de fotoelectricidad al fenómeno de producir electricidad por desprendimiento o emisión de electrones bajo la acción de la luz. La unión de dos tipos de cristales semiconductores tipo N y tipo P constituyen una célula fotoeléctrica sobre la que al incidir la luz solar se crea una corriente que se aprovecha mediante el circuito exterior. Hacen falta 20 células de silicio conectadas en serie para obtener 12 voltios y una potencia de 32 vatios, aproximadamente.

Luz solar

Circuito exterior I

Recibe fotones

Capa tipo N Capa tipo P

Debido a las inmejorables condiciones ecológicas de la energía solar, en la actualidad se investiga mucho sobre la producción de energía eléctrica mediante células fotoeléctricas, como las de la figura 1.7. El sol irradia cada segundo en todas direcciones una energía incidente cada segundo y por m2 de 1,35 kW/m2 aproximadamente. Este valor se llama constante solar y para los cálculos se ha normalizado 1 kW/m2 como radiación total que incide sobre una superficie.

I

Cede electrones Corriente e– eléctrica – e 0 e– -1 +1 – e e– Figura 1.7. Producción de energía eléctrica por acción de la luz.

a

Longitud onda (nm)

ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO

300 / 400

400 / 780

780 / 4 · 105

8% ULTRAVIOLETA

vocabulario Piranómetro

ENERGÍA DE CADA FRANJA TOTAL a

109 W / m2

46% Infrarrojo visible

46% Infrarrojo

629 W / m2

629 W / m2

1367 W / m2

Figura 1.8. Radiación en W/m2 según longitud de onda del espectro electromagnético.

1.9. Piroelectricidad: cambio de temperatura Conocemos con el nombre de piroelectricidad a la generación de electricidad en un cuerpo cualquiera por cambios de su temperatura.

Instrumento que mide el flujo solar global correspondiente a los rayos directos y a los dispersos que se reciben en todas las direcciones. Heliógrafo Instrumento que mide la radiación solar durante el tiempo transcurrido entre la salida y puesta del sol, pero a partir de un umbral determinado expresado en W/m2. Submúltiplos 1nm = 10–9 m Ver epígrafe 4.1 de esta unidad.

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caso práctico inicial Fenómenos de naturaleza eléctrica

El fenómeno piroeléctrico se produce en determinados cristales hemiédricos (pierden su centro de simetría como es el caso de la blenda, la boracita, el topacio) que tienen la propiedad de engendrar cargas eléctricas en su superficie con los cambios de su temperatura. Cuando se les somete a una variación de la temperatura, una de las extremidades del eje principal se carga positivamente, y la otra negativamente. Prácticamente no tiene aplicaciones, por tratarse de pequeñísimas cargas eléctricas que solo se dan en determinados cristales hemiédricos, como la turmalina, la boracita, el topacio, el ácido tartárico, etc.

2. Generación y consumo de electricidad 2.1. Previsiones energéticas CONSUMO DE ENERGÍA PRIMARIA EN ESPAÑA AÑO 2007 ktep Carbón

19.934-13,6%

Petróleo

71.089-48,3%

Gas natural

31.367-21,4%

Hidráulica

2.345-1,60%

Resto renovables

8.061-5,5%

Nuclear TOTAL

14.217-9,7% 147.013-100%

Fuente: Secretaría General de Energía/IDAE. a

Tabla 1.1. Consumo de energía.

vocabulario 1 GW =109 W 1 TW = 1012 W AT = Alta tensión MT = Media tensión BT = Baja tensión

Tonelada equivalente de petróleo (tep, en inglés Toe): energía que hay en una tonelada de petróleo y valor convencional en valor de 41.868 x 106 J = 11.630 kWh.

Tonelada equivalente de carbón tec = 29.300 x 106 J = 8.138 kWh.

Consumo de electricidad y vida moderna son prácticamente sinónimos en el mundo industrializado y de servicios. Nuestras comunicaciones, el transporte, el abastecimiento de alimentos y la mayor parte del ocio y servicios de los hogares, oficinas y fábricas de nuestros días dependen de un suministro fiable de energía eléctrica. La importancia de la electricidad estriba en que prácticamente no hay actividad del ser humano en la que no sea utilizable o bien para fabricar los objetos que satisfacen nuestras necesidades o bien para obtener los alimentos que tomamos. Para satisfacer el crecimiento eléctrico anual previsto del 2% (en proyección media hasta el año 2030) se necesita un aumento espectacular de la producción de electricidad. La generación de energía eléctrica es inmensa, pues de la producción mundial cero en 1900, se pasó a 400.000 millones de kWh en 1960 y por esas fechas se duplicaba cada seis años. En la actualidad, a principios del siglo XXI, y como vemos en el transcurso de un solo siglo, se ha pasado de cero a un consumo mundial de electricidad de unos 18.000 TWh. En España, en 1996, se disponían para el consumo de 163.827 millones de kWh (GWh) y se perdían en transporte y distribución 14.140 millones de kWh; en 2007 se generaron unos 300.000 GWh. El sistema energético mundial se prevé siga estando dominado por los combustibles fósiles que representarán el 90% de suministro total de energía en el año 2030. El petróleo y el carbón representarán aproximadamente el 35% y 30%. Mientras que el gas natural representará la cuarta parte el suministro energético. El Consejo Eólico Mundial (Global Wind Energy Council, GWEC), ha publicado en febrero de 2008 su informe anual 2007. Se cifra la potencia total instalada en el mundo (en el sector eléctrico) en 94 GW, de los cuales el 61% (57 GW) corresponden a Europa. La revista Energías Renovables (edición de febrero 2008) publica el Censo Eólico y cifra en el año 2007 una potencia instalada de 3,5 GW para España y 5,2 GW para EE UU. En España 14 GW totales instalados (veáse unidad 2).

2.2. Sistema energético de transporte y distribución Si esas ingentes cantidades de producción o generación de energía eléctrica solo son posibles gracias a los potentes generadores electromagnéticos o alternadores actuales que la producen bajo el principio de la inducción electromagnética, no es menos potente todo el sistema energético que se instala para

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transportar y distribuir en AT, MT y BT, hasta que se acerca la energía eléctrica al usuario en cantidades y magnitudes asequibles. Como sabemos en Europa la tensión de red de usuario es de 400 V en trifásica y 230 V en monofásica y ambas a frecuencia industrial de 50 Hz. Se distribuye en MT (15-20 kV), se reparte en MT (45-66-132 kV) y se transporta en AT (220-400 kV).

vocabulario RAT Reglamento sobre condiciones técnicas y garantías de seguridad de las líneas eléctricas de alta tensión. RD 223/2008, de 15 de febrero.

2.3. Consumo En el punto de consumo, los citados 18.000 TWh, de energía eléctrica se utilizan para transformarla en otro tipo de energía como puede ser: calorífica en aparatos de calefacción, luminosa en todo tipo de lámparas eléctricas, mecánica de fuerza motriz en todo tipo de motores eléctricos y en ondas electromagnéticas para todo tipo de aparatos de telecomunicaciones. En una sociedad industrializada el 80% del consumo se produce mediante motores con potencias inferiores a 4 kW y en una sociedad de servicios el resto va aumentando en refrigeración/calor, alumbrado e información.

Con datos de 2007, el consumo mundial de energía primaria es aproximadamente 11.000 Mtep.

· Petróleo · Carbón · Gas Natural

· Térmica · Nuclear · Renovables

· Hidráulica · Eólica · Solar · Maremotriz · Biomasa

Según el artículo tercero del RAT, las tres categorías de las líneas de AT son: 1º Inferior a 220 kV y superior a 66 kV. 2° Inferior o igual a 66 kV y superior a 30 kV. 3º Inferior o igual a 30 kV y superior a 1 kV.

vocabulario Español-Inglés Par galvánico: galvanic couple. Corriente eléctrica: electric current. Piezoelectricidad: piezoelectricity. Termoelectricidad: thermoelectricity.

Reparto 45/66/132 kV

Fotoelectricidad: photoelectricity.

Transformador elevador

Red E. nacional 220 / 400 kV (REE)

6,3/11 kV

H2O

Par termoeléctrico: thermoelectric couple. Termopar: thermocouple.

Generador electromagnético (alternador trifásico) 3N ~ 400/230 V-50 Hz

T Reparto

Célula fotoeléctrica: photovoltaic cell. Piroelectricidad: pyroelectricity.

RED DE DISTRIBUCIÓN EN BT

Energía eléctrica: electric energy.

BT

TRANSPORTE Y DISTRIBUCIÓN AT

En 2030 más de la mitad de la producción procederá de las tecnologías surgidas a partir de los años noventa, como son las turbinas de gas de ciclo combinado, las tecnologías avanzadas de carbón,y las energías renovables.

GENERACIÓN

Todo este proceso que representa el gran sistema energético eléctrico desde generación, su transformación, transporte, distribución y utilización se sintetiza en el siguiente esquema sinóptico:

saber más

APLICACIONES

Viviendas

Oficinas Instalaciones Hospitales

Grandes superficies

Fábricas

Alta Tensión (AT): High Voltage (HV). Media Tensión (MT): Medium Voltage (MV). Baja Tensión (BT): Low Voltage (LV). Lámpara eléctrica: electric lamp.

CONSUMO

Motor eléctrico: electric motor.

a

· Alumbrado · Calefacción · Pequeños Motores · TV-Vídeo-Audio · Megafonía

· Audiovisuales · Frío / Calor · Ascensores · Seguridad · Informáfica

Figura 1.9. Sinóptico del sistema energético eléctrico.

· Cámaras frigorificas · Cintas transportadoras · Herramientas · Electrodomésticos · Automóvil

· Alumbrado público · Motores trifásicos · Automatización · Telecomunicaciones · Baños galvánicos

Telecomunicaciones: telecommunications. Línea eléctrica: electric line.

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2.4. Otras aplicaciones de la electricidad vocabulario Español-Inglés Sistemas eléctricos: electric system. Energías renovables: renewable energy.

saber más

Además del mundo electrificado que nos rodea de producción de luz, calor, las telecomunicaciones y la informática; la electricidad tiene otras importantes aplicaciones en los campos de: la electromedicina, el tratamiento cada vez más creciente de nuevos materiales, la producción y conservación de alimentos, la automática, la logística, la señalización vial, el ocio, etc. Prácticamente no hay actividad del ser humano en la que, de una o de otra forma, no esté presente una o varias manifestaciones de la electricidad. Basta con que seamos capaces de inventar un receptor capaz de producir el efecto deseado, véase epígrafe 8.

Clasificación de las fuentes de energía A) Por su disponibilidad: Las energías renovables son aquellas cuyo potencial es inagotable por provenir de la energía que llega a nuestro planeta de forma continua, como consecuencia de la radiación solar o de la atracción gravitatoria de otros planetas de nuestro sistema solar. Son, fundamentalmente, la energía hidráulica, solar, eólica, biomasa y las oceánicas. Las energías no renovables son aquellas que existen en una cantidad limitada en la naturaleza. No se renuevan a corto plazo y por eso se agotan cuando se utilizan. La demanda mundial de energía en la actualidad se satisface fundamentalmente con este tipo de fuentes. Las más comunes son el carbón, el petróleo, el gas natural y el uranio. B) Por forma de utilización: Las energías primarias son las que no han sido sometidas a ningún proceso de conversión y, por tanto, se obtienen directamente de la naturaleza, como por ejemplo el carbón, el petróleo, el gas natural, la hidráulica, la eólica, la biomasa, la solar y el uranio natural. Las energías secundarias, llamadas también finales, se obtienen a partir de las primarias mediante procesos de transformación energética (centrales hidroeléctricas, refinerías, etc.), es el caso de la electricidad o el de los carburantes. La energías útiles son las que realmente adquiere el consumidor después de la última conversión realizada por sus propios equipos de demanda, como son las energías químicas, mecánica, calorífica, etc.

3. Sistemas eléctricos Un sistema eléctrico es un conjunto de elementos activos (proporcionan energía) y pasivos (disipan energía) que, funcionando conjuntamente, realizan una aplicación eléctrica. Se representan mediante esquemas formados por signos y símbolos normalizados y se clasifican en cinco grandes grupos: • Sistemas de comunicación. Estos generan, transmiten y distribuyen información. Las principales aplicaciones en electrónica de comunicaciones: TV, vídeo, satélites, telescopios, radar y telefonía. • Sistemas de control. Utilizan las señales eléctricas para regular todo tipo de procesos automáticos. Las principales aplicaciones son la regulación de procesos donde intervienen magnitudes de tiempo, longitud, presión, temperatura, caudal, humedad, luz, etc. En automática, se utilizan los sistemas de control para robotizar los procesos de fabricación. • Sistemas de potencia. Generan, distribuyen y consumen la mayor parte de la energía eléctrica utilizada por el hombre. Aplicaciones para los generadores, motores y transformadores y cualquier aplicación energética de las que hemos visto en el epígrafe 2. • Sistemas de computación. Utilizan señales eléctricas para procesar la información. Aplicaciones al procesamiento de la voz y de las matemáticas. • Sistemas de procesamiento de señales. Sistemas que no tienen como función principal la comunicación, el cálculo, el control o la potencia. Tienen aplicaciones en electromedicina. Se aprovechan los impulsos eléctricos de milivoltios que se producen en el interior del cuerpo humano y que viajan a gran velocidad por los nervios. Aplicación en técnicas de diagnóstico (electrocardiograma, resonancia magnética, etc.) y en técnicas de rehabilitación (electrochoque, desfibrilación, etc.).

4. Magnitudes y unidades eléctricas (SI) El electrón es la partícula elemental que lleva la menor carga eléctrica negativa que se puede aislar, y este concepto de carga eléctrica es la base para describir todos los fenómenos eléctricos, que se caracterizan por los principios siguientes: • Los efectos eléctricos se describen en términos de cargas positivas y de cargas negativas, es decir, la carga es bipolar.

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• La carga eléctrica existe en cantidades discretas múltiplos de la carga del electrón [1e– = – 1,602 · 10–19 C]. La masa del electrón es 9,1091 10–31 kg. • Los efectos eléctricos se atribuyen tanto a la separación de las cargas (tensión) como a las cargas en movimiento (corriente). Las magnitudes y unidades eléctricas según el SI se forman a partir de las unidades básicas. Entre estas se encuentran el amperio, el segundo y la candela. Las principales magnitudes y unidades eléctricas, su definición, símbolo y ecuación, son: • Cantidad de electricidad (Q). Es el número total de electrones que pasan por la sección transversal de un conductor en un tiempo determinado. Su unidad es el culombio (C), que contiene 6,25 · 1018 electrones. • Intensidad de la corriente eléctrica (I). Es el movimiento de cargas que se produce en un conductor ante la presencia de un campo eléctrico. Se cuantifica por la cantidad de electrones que pasan por una sección transversal de un conductor en una dirección y en la unidad de tiempo. Su unidad es el amperio (A). Se mide con el amperímetro que se conecta en serie con la carga (figura 1.10). Tiene por ecuación: Q I: intensidad en amperios (A) [1] I = t Q: cantidad de electricidad en culombios (C) t: tiempo en segundos (s)

• Densidad de corriente (J). Es la intensidad de corriente por unidad de superficie transversal del conductor por el que circula. Su unidad es el A/m2. Tiene por ecuación: I S

[2] J =

vocabulario Reglamento electrotécnico de baja tensión (REBT) Establece las condiciones y garantías que deben reunir las instalaciones eléctricas conectadas a una tensión definida como baja tensión dedicadas a la producción, conservación, transformación, transmisión, distribución o utilización de la energía eléctrica. Se define como baja tensión las tensiones nominales iguales o inferiores a 1.000 V para CA y 1.500 V para CC. Las densidades de corriente están comprendidas entre 15 y 1 A/mm2 aproximadamente. Sistema internacional de unidades (SI) Sistema métrico de unidades internacionales, cuya relación entre ellos es el factor unidad. Todos los aparatos de medida deben llevar sus indicadores de magnitud en una sola unidad de medida legal. Según el SI, las unidades se clasifican en tres grupos: a) básicas, b) suplementarias, c) derivadas.

J: densidad de corriente en A/m2 I: intensidad en amperios (A) S: área transversal del conductor en (m2)

En la práctica, la unidad del SI de la densidad de corriente en A/m2 es muy pequeña, por lo que se utiliza el múltiplo A/mm2 en todas las tablas del Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión y en las que dan los fabricantes respecto a las intensidades máximas admisibles para los cables conductores.

vocabulario Español-Inglés Cantidad de electricidad: electric charge. Culombio: Coulomb.

IBC

B

_

_ _

_ _

_

_

_ _

Intensidad de la corriente: electric current intensity. A

_

_

_ _

_ _

_

_

_ _

_

IBC

C B

Flujo de electrones

R

Amperio: Ampere (Amp). C

ICB B

R

C

IBC B

UBC C a

A

Conexión serie del amperímetro

R

Siempre, para la intensidad: · El primer subíndice indica el punto de prodecencia. · El segundo subindice indica el punto donde llega.

Figura 1.10. Medición de intensidad y convenio de signos.

Densidad de corriente: current density.

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Unidad 1

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4.1. Sistema internacional de unidades (SI) Las unidades legales de medida quedan clasificadas según el SI en tres grupos principales: a) básicas; b) suplementarias; 3) derivadas. A continuación exponemos en las tablas 1.2. y 1.3. las unidades básicas y suplementarias de las que se derivan todas las demás. Magnitud

Nombre

Símbolo

metro

m

Es la longitud del trayecto recorrido en el vacío por la luz durante un tiempo de 1/299 792 458 de segundo.

Masa

kilogramo

kg

Es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo.

Tiempo

segundo

s

Es la duración de 9 192 631 770 periodos de la radiación correspondiente a la transmisión entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio 133.

amperio

A

Es la intensidad de una corriente constante que, manteniéndose en dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y situados a una distancia de un metro uno de otro, en el vacío, produciría entre estos conductores una fuerza igual a 2 · 10–7 newtons por metro de longitud.

kelvin

K

Es la fracción 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua.

mol

mol

Es la cantidad de sustancia de un sistema que contiene tantas entidades elementales como átomos hay en 0,012 kilogramos de carbono 12.

candela

cd

Es la intensidad luminosa, en una dirección dada de una fuente que emite una radiación monocromática de frecuencia 540 · 1012 hercios y cuya intensidad energética en dicha dirección es 1/683 vatios por estereorradián.

Longitud

Intensidad de corriente eléctrica

Temperatura termodinámica Cantidad de sustancia

Intensidad luminosa

a

Definición

Tabla 1.2. Unidades del SI básicas.

UNIDAD MAGNITUD

Ángulo plano

Ángulo sólido

Nombre

Símbolo

radián

rad

estereorradián

sr

Expresión en unidad SI básica

Definición

m · m–1 = 1

Es el ángulo plano comprendido entre dos radios de un círculo que, sobre la circunferencia de dicho círculo, interceptan un arco de longitud igual a la del radio.

m2 · m–2 = 1

Es el ángulo sólido que, teniendo su vértice en el centro de una esfera, intercepta sobre la superficie de dicha esfera un área igual a la de un cuadrado que tenga por lado el radio de la esfera.

Considerado que el ángulo plano generalmente se expresa como la relación entre dos longitudes y el ángulo sólido, como la relación entre un área y el cuadrado de una longitud, con el fin de mantener la coherencia interna del SI, fundamentado solamente sobre siete unidades básicas, las unidades suplementarias radián y estereorradián son unidades derivadas sin dimensión. Esto implica que las magnitudes ángulo plano y ángulo sólido sean consideradas como magnitudes derivadas sin dimensión. a

Tabla 1.3. Unidades del SI suplementarias.

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La corriente eléctrica

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EJEMPLO

FORMACIÓN DE MÚLTIPLOS Factor

Prefijo

Símbolo

1018

exa

E

1015

peta

P

12

10

tera

T

Solución:

109

giga

G

En un segundo: Q = I · t = 20 · 1 = 20 C [1C = 1A · 1 s]

106

mega

M

En una hora: Q = I · t = 20 · 1 · 3.600 = 72 · 103 C = 72 kC

103

kilo

k

En un día: Q = I · t = 20 · 1 · 3.600 · 24 = 1.728 · 103 C = 1.728 kC

102

hecto

h

deca

da

Cálculo de la cantidad de electricidad y densidad de corriente Por un conductor de 10 mm2 circulan 20 A. Calcular la cantidad de electricidad transportada en un segundo, en una hora y en un día. ¿Qué densidad de corriente soporta?

1

10

Densidad de corriente: J = I/S = 20 A/10 mm2 = 2 A/mm2 a

Tabla 1.4. Múltiplos del SI.

4.2. Tensión eléctrica (U), voltaje (U) o diferencia de potencial (ddp) La tensión eléctrica entre dos puntos de un circuito eléctrico es el trabajo realizado por unidad de carga creada en la separación. Es la causa impulsora del desplazamiento de los electrones. Su unidad es el voltio. Tiene por expresión: W [3] U = Q

FORMACIÓN DE SUBMÚLTIPLOS Factor

Prefijo

Símbolo

10–1

deci

d

–2

10

centi

c

U: tensión, voltaje o potencial en voltios (V)

10–3

mili

m

W: trabajo o energía en julios (J)

10–6

micro

μ

–9

10

nano

n

10–12

pico

p

femto

f

atto

a

Q: cantidad de carga en culombios (C)

Para medir la tensión o ddp entre dos puntos de un circuito, se utiliza el voltímetro, cuyos terminales se conectan entre dos puntos de los que se desea conocer la tensión (figura 1.11).

–15

10

10–18 B

Cota o altura

V

B

R

B

U BC

R

B

U CB

H BC

C Exceso Defecto a

C

C

I BC

Conexión U BC paralelo del voltímetro

a

V

R

Tabla 1.5. Submúltiplos del SI.

UR

C

Figura 1.11. Medición de tensión y convenio de signos.

vocabulario

4.3. Resistencia eléctrica (R)

Español-Inglés

Es la mayor o menor oposición que ofrece un conductor al paso de la corriente eléctrica. Los portadores de carga eléctrica o electrones libres, al moverse a través de los átomos del conductor, encuentran mayor o menor resistencia si se trata de una sustancia cuya naturaleza es aislante o conductora, respectivamente.

Voltaje: voltage.

Tensión eléctrica: electrical tension. Diferencia de potencial: difference of electrical potential. Voltio: volt.

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vocabulario Potencial de un punto de un circuito Es la ddp entre el punto y otro tomado como potencial de referencia. Unidad de tensión según la ley de Ohm El voltio se define como la tensión que existe entre dos puntos de un conductor cuando circula un amperio de intensidad y ofrece una resistencia de un ohmio.

La unidad de resistencia es el ohmio (Ω). La medición de resistencia se realiza con el ohmímetro (óhmetro) que se conecta en paralelo con el componente, desconectado este del resto del circuito. En el caso de un conductor metálico homogéneo de sección transversal constante S, su resistencia depende de la naturaleza del mismo (resistividad, ρ) y es directamente proporcional a su longitud (l) e inversamente proporcional a su sección (S), lo que se verifica experimentalmente mediante la ecuación: [4] R = ρ

l S

R: resistencia en ohmios (Ω) ρ: resistividad en ohmios · metro (Ω · m)

1 V = 1 A · 1 Ω [U = R · I]

l: longitud del conductor en metros (m) S: sección transversal en metros cuadrados (m2)

5. Conductores, aislantes y semiconductores caso práctico inicial Conductores, aislantes y semiconductores.

Los conductores eléctricos se caracterizan por la propiedad que tienen de ofrecer poca resistencia al paso de la corriente y los aislantes por ser dieléctricos que se oponen al paso de la corriente eléctrica.

5.1. Resistividad vocabulario Español-Inglés Resistencia eléctrica: electrical resistance. Ohmio: Ohm.

Es la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica un conductor por unidad de longitud y sección. Su unidad es el ohmio · metro (Ω · m). Tiene por expresión: [5] ρ = R

Resistividad: resistivity. Conductor: conductor.

[Ω ·

Aislante: insulator.

S l

m2 = Ω · m] m

Semiconductor: semiconductor. l

Resistencia: R= ρ

l S

S

Resistividad: ρ=

mm 2 m

l = 1m 1 mm 2 a

Figura 1.12. Resistencia (R) y resistividad (ρ)

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La corriente eléctrica

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En la práctica, la resistencia que presentan los conductores por unidad de longitud y por metro cuadrado de sección (Ω · m2/m = Ω · m) es muy pequeña y además los conductores se comercializan en mm2, por lo que la resistividad se da a temperatura ambiente de 20 ˚C, y en ohmios por milímetro cuadrado/metro (Ω · mm2/m) (mira la tabla de resistividad y compárala con los datos de la unidad 11).

5.2. Conductancia (G) y conductividad (γ) La conductancia representa la facilidad que ofrecen los conductores al paso de la corriente eléctrica. Es el inverso de la resistencia. Su unidad es el siemens (S). 1 [6] G = R G: conductancia en siemens (S) R: resistencia en ohmios (Ω)

La conductividad es la facilidad que ofrecen los conductores por unidad de longitud y sección al paso de la corriente eléctrica. Es el inverso de la resistividad. Su unidad es el siemens/metro (S/m). Tiene por expresión: l [7] γ = ρ γ: conductividad en siemens/metro (S/m) ρ: resistividad en ohmios por metro (Ω · m)

EJEMPLO Cálculo de la caída de tensión en un conductor Por un conductor de 100 m de longitud y 2,5 mm2 de sección circula una intensidad de 16 A. Calcular la caída de tensión que se produce si es de plata, cobre, aluminio o acero. Solución: De plata: RAg = ρAg · l = 0,016 100 = 0,64 Ω 2,5 S

U = R · I = 0,64 · 16 = 10,24 V

De cobre: RCu = ρCu · l = 0,01786 100 = 0,7144 Ω U = R · I = 0,7144 · 16 = 11,41 V 2,5 S De aluminio: RAl = ρAl · l = 0,02857 100 = 1,1428 Ω 2,5 S

U = R · I = 1,1428 · 16 = 18,28 V

De acero: RFe = ρFe · l = 0,12 100 = 4,8 Ω 2,5 S

RESISTIVIDAD DE ALGUNOS CONDUCTORES Y AISLANTES Material

ρ20

[

mm2 Ω· m

]

Plata . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,016 Cobre . . . . . . . . . . . . . 0,01786 Bronce . . . . . . . . . . . . . . . 0,018 Oro. . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,023 Aluminio . . . . . . . . . . . 0,02857 Magnesio . . . . . . . . . . . . . 0,045 Grafito . . . . . . . . . . . . . . . 0,046 Tugsteno . . . . . . . . . . . . . . 0,055 Zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,063 Latón . . . . . . . . . . . . 0,07/0,09 Niquel . . . . . . . . . . . . 0,08/0,11 Hierro . . . . . . . . . . . . 0,10/0,15 Estaño. . . . . . . . . . . . . . . . 0,11 Platino . . . . . . . . . . . . 0,11/0,14 Plomo . . . . . . . . . . . . . . . . 0,21 Maillechort . . . . . . . . . . . . 0,30 Orocromo . . . . . . . . . . . . . 0,33 Niquelina . . . . . . . . . . . . . 0,43 Manganina . . . . . . . . . . . . 0,43 Novoconstantán . . . . . . . . 0,45 Reotán . . . . . . . . . . . . . . . 0,47 Isabelín . . . . . . . . . . . . . . . 0,50 Constantán . . . . . . . . . . . . 0,50 Resistina . . . . . . . . . . . . . . 0,50 Kruppina. . . . . . . . . . . . . . 0,85 Mercurio . . . . . . . . . . . . . . 0,96 Cromoníquel . . . . . . . . . . . 1,10 Bismuto . . . . . . . . . . . . . . 1,20 Pizarra. . . . . . . . . . . . . . . . 1012 Celuloide . . . . . . . . . . . . . 1014 Tela endurecida . . . . . . . . . 1014 Esteatita . . . . . . . . . . . . . . 1018 Ámbar . . . . . . . . . . . . . . . 1020 Baquelita. . . . . . . . . . . . . . 1020 Caucho . . . . . . . . . . . . . . . 1020 Gutapercha . . . . . . . . . . . . 1020 Mica . . . . . . . . . . . . . . . . . 1020 Policarbonato . . . . . . . . . . 1020 PVC . . . . . . . . . . . . . . . . . 1020 Vidrio . . . . . . . . . . . . . . . . 1020 Metacrilato . . . . . . . . . . . . 1021 Poliestireno . . . . . . . . . . . . 1021 Polipropileno . . . . . . . . . . . 1021 Parafina pura. . . . . . . . . . . 1022 Cuarzo . . . . . . . . . . . . . 4 · 1023 Aire seco = aislante perfecto H2O pura = aislante perfecto a

Tabla 1.6. Resistividad.

vocabulario U = R · I = 4,8 · 16 = 76,8 V

Obsérvese que al mantener constantes las dimensiones del conductor y la intensidad que por él circula, la caída de tensión aumenta en la misma proporción que lo hace la resistividad del material empleado. Bastaría utilizar este concepto para simplificar considerablemente los cálculos.

Ohmio: Resistencia que ofrece un conductor por el que circula una intensidad de 1A cuando se le somete a la tensión de 1 V. [Ley de Ohm: R = U ] I

[

ρ20 Ω ·

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5.3. Semiconductores Los semiconductores son elementos sólidos que tienen una conductividad eléctrica inferior a la de un conductor metálico pero superior a la de un buen aislante. El semiconductor más utilizado es el silicio, que es el elemento más abundante en la naturaleza después del oxígeno. Otros semiconductores son el germanio y el selenio. También son semiconductores determinados elementos compuestos, como el arseniuro de galio, el fosfuro de indio o el sulfuro de plomo.

+

Enlace covalente Electrón de valencia Electrón libre Hueco Figura 1.13. Comportamiento eléctrico de un semiconductor.

a

Comportamiento eléctrico de un semiconductor Los átomos de silicio tienen su orbital externo incompleto con solo cuatro electrones denominados electrones de valencia (figura 1.13). Estos átomos forman una red cristalina en la que cada átomo comparte sus cuatro electrones de valencia con los cuatro átomos vecinos formando enlaces covalentes. A temperatura ambiente algunos electrones de valencia absorben suficiente energía calorífica para librarse del enlace covalente y moverse a través de la red cristalina, convirtiéndose en electrones libres. Si a estos electrones, que han roto el enlace covalente, se les somete al potencial eléctrico de una pila, se dirigen al polo positivo. Cuando un electrón libre abandona el átomo de un cristal de silicio, deja en la red cristalina una vacante (hueco) que con respecto a los electrones circundantes tiene efectos similares a los que provocaría una carga positiva. A las vacantes así producidas se las llama huecos con carga positiva. El comportamiento eléctrico de un semiconductor se caracteriza por: a) Los electrones libres son portadores de carga negativa y se dirigen hacia el polo positivo de la pila. b) Los huecos son portadores de carga positiva, y se dirigen hacia el polo negativo de la pila. En los huecos no hay desplazamiento material de carga alguna, sino solo el sentido del movimiento en el que se crean los huecos.

Encapsulado Terminal

Ánodo

c) Al conectar una pila circula una corriente eléctrica en el circuito, siendo constante en todo momento el número de electrones dentro del cristal de silicio. P N Cátodo Unión PN

d) Los huecos solo existen en el seno del cristal semiconductor. Por el conductor exterior solo circulan los electrones que dan lugar a la corriente eléctrica. Los semiconductores más utilizados son el diodo y el transistor: • Diodo: consta de una unión PN protegida con una envoltura de plástico o metal de la que salen dos hilos conectados a las regiones P y N respectivamente (figura 1.14).

a) Ánodo

Cátodo Símbolo

b) Cátodo

Ánodo

• Transistor bipolar: consiste en un semiconductor con una región del mismo dopada con impureza tipo N y situada entre dos regiones dopadas con impurezas tipo P, con lo que se consiguen dos uniones PN (figura 1.15). Si un tipo P se sitúa entre dos regiones N, se obtiene un transistor NPN (figura 1.16). C

C

Encapsulado plástico

C

C P B

c)

Colector

N

Base

P

Emisor

B

B

N

Colector

P

Base

N

Emisor

B

Ánodo

Cátodo

Encapsulado metálico

Figura 1.14. Diodos: a) Estructura. b) Símbolo. c) Encapsulados.

a

E

E E Figura 1.15. Estructura y símbolo de un transistor PNP.

a

E a Figura 1.16. Estructura y símbolo de un transistor NPN.

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6. Trabajo y potencia 6.1. Trabajo Es la cantidad de energía que se invierte al desplazar una carga eléctrica Q desde un punto a otro de un campo eléctrico entre los que hay una diferencia de potencial U. Su unidad es el julio. Tiene por expresión: [8] W = Q · U

RESUMEN DE MAGNITUDES Y UNIDADES SEGÚN LA LEY DE OHM Por definición:

W: trabajo o energía en julios (J) Q: carga eléctrica en culombios (C) U: tensión en voltios (V)

Si sustituimos el valor de la carga o cantidad de electricidad (Q) por su valor en función de la intensidad (I) y del tiempo (t) deducida de la fórmula [1], nos queda: [9] W = Q · U = U · I · t W: trabajo o energía en julios (J) I: intensidad en amperios (A) t: tiempo en segundos (s)

Este trabajo o energía eléctrica de un julio como unidad, de la magnitud física medible, corresponde con el trabajo realizado por el desplazamiento de un metro del punto de aplicación de una fuerza de un newton, es decir:

U = RI; P = UI Despejando y sustituyendo, quedan cada una de las cuatro magnitudes básicas en función de dos: U2 R

R·I

U·I

P

U

P·R

U R

I

R

U I

P R

P I

R · I2

P U

P I

U2 P

Por definición: W = Q · U; W = U · I · t

[10] 1 J = 1 N · 1 m J: julio como unidad de trabajo N: newton como unidad de fuerza

vocabulario

m: metro como unidad de longitud

Español-Inglés

Por otro lado, la ecuación de dimensiones de la fórmula [9] nos confirma que:

Conductancia eléctrica: electrical conductance.

1 julio = 1V · 1 A · 1 s

Conductividad: conductivity.

La unidad de energía del SI resulta ser muy pequeña, y en la práctica se cuantifica el consumo en kW · h, múltiplo 3.600.000 veces mayor que el julio.

Diodo: diode. Transistor: transistor. Trabajo (eléctrico): electrical work

6.2. Potencia (P) y frecuencia (f)

Julio: Joule. Potencia: electric power.

Es el trabajo realizado o consumido en la unidad de tiempo. La unidad de la potencia es el vatio (W). Tiene por expresión: W U·I·t [11] P = t = =U·I t

Vatio: Watt.

saber más

P: potencia en vatios (W)

Energía y trabajo son sinónimos.

Resto de magnitudes igual que en [9].

Mientras que la unidad de energía en el SI (1 J = 1 Ws) es una unidad muy pequeña, la tep es la unidad más grande que conocemos.

La medida de potencia se realiza con el vatímetro. Consta de dos circuitos para la medida de intensidad y tensión, siendo la forma de conexión a la red similar a los amperímetros (circuito amperimétrico) y voltímetros (circuito voltimétrico), respectivamente.

Como sabemos: 1 tep = 41.868 · 106 J

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EJEMPLO

A 300

Cálculo de la potencia y de la energía

200 100

Calcular la potencia y energía eléctrica que se transforma en el conductor eléctrico de cobre del ejemplo anterior si la cargas están circulando durante 4 horas.

a) Amperímetro

Solución: Potencia: P = U · I = 11,41 · 16 = 182,56 W

V 400

500

Energía: W = P · t = 182,56 · 4 · 3.600 = 2.628.864 J

300 200

W = P · t = 0,18256 (kW) · 4 (h) = 0,73024 kW · h

b) Voltímetro

Se llama frecuencia de una magnitud periódica en la que el tiempo es la variable independiente, al número de veces que la magnitud pasa por un determinado punto en un mismo sentido en la unidad de tiempo. Su unidad es el hercio (Hz) y se mide con el frecuencímetro (f) cuya conexión es en paralelo. La frecuencia industrial es de 50 Hz en Europa y 60 Hz en Estados Unidos.

kW

7. Corriente continua y corriente alterna

c) Vatímetro

45

50

55

Hay dos tipos de corriente eléctrica: la continua y la alterna. La naturaleza de ambas son los mismos electrones en movimiento a través de conductores o semiconductores. La CC es un caso particular de la CA en el que la frecuencia es cero.

Hz

7.1. Corriente continua d) Frecuencímetro a Figura 1.17. Diversos aparatos de medida.

vocabulario Hercio (Hz) Unidad de frecuencia. Se define como la frecuencia de un fenómeno periódico representada en amplitud y tiempo.

Cuando el campo eléctrico aplicado al conductor tiene el mismo sentido, aunque varíe en intensidad, la corriente resultante se denomina continua. Tiene la propiedad de circular siempre en un mismo sentido, su amplitud no varía con el tiempo, y cuya frecuencia es cero. Es el tipo de corriente que da lugar al circuito eléctrico de CC que se estudia en esta unidad. Se representa mediante una función lineal de la forma y = mx + n, en la que la pendiente es cero (m = 0) y la función se reduce a la ecuación y = n, cuya representación gráfica cartesiana se indica en la figura 1.18a. CA + CC I

I

I CC

CC

Onda Expresión gráfica de una variación periódica representada en amplitud y tiempo. Periodo (T) Tiempo que transcurre en completarse un ciclo.

CA 0

a

0

0 t

t

Figura 1.18. a) Corriente continua. b) Alterna. c) Alterna con componente de continua.

t

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7.2. Corriente alterna Se caracteriza por ser un flujo de cargas eléctricas que invierte periódicamente su sentido y toma valores distintos que se repiten con el tiempo. De ahí que su frecuencia sea distinta de cero. La frecuencia de sistemas de potencia es de 50 Hz. Se representa mediante una función no lineal, por ejemplo, la función seno (y = sen α) en el caso concreto de una corriente alterna cuya forma de onda es senoidal. Su representación gráfica cartesiana se indica en la figura 1.18b; es objeto de estudio en la unidad 5 y siguientes.

vocabulario Español-Inglés Corriente continua (CC): Direct Current (DC). Corriente alterna (CA): Alternating Current (AC).

8. Efectos de la corriente eléctrica La corriente eléctrica produce cinco tipos de efectos que, a su vez, dan lugar a multitud de receptores, aparatos de protección y de aplicaciones, tal y como hemos indicado en los receptores de consumo eléctrico del epígrafe 2.

8.1. Efectos caloríficos Toda corriente que circula por un conductor produce un efecto térmico debido a los choques de los electrones contra los átomos, por ejemplo, una resistencia calefactora o un tostador. Si el conductor llega a estar incandescente, sin entrar en combustión, el efecto térmico se convierte en una aplicación luminosa, como sucede con las bombillas (figura 1.19b). El efecto térmico más importante que produce todo tipo de corriente eléctrica, continua o alterna, al circular por un conductor se denomina efecto Joule (véase epígrafe 13). Resulta útil cuando se aplica para transformar la energía eléctrica en calor y se trata de pérdidas cuando se produce en las líneas y conductores de transporte y en puntos de conexión. Este último caso se cuantifica mediante el efecto Joule del epígrafe 13 y el dimensionado de los cables para minimizar las pérdidas se trata en la unidad 11. Conductor con I de alta frecuencia Bombilla

I

Conductor Eje

0

Densidad corriente

U

Densidad corriente

Tostador

Pérdidas

Eje

a) a

b)

c)

d)

Figura 1.19. Efectos: a) y b) Térmico. c) Skin o pelicular. d) Corona.

En corriente alterna (CA) se producen pérdidas debidas al efecto skin o pelicular, que se puede empezar a considerar a partir de 100 Hz (figura 1.19c). Igualmente en las líneas de alta tensión se producen pérdidas debidas al efecto corona (figura 1.19d). En la unidad 11 se tratan estos efectos y su repercusión sobre la resistencia de los conductores eléctricos en circuitos de Baja Tensión.

caso práctico inicial Efecto de la corriente eléctrica.

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8.2. Efectos luminosos Bien por incandescencia o por luminiscencia, se produce luz bajo el efecto de una excitación eléctrica. En el primer caso, de los electrones en el interior del conductor sólido que lo pone incandescente; y en el segundo caso, aprovechando la propiedad de algunas sustancias de producir luz al absorber las radicaciones ultravioletas de un gas, como sucede con las lámparas de descarga (fluorescentes, halógenas y de vapor de Hg-Na).

1

6 3 4 5

8.3. Efectos químicos 2

5 7

Bobina móvil

1. 2. 3. 4. 5.

Imán permanente Zapata polar Núcleo del polo Bobina móvil Muelles en espiral y, simultáneamente, alimentación de corriente 6. Aguja indicadora 7. Ajustador de cero a Figura 1.20. Aparato de medida magnetoeléctrico de bobinas móvil (cuadro móvil). Solo puede medir en CC.

A diferencia de la no alteración química de los conductores sólidos, los conductores líquidos se descomponen al ser recorridos por una corriente eléctrica. Este efecto electroquímico da lugar a la electrólisis. El proceso electrolítico es reversible, es decir, a la descomposición promovida por la corriente circulando en un sentido (electrólisis) le puede seguir el proceso inverso mediante una corriente de sentido contrario, con lo que el elemento polarizado funciona como generador de energía eléctrica (pilas y acumuladores), a costa de la energía química que, previamente, tenía almacenada. Las principales aplicaciones de la electroquímica son las pilas y acumuladores como generadores portátiles de CC; y los baños galvánicos como parte del proceso de fabricación de algunas industrias para reproducir objetos, así como para tratar los materiales contra la oxidación y corrosión. Otras aplicaciones son la galvanoplastia, la galvanostegia y la galvanotipia. Con CA, la electroquímica no tiene aplicación.

8.4. Efectos electromagnéticos Para la medición de magnitudes eléctricas se aprovecha el movimiento mecánico producido por fuerzas electrodinámicas o electromagnéticas desarrolladas por la corriente. En este tipo de efectos se basan los aparatos de medida y las máquinas. 1

2

I

I

I 3

I F

4

I

I

po B Cam

I

F

N F F

N S Movimiento S

I 2

1 3

1. 2. 3. 4.

Bobina Hierro móvil Chapa fija Amortiguador de aire

Figura 1.21. Aparato de medida electromagnético de hierro móvil.

a

I

a) a

Giro

I

b)

Bobina

c)

Figura 1.22. Efectos de la corriente (I): a) Electrodinámicos. b) y c) Electromagnéticos.

8.5. Efectos físico-fisiológicos Al circular la corriente eléctrica por el cuerpo humano y por el de los animales se producen quemaduras y se paralizan los músculos, por lo que el accidentado es incapaz de desconectarse del punto de contacto.

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La corriente eléctrica

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Los efectos de la corriente eléctrica en el cuerpo humano son de carácter físico y fisiológico. Dependen del tipo y valor de la corriente, del tiempo y de la trayectoria. Para frecuencias bajas de 50 a 1.000 Hz, la CA es más peligrosa que la CC. A partir de una frecuencia de 10.000 Hz la CA se comporta como si fuera CC. • Físicos. Son de efecto electrotérmico y se manifiestan en quemaduras internas, marcas de la corriente en el sitio de contacto, pérdida de líquidos por sobrecalentamiento, quemaduras y ceguera por arco voltaico. • Fisiológicos. Puede haber lesiones por electrocución producidas en el cerebro, en los pulmones y/o en el corazón, como contracciones, sacudidas nerviosas, aumento de la presión sanguínea, paro respiratorio y fibrilación muscular. En la actualidad se estudian con mucho rigor los impactos medioambientales y los efectos de la electricidad sobre las personas. Se emplean múltiples aplicaciones de protección, como interruptores diferenciales, relés, detectores, etc., y se generalizan las aplicaciones de la electromedicina. De ahí que tratemos estos temas de seguridad en las instalaciones eléctricas en la unidad 12.

vocabulario Español-Inglés Pila: cell; electric cell. Acumulador eléctrico: accumulator; battery. Lámpara incandescente: incandescent light bulb; incandescent lamp. Lámpara fluorescente: fluorescent lamp; fluorescent tube. Circuito eléctrico: electric circuit. Generador (eléctrico): electrical generator. Interruptor: switch.

9. Circuito eléctrico El circuito eléctrico es un sistema cerrado de elementos (activos y pasivos) y conductores ideales, entre los que existe transferencia de energía. Todo sistema cerrado forma, al menos, un contorno cerrado o malla. Las partes que constituyen todo circuito eléctrico se representan mediante símbolos normalizados en la figura 1.23 y se denominan: Continua o alterna

Conductores

Interruptor M Fusibles

Resistencia, lámpara, motor, etc.

F1F E

G

seguridad Ver los efectos de la corriente eléctrica sobre el material, el cuerpo humano y los animales domésticos en la unidad 12.

caso práctico inicial Circuito eléctrico, elementos y negatividad que intervienen en CC.

R

~ F2F

Generador a

Línea

Accionamiento y protección

Recepción

Figura 1.23. Partes que constituyen un circuito eléctrico.

9.1 Generador Un generador es el elemento activo capaz de establecer una ddp entre los puntos del circuito donde está conectado. Los principales generadores de electricidad son las pilas y acumuladores (reacción química) y las dinamos y alternadores (inducción electromagnética). Estos últimos son los que producen en la actualidad más del 95% de la energía eléctrica mundial, y tienen la capacidad de producir grandes cantidades de energía pero el inconveniente de la inmovilidad. Las pilas y acumuladores son generadores de corriente continua autónomos y portátiles que no necesitan estar conectados a ningún sistema de accionamiento. Las pilas son generadores primarios no reversibles y los acumuladores, generadores reversibles. Al no existir sustancia líquida, a las pilas primarias se las denomina pilas secas.

saber más El REBT define un circuito como el «conjunto de materiales eléctricos (conductores, aparamentas, etc.) de diferentes fases o polaridades, alimentados por la misma fuente de energía y protegidos contra sobreintensidades por él o los mismos dispositivos de protección».

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Unidad 1

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C

R

Símbolo

L

0V 23 W 36

Tipo de receptor

Bombilla Radiador

Efecto a

M ~

Calor

Luz

Lámpara de descarga

Luz

Reactancia

Motor

Condensador

Retraso de la tensión

Retraso de la intensidad

Fuerza motriz

Figura 1.24. Tipos de receptores.

9.2. Receptor Un receptor es un elemento pasivo que recibe la energía eléctrica y la transforma en otro tipo de energía, como la térmica (calor que producen las resistencias), la luminosa (luz que producen las lámparas eléctricas) y la mecánica (fuerza motriz que producen los motores). Los receptores son de naturaleza resistiva (resistencias), inductiva (bobinas de autoinducción) y capacitiva (condensadores).

9.3. Conductores Son elementos pasivos que unen los generadores con los receptores y a través de los cuales se transportan las cargas eléctricas. En el análisis de circuitos se consideran conductores ideales sin que ofrezcan ninguna dificultad al paso de la corriente eléctrica (resistencia), y en los casos reales de transporte se presenta su resistencia concentrada en un solo punto como parámetro de un elemento pasivo. Es el caso más importante a la hora de dimensionarlos como se indica en la unidad 11. a Figura 1.25. Tipos de pilas y acumuladores.

vocabulario

9.4 Elemento de accionamiento y protección Todo circuito eléctrico debe tener los adecuados aparatos de accionamiento, maniobra y protección que nos permitan gobernar la intensidad de corriente con la mayor eficacia y seguridad posible para las personas, los animales y las instalaciones.

Esquema Representación que muestra cómo se conectan y relacionan entre sí las diferentes partes de una red o circuito, de una instalación, de un conjunto de aparatos o de un aparato.

Accionamiento manual

Símbolo gráfico Representación por medio de figuras de los conceptos.

Bloqueo por muesca

Símbolo literal Símbolos conforme a la letra del texto y al sentido exacto y propio de las palabras que lo forman.

a

Interruptor manual

Interruptor de potencia

Cortacircuito fusible (base + cartucho)

Figura 1.26. Elementos de accionamiento y protección.

Interruptor automático magnetotérmico (trifásico)

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La corriente eléctrica

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10. Circuito eléctrico resistivo de CC El circuito eléctrico más sencillo es el circuito resistivo de corriente continua (CC), formado por un generador y una resistencia (figura 1.27).

NATURALEZA DE LA CORRIENTE, CONDUCTORES Y CONEXIONES

M

A

Significado

Símbolo según las normas IEC

Corriente continua (CC)

E ri

R

Ug

UR

I AB

B a

Figura 1.27. Circuito resistivo de corriente continua (CC).

Corriente alterna (CA) Conductor Símbolo general Unión conductora de cables (nosotros no utilizamos la forma c)

10.1. Convenios de signos

Conexión fija

Tomamos como sentido positivo para la intensidad aquel que va del borne positivo (+) al borne negativo (–) por el exterior del generador, y del borne negativo (–) al borne positivo (+) por el interior del generador. De esta forma, el signo positivo de la tensión corresponde a la notación UAB (exceso de A con respecto a B). Tensión e intensidad positivas se indican con la flecha, como en la figura 1.27. Si se les afecta del signo menos, hay que cambiar el sentido de las flechas. Establecido el convenio de signos, definimos como potencia de un generador al producto de la U por la I que pasa por él en sentido positivo (del + al – a través del circuito). Si este producto sale positivo, interpretaremos que el generador está entregando potencia al circuito. Y si el producto anterior sale negativo, el generador está absorbiendo potencia del circuito.

Conexión móvil Regleta de bornes de conexión

a b c

1

2

3

4

CA trifásica a tres hilos

3 ∼ 50 Hz 400 V

CA trifásica con neutro

3N ∼ 50 Hz 400 V

10.2. Fuerza electromotriz (E) y diferencia de potencial (U) La fem de un generador es la cantidad de energía no eléctrica, transformada en eléctrica, por unidad de carga. En el caso de generadores ideales (resistencia interna nula), la tensión U que proporciona al circuito es igual a su fem (E = U), cumpliéndose que la fem E es igual a la suma de las caídas de tensión o ddp, en los distintos componentes del circuito interno y externo.

10.3. Ley de Ohm generalizada en CC La intensidad que circula por un circuito eléctrico cerrado formado por una malla es igual a la suma de todas las fuerzas electromotrices dividido por la suma de todas las resistencias que existen en el circuito.

Pila o acumulador

Generador de CC

U

Generador de CA

U

a

G

+ –

Tabla 1.7. Simbología.

G

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Unidad 1

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RECEPTORES Y ELEMENTOS GENERALES DE UN CIRCUITO Significado

Símbolo según las normas IEC 1)

En el sumatorio se tendrá en cuenta el sentido de la fem en cada uno de los generadores, siendo la E equivalente a la suma algebraica (con su signo) de las fems de cada uno de los generadores. En el caso concreto del circuito de CC de la figura 1.27: E [12] I = ri + RL + R

Resistencia

I: intensidad del circuito en amperios (A) E: fem que produce el generador en voltios (V)

Resistencia con tomas fijas Devanados, bobinas (inductancias)

ri: resistencia interna del generador en ohmios (Ω) RL: resistencia de la línea (IDA + VUELTA) (Ω) R: resistencia del receptor en ohmios (Ω)

1)

Si en la ecuación de la intensidad [12] analizamos todas las caídas de tensión: [13] Uig = I · ri

Ídem con tomas fijas

Uig: caída de tensión interna en el generador. En voltios (V)

[14] u = I · RL

1)

Condensador

u: caída de tensión en la línea. En voltios (V)

[15] U = R · I Condensador con tomas

U: tensión en bornes del receptor.

Multiplicando cada ecuación anterior por la intensidad, obtenemos las diversas potencias que intervienen en el circuito:

Tierra

[16] Pg = E · I = I2 (ri + RL + R) Pg: potencia del generador en vatios (W)

Masa En escalones

Continua

General

Variabilidad extrínseca

[17] Pig = Uig · I = I2 · ri Pig: potencia perdida en el interior del generador (W)

[18] PPL = RL · I2 PPL: potencia perdida en la línea (W)

Variabilidad intrínseca

[19] P = U · I = R · I2 P: potencia de entrada o absorbida por el receptor (W)

El rendimiento de la transmisión para todo el circuito es la relación entre la potencia absorbida por el receptor y la potencia generada por el generador, y tiene por expresión:

Lámpara incandescente Lámpara de descarga

Motor

[20] η = M

Bobina de reactancia con núcleo 1) Utilizados preferentemente en este libro a

Tabla 1.8. Simbología.

P U·I R·I·I R = = = (R · I + ri · Ii + RL · I)I R + ri + RL Pg E · I

11. Transferencia de máxima potencia Como hemos visto, el rendimiento de la transmisión para todo el circuito es mayor cuanto menor sean las resistencias internas del generador y la resistencia de la línea. Se disminuyen las pérdidas si se aumenta la sección en los conductores de la línea, lo que encarece la instalación, cosa que siempre interesa cuando se trata de transmitir potencias con consumos elevados (véase epígrafe 12).

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caso práctico inicial

EJEMPLO

Cálculo del rendimiento de un circuito de CC.

Cálculo del rendimiento de un circuito de CC Un circuito resistivo de CC está formado por una batería de 24 V de fem y 1 Ω de resistencia interna, con un receptor de 24 V-100 Ω instalado a 50 m con conductores de cobre de 1,5 mm2 de sección. Calcular la potencia perdida total y el rendimiento Solución: Resistencia total del circuito: ΣR = ri + RL + R = =1+

(0,01786 · 2 · 50) + 100 = 102,19 Ω 1,5

Intensidad de circuito: I =

E 24 = = 0,23485 = 234,85 mA ΣR 102,19

Potencia perdida: Pp = (ri + RL) · I2 = (1 + 1,19) · 0,234852 = 0,120 W = 120 mW Rendimiento: η = R/(ri + RL + R) =

100 = 0,9785 ⇒ 97,85% 102,19

En ciertas aplicaciones con generadores de muy poca potencia y elevada resistencia interna, como sucede con: pequeños electrodomésticos, juguetes, electrónica de consumo y telecomunicación, interesa calcular la máxima potencia que puede suministrar el generador aunque sea a costa de obtener un muy bajo rendimiento en la transmisión.

11.1. Si la resistencia de la línea es nula

saber más En un circuito de CC siempre coincide el valor de la potencia perdida en la línea y en tanto por ciento, con el tanto por ciento de caída de tensión (lo puedes comprobar con este ejemplo calculando: Pp% y Δu%

En el caso de un receptor conectado directamente al generador, la resistencia de los conductores de unión (figura 1.28a) es cero. Matemáticamente, se demuestra que se obtiene la máxima potencia transferida a la carga, cuando el valor de la resistencia de la carga (R) es igual al valor de la resistencia interna del generador (ri). [21] Condición máxima potencia: ri = R R = R = 0,5 R + ri R+R

En estas condiciones, el rendimiento es: η =

Es decir, el 50%. Esto solo interesa con pequeños consumos en los que el ahorro en el coste de fabricación compensa el que el 50% del consumo sean pérdidas.

A

M

A

U = R1 · I 2

Español-Inglés Esquema eléctrico: electrical diagram.

M

A

M

vocabulario

Reactancia: reactance. Cortacircuito fusible: fuse. E ri

E UG = UR

E

R ri

UG

UR

R ri

B

b)

c)

U R1

RR

UR

UG

U = R2 · I 2

a)

R1

B

a Figura 1.28. Circuito de CC: a) Sin resistencia de línea. b) Con resistencia línea. c) Con resistencia regulable R1 conectada en serie con la carga R.

Interruptor automático: circuit breaker.

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Unidad 1

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11.2. Con resistencia de línea Si el circuito es como el de la figura 1.28b, en el que también existe una resistencia de línea (RL = R1 + R2), igualmente se demuestra: [22] Condición de máxima potencia: ri = R + RL Sustituyendo estos valores en la fórmula [20] del rendimiento, éste resulta ser también del 50% para la condición de máxima potencia.

11.3. Caso de una resistencia regulable Si se conecta en serie una resistencia de carga (R) con una resistencia variable (R1), como se indica en la figura 1.28c, se demuestra igualmente que la máxima potencia del circuito, para una tensión constante (U), se obtiene cuando el valor de la resistencia regulada R1 más la de la carga R es igual al de la resistencia interna ri del generador.

12. Caída de tensión y sección de la línea En el circuito de CC como el de la figura 1.28b se determina el valor de la sección de los conductores de la línea en función de la caída de tensión, u = RL · I, 2ρl sustituyendo la resistencia de la línea por su valor R L = y despejando la S sección. [23] S =

2·ρ·l·I 2·ρ·l·P = Δu U · Δu

ρ: resistividad del conductor de la línea (Ω · mm2/m) l: longitud de la línea (solo ida) en metros (m) I: intensidad de la línea en amperios (A) Δu: caída de tensión, valor absoluto en voltios (V) U: tensión en bornes del receptor en voltios (V) P: potencia del receptor en vatios (W)

caso práctico inicial El cálculo de la caída de tensión y de la potencia perdida es imprescindible para optimizar el transporte de energía eléctrica.

En el REBT, la máxima caída de tensión permitida en la línea viene dada en tanto (Ug – U) 100 por ciento, Δu % = , por lo que en este caso el valor de la sección: U [24] S =

200 · ρ · l · I 200 · ρ · l · P = U · Δu% U2 · Δu%

En la unidad 11 se estudia con detalle el cálculo de secciones, comparar fórmula 18 con esta fórmula 23 y las observaciones que hacemos acerca de la tensión nominal.

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13. Efecto Joule El efecto Joule representa la aplicación del principio de conservación de la energía a la transformación de energía eléctrica en calor. Tiene por expresión:

vocabulario

[25] Q = R · I2 · t

Cantidad de calor necesaria para elevar en 1 ºC la cantidad de un kilogramo de la sustancia de que se trate.

Q: cantidad de calor producida en julios (J) R: resistencia del conductor en ohmios (Ω) I: intensidad que circula en amperios (A) t: tiempo transcurrido en segundos (s)

En la práctica es frecuente utilizar la caloría como unidad de calor, aunque no pertenece al SI. Nosotros trabajaremos con la caloría subquince, o caloría gramo (c15). El equivalente entre las unidades eléctricas y mecánicas se relaciona por: 1 julio = 0,239 calorías, (1 J = 0,239 cal); 1 cal = 4,185 J La cantidad de calor aportada o extraída de un cuerpo depende del producto de la masa por la capacidad térmica específica (calor específico) y por la variación de la temperatura que sufre el cuerpo. [26] Q = m · c (θ2 – θ1) Q: cantidad de calor en julios (J) m: masa del cuerpo en kilogramos masa (kg) c: calor Específico J/kg · ºC

Calor específico (c)

Caloría subquince Cantidad de calor necesaria para elevar de 14,5 ºC a 15,5 ºC la temperatura de un gramo de agua exenta de aire, a una presión constante de 101,325 kPa.

Efecto Joule La cantidad de calor producida en un conductor en un tiempo t, por el paso de una corriente eléctrica constante, es proporcional al cuadrado de la intensidad (I) de la corriente por la resistencia (R) del conductor.

vocabulario Español-Inglés Calor específico: specific heat. Cantidad de calor: heat energy.

θ2 – θ1: salto térmico en ºC, si es (+) el cuerpo cede calor.

En la fórmula [26], la cantidad de calor viene dada en calorías si la masa se da en gramos, el calor específico en cal/g · ˚C y el salto térmico en ˚C.

EJEMPLO Cálculo de la cantidad de calor Calcular la cantidad de calor que se produce, cada hora de funcionamiento, en el interior de la batería, en la línea y en el receptor del circuito del ejemplo anterior. Solución: En el interior de la batería: Qi = ri · I 2 · t = 1 · 0,234852 · 3.600 = 198,55 J En la línea: QL = RL · I 2 · t = 1,19 · 0,234852 · 3.600 = 236,28 J En el receptor: QR = R · I 2 · t = 100 · 0,234852 · 3.600 = 19.855 J La cantidad de calor se puede obtener en cal si las cifras anteriores las multiplicamos por 0,239 cal/J. Observa que las cantidades de Qi y QL son pérdidas, y la cantidad de calor QR corresponde a la energía útil transformada en el receptor por efecto térmico.

CALORES ESPECÍFICOS (c) Sustancias

Cal/g · ºC

Agua . . . . . . . . . . . . . . . Aceite. . . . . . . . . . . . . . . Aluminio. . . . . . . . . . . . . Bronce . . . . . . . . . . . . . . Cobre . . . . . . . . . . . . . . . Constantán. . . . . . . . . . . Ebonita. . . . . . . . . . . . . . Estaño . . . . . . . . . . . . . . Grafito . . . . . . . . . . . . . . Hierro . . . . . . . . . . . . . . . Latón . . . . . . . . . . . . . . . Mica . . . . . . . . . . . . . . . . Níquel. . . . . . . . . . . . . . . Oro. . . . . . . . . . . . . . . . . Parafina . . . . . . . . . . . . . Plata . . . . . . . . . . . . . . . . Plomo. . . . . . . . . . . . . . . Porcelana . . . . . . . . . . . . Tungsteno. . . . . . . . . . . . Vidrio . . . . . . . . . . . . . . . Zinc . . . . . . . . . . . . . . . . a

1,00 0,44 0,22 0,09 0,09 0,09 0,34 0,05 0,20 0,11 0,09 0,20 0,11 0,03 0,59 0,05 0,03 0,50 0,03 0,20 0,09

Tabla 1.9. Calores específicos.

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Unidad 1

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ACTIVIDADES FINALES 1. Cálculo de la resistencia por unidad de longitud Realiza una tabla de doble entrada, en la que figuren las resistencias que ofrece cada metro de longitud de conductor de 1,5-2,5-4-6-10-16 mm2 (abscisas), en los casos de ser de plata, cobre, aluminio y constantán (ordenadas). Marcar las secciones de cobre y de aluminio que ofrecen la misma resistencia por unidad de longitud. 2. Gráfico de densidades de corriente Haz un gráfico de densidades de corriente para cables de 1,5 a 95 mm2, si la intensidad que permite el REBT para cada sección es: 1,5 mm2-16 A, 2,5 mm2-22 A, 4 mm2-30 A, 6mm2-38 A, 10 mm2-53 A, 25 mm2-96 A, 35 mm2-115 A, 50 mm2-145 A, 70mm2-185 A, 95 mm2-235 A. Tomar en abscisas la sección (escala 1 mm2 = 1 mm) y en ordenadas la intensidad (escala 1 A/mm2 = 10 mm). 3. Cálculo del rendimiento Una resistencia de 2.200 W-230 V se conecta con un cable de 2,5 mm2 de sección a una red que dista 80 m. Calcula la caída de tensión, la tensión en el origen, la potencia perdida y el rendimiento de la transmisión. 4. Cálculo de la sección Calcula la sección a instalar, de conductores de cobre, para que una resistencia de 1.100 W-230 V conectada a una red que dista 100 m produzca una caída de tensión máxima del 5%. 5. Cálculo del efecto térmico Calcula la cantidad de calor, por unidad de tiempo, producido como pérdidas en la línea y como energía útil en el receptor del problema anterior con la sección comercial de cobre instalada. 6. Cálculo de la potencia eléctrica calorífica Se quieren hervir 4 litros de agua que inicialmente están a 20 ºC. Calcula la potencia del receptor eléctrico para que el líquido entre en ebullición en 5 minutos. Se supone perfecta la transformación y que el recipiente y el receptor están exentos de pérdidas. 7. Consumo de un radiador eléctrico. RELACIÓN ENTRE LAS PRINCIPALES UNIDADES DE ENERGÍA Unidades

Julio

Termia

Caloría

Tep

Tec

kWh

Julio (J)

1

2,28920 x 10–7

2,38920 x 10–1

2,38920 x 10–11

3,4134 x 10–11

2,77778 x 10–7

Termia (th)

4,18550 x 106

1

1 x 106

1 x 10–4

1,42857 x 10–4

1,16264

Caloría (cal)

4,18550

1 x 10–10

1

1 x 10–10

1,42857 x 10–10

1,16264 x 10–6

Tonelada equivalente de petroleo (tep)

41,8550 x 109

1 x 104

1 x 1010

1

1,45857

1,16264 x 104

Tonelada equivalente de carbón (tec)

29,2985 x 109

7 x 103

7 x 109

7 x 10–1

1

8,13847 x 103

Kilovatio hora (kWh)

3,60000 x 106

8,60112 x 10–1

8,60112 x 105

8,60112 x 10–5

1,22873 x 10–4

1

a

Tabla 1.10.

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La corriente eléctrica

Un radiador eléctrico de potencia 1.000 W, consume 120 kW·h al mes (120 kW · h/mes). Si está conectado 4 h/día y 30 días/mes, para un funcionamiento equivalente a este y utilizando la tabla anterior. Calcula: a) Meses de funcionamiento que podemos calentar si utilizamos o consumimos 1 tep. b) Meses de funcionamiento que podemos calentar si utilizamos o consumimos 1 tec. c) El número de termias que suministra dicho radiador en un mes con ese régimen de funcionamiento. 8. Una plancha eléctrica tiene una resistencia de 40 Ω y absorbe una intensidad de 5,5 A Calcula: a) La cantidad de calor producida por hora. b) La energía diaria que consumo si se utilizan durante 4 horas. c) El coste de la energía consumida durante dos meses si se usa 20 días cada mes y el kW · h cuesta 0,25 €. 9. Se quiere tender una línea de 30 metros para alimentar un motor de CC que absorbe 10 kW con una tensión nominal de 110 V. a) Calcula la sección de los conductores de cobre para que la caída de tensión en la línea no exceda el 2%. b) Comprueba que la densidad de corriente en la línea no supera el límite de 5 A/mm2 que puede soportar. 10. La resistencia de calentamiento de un depósito de agua de 100 litros es de 20 Ω y funciona a 440 V. Si se encuentra a una temperatura de 20 ºC y suponiendo que no hay pérdidas de calor, ¿cuál será la temperatura del agua cuando la resistencia lleve funcionando media hora?

entra en internet 11. Busca en la web las principales empresas y organizaciones de electricidad en nuestro país e investiga la información que nos suministran. • http://www.unesa.net • http://www.endesa.es • http://www.iberdrola.es • http://www.endesa.es • http://www.unionfenosa.es • http://www.repsolypf.es • http://www.ree.es 12. Consulta en la web las páginas de los siguientes fabricantes y organizaciones de material eléctrico. • http://www.omel.es • http://www.abb.es • http://www.alstom.com

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Unidad 1

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PRÁCTICA PROFESIONAL HERRAMIENTAS

Centrales térmicas en España

• Ordenador y catálogos

MATERIAL

OBJETIVO

• Papel

Definir y realizar el esquema de flujo de centrales térmicas convencionales, de ciclo combinado y térmicas nucleares indicando la potencia instalada en España.

DESARROLLO A) CENTRALES TÉRMICAS CONVENCIONALES Definición y fundamento Una central térmica convierte la energía química de los combustibles fósiles en energía eléctrica. Durante la combustión se produce vapor de agua a alta presión cuya energía cinética mueve una turbina acoplada al alternador que genera electricidad según la ley de la inducción electromagnética Faraday-Lenz. Energía química

⎯⎯→

Energía cinética

⎯⎯→

Energía eléctrica

Esquema sinóptico de funcionamiento En las centrales térmicas convencionales, la energía química contenida en el combustible fósil (carbón, gas o petróleo) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. La única diferencia sustancial consiste en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible a la entrada (1) de la caldera antes de ser inyectado en los quemadores (2). Los quemadores deben de ser también diseñados en función del tipo de combustible fósil. Dentro de la caldera o cámara de combustión existe el generador de vapor (3) que se bombea a alta presión y entra en la turbina de vapor de tres cuerpos (alta, media y baja presión, 7-8-9,) para aprovechar mejor la fuerza del choque que incide sobre los álaves haciendo girar el alternador o generador síncrono (10) de CA a 20kV-50Hz. A la salida del alternador (10) se conecta al primario del transformador elevador (11) 20kV/220kV-50Hz y por último a la línea de transporte en Alta Tensión (12) que a 220kV llevará la energía eléctrica hasta la primera estación de interconexión de la red mallada de AT existente a lo largo de todo el país. El calor residual que no se utiliza en la turbina de vapor se lleva a un condensador (13). Centrales térmicas En la ubicación de centrales térmicas convencionales, priman la proximidad de cuencas mineras y la localización costera –que facilita la importación de la energía primaria–, frente a la proximidad de los grandes centros urbanos de consumo. Como sabemos, el transporte de grandes cantidades de energía eléctrica se resuelve sin grandes dificultades mediante la red de AT. En España podemos clasificar las centrales térmicas en un primer grupo cuya potencia instalada unitaria es superior a 1.000 MW, otro segundo grupo de potencia comprendida entre 300 y 1.000 MW y el resto hasta 300 MW que asciende a más de 200 unidades. De entre los dos primeros grupos destacamos: a) As Pontes de García Rodríguez (A Coruña): Potencia de 1.400 MW. Consume carbón nacional y de importación. La mayor de España. b) Compostilla (León). Potencia 1.312 MW. Consume carbón de la cuenca minera de la zona. c) Litoral de Almería (Carboneras- Almería). Potencia 1.100 MW. Consume carbón importado. d) Castellón (Castellón). Potencia 1.083 MW. Consume fuel-oil. e) Andorra (Teruel). Potencia 1.050 MW. Consume carbón de la cuenca de lignitos aragoneses.

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f) San Adrián (Barcelona): Potencia 1.050 MW. Consume fuel y gas natural. g) Aboño (Asturias). Potencia 903 MW. Consume carbón de la zona. h) Soto de Rivera (Asturias). Potencia 672 MW. Consume carbón de zona. i) La Robla (León). Potencia 620 MW. Consume carbón de zona. j) Alcudia II (Baleares). Potencia 585 MW. Consume carbón. En España, en la actualidad hay una potencia total instalada en centrales térmicas convencionales de unos 40.000 MW y producen, a fecha de 2007, unos 158.000 GWh, lo que representa el 50% de la energía eléctrica total producida. Ver datos con más detalle en la unidad 2.

Turbina vapor alta presión

Alternador CA 50 Hz

Turbina vapor media presión

Chimenea salida humos

12

Turbina vapor baja presión

4 7

Torres de AT

8

Cámara combustión

9

10 11 Transformador

Carbón Petróleo Gas natural

3

6 Generador de vapor

Bomba a presión (se inicia ciclo) Quemador

1 Tratamiento según tipo de energia primaria

2

5

Torre de refrigeración

13 Condensador 16 14

Suministro de H2O

Residuos escoria-cenizas

a

Figura 1.29. Sinóptico de una central térmica convencional.

15

B) CENTRALES TÉRMICAS DE CICLO COMBINADO Definición y fundamento Una central térmica de ciclo combinado convierte la energía química de la combustión del gas natural, gasóleo o incluso carbón gasificado, en electricidad. Tiene dos turbinas: la primera de gas, a la que se le acopla un alternador; y una segunda de vapor en la que se utilizan los gases de escape de la anterior y a la que también se conecta un alternador. Ambos alternadores generan electricidad mediante la ley de la inducción electromagnética Faraday-Lenz. Esquema sinóptico de funcionamiento Se indica en la siguiente figura. Observa diferencias y similitudes entre este y el anterior (figuras 1.29 y 1.30).

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Unidad 1

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PRÁCTICA PROFESIONAL (cont.) Centrales térmicas de ciclo combinado En la actualidad esta tecnología exige una fuerte apuesta por el gas natural y la que se está aplicando es la tecnología CCGI (ciclo combinado de gasificación integrada) que ofrecen una oportunidad para continuar con el uso del carbón (si se gasifica previamente) en la producción de energía eléctrica. Con este tipo de centrales se consiguen rendimientos superiores al 55% frente al 35% de las centrales térmicas convencionales. La potencia de la turbina de vapor aprovecha el 30-40% de la potencia total de la central. Una central pionera en el mundo (con tecnología CCGI) es la de Puertollano con 335 MW instalados con carbón coque y petróleo en la relación 50/50%. Intercambiador Alternador nº2

Chimenea salida de humos

Turbinas de vapor

Caldera / Cámara de combustión

Líneas de AT

Transformador

Alimentacion de gas

GAS Generador de vapor

Torre de refrigeración

Aire caliente Alternador nº1

Líneas de AT

Transformador Entrada de aire frío exterior a

Suministro de H2O Bomba a presión (se inicia ciclo)

Turbinas de gas

Figura 1.30. Sinóptico de una central térmica de ciclo combinado.

C) CENTRALES TÉRMICAS NUCLEARES Definición y fundamento Son centrales nucleares las que utilizan el proceso de fisión nuclear en un reactor, en el que la cantidad de energía liberada se utiliza para producir vapor de agua a alta presión cuya energía cinética mueve una turbina acoplada al alternador que genera electricidad según la ley de la inducción electromagnética Faraday-Lenz. Esquema sinóptico de funcionamiento Se indica en la siguiente figura. Como vemos, en el esquema sinóptico, una central nuclear se puede considerar como un central térmica (de ahí el epígrafe de térmica nuclear), con la grandísima diferencia de que el combustible es un material radiactivo como el uranio.

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Centrales térmicas nucleares

Puesta en servicio

Potencia (MW)

Producción (millones de kWh)

José Cabrera

1968

160

1.169

Sª Mª de Garoña

1971

466

4.031

En España la producción de electricidad de origen nuclear data del año 1968 con la primera central, José Cabrera (Guadalajara), con una potencia instalada de 160 MW y que ha dejado de funcionar en los años 2005/2006.

Nombre

Almaraz I

1981

974

7.765

En la siguiente tabla se indica la distribución por potencias de los 9 grupos nucleares que suman en total una potencia instalada en España de 7.870 MW, en 2009, así como el año de puesta en servicio.

Almaraz II

1983

983

7.683

Ascó I

1983

1.028

8.010

Ascó II

1985

1.015

8.796

Cofrentes

1984

1.025

7.715

Vandellós II

1987

1.082

8.304

Trillo

1988

1.066

7.733

7.799

62.206

Total a

Paredes de hormigón y acero

Tabla 1.11. Fuente UNESA (año 2000).

Reactor

Línea de transporte AT

Doble edificio de contención Generador de vapor

Generador o alternador

Turbinas de vapor Vapor a presión

Transformador

Condensador Bombas, se inicia nuevo ciclo

Núcleo del reactor

Fluido conductor de calor

Barras de combustible

a

Torre de refrigeración

Figura 1.31. Sinóptico de una central nuclear.

Bombas

Suministro de H2O

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Unidad 1

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MUNDO TÉCNICO

EN

Seguimiento de las previsiones energéticas Cada día se constata el crecimiento de la población mundial, el aumento considerable del consumo junto a la necesidad del suministro de forma fiable, el aumento de la contaminación y la gran dependencia de las energías fósiles. Esta situación nos obliga a pensar y a actuar, dentro de nuestra profesión electrotécnica, de forma más comprometida en el seguimiento de la previsión y de las alternativas energéticas que se nos pueden presentar. Por todo ello, en principio, te invitamos a que reflexiones sobre estos datos que exponemos y en futuro próximo hagas seguimiento y actualización constante en estos temas que siempre estará vigentes en nuestro mundo laboral. El consumo mundial La población mundial se ha incrementado en más de un 12% en los últimos 10 años, llegando a 6.400 x 106 habitantes de los cuales 1.700 millones no tienen acceso a la energía eléctrica. El consumo actual, mundial anual, de la energía primaria es de 11.000 Mtep y de electricidad de 18.000 TWh. INCREMENTO POBLACIÓN EN LOS ÚLTIMOS 10 AÑOS Población mundial (100%)

12%

Este y Sureste de Asia (55%) Europa (13,6%) a

1,4%

INCREMENTO CONSUMO ENERGÍA PRIMARIA EN LOS ÚLTIMOS 10 AÑOS

INCREMENTO CONSUMO ENERGÍA ELÉCTRICA EN LOS ÚLTIMOS 10 AÑOS

20%

31,5%

35%

60%

7,3%

16%

Tabla 1.12.

El consumo de energía primaria aumentará constantemente a un ritmo anual del 2-3% y se distribuirá por sectores: 35% industria, 25% transporte y 40% residencial-terciario. De la demanda total final de energía la electricidad representará el 25%, en 2030, y se prevé que la mitad de la producción eléctrica procederá de las tecnologías surgidas en la década de los 90, como son las turbinas de gas de ciclo combinado, las tecnologías avanzadas del carbón y las energías renovables. Estas últimas representarán el 4% frente al 2% actual gracias a la implantación de la energía eléctrica eólica terrestre y marina. En un informe de Greenpeace de 2008, se plantea un objetivo para 2050 en el que más de un tercio de la electricidad mundial proceda de la energía eólica. Así mismo, se pretende que el 50% de la electricidad proceda de energías renovables (ver unidad 2). La CE y suministro en la UE A fecha de noviembre de 2008 (segunda revisión de la estrategia energética) la CE (Comisión Europea) apela a la solidaridad de los 27 países miembros, para evitar interrupciones en el suministro energético en la UE y mitigar la dependencia exterior. Según el siguiente cuadro los datos y objetivos que se plantean son: PRIMERA REVISIÓN CE

SEGUNDA REVISIÓN 2008

Objetivos medioambientales conocidos como el 20-20-20: a) Reducción 20% gases efecto invernadero respecto a 1990. b) Alcanzar 20% en producción de energías renovables. c) Rebajar el consumo energético en un 20%. Actuar sobre las causas: – Gases efecto invernadero. – Contaminantes acidificantes. – Baja eficiencia energética.

Se plantean varios objetivos, entre los que se encuentran: a) Implantar nuevas infraestructuras para reducir la dependencia exterior (en la UE se importa el 84% de gas natural y el 90% de petróleo). b) Mejorar la eficiencia energética revisando la normativa vigente sobre edificios, electrodomésticos e introducir un nuevo etiquetado de neumáticos que indique su consumo. c) El resto se refieren a la transparencia en la información y comercialización.

a

Tabla 1.13. Revisiones de la estrategia energética en la CE.

En definitiva, se trata siempre de incidir sobre la seguridad en el suministro, la eficiencia energética, el precio y la protección del medio ambiente.

EV

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EN RESUMEN ENERGÍAS PRIMARIAS PARA GENERACIÓN ELÉCTRICA

Carbón

Gas

Petróleo

Uranio

Hidráulicas

Eólica-solar

Biomasa

Otras

Ley de la inducción electromagnética

Magnitudes y (unidades) eléctricas

Intensidad (amperio)

Tensión (voltio)

Resistencia (ohmio)

Receptor eléctrico

Circuito eléctrico

Potencia (vatio)

Energía (julio)

Usos y aplicaciones diversas

Múltiplos y submúltiplos

Satisfacer múltiples necesidades de la sociedad

EVALÚA TUS CONOCIMIENTOS 1. El símbolo de la unidad de intensidad de corriente del SI es: a) A

b) C · s

c) A · s

b) El hertz.

c) El vatio.

3. El símbolo de la magnitud tensión eléctrica en el SI es: a) A/W

b) U

c) V

4. ¿Por cuánto hay que multiplicar los ohmios · metro para obtener ohmios · cm?: a) 10–2

b) 102

c) 104

5. La velocidad con la que se realiza o consume un trabajo se llama a) Densidad de corriente.

(

b) Velocidad eléctrica W =

W t

)

6. La corriente eléctrica produce efectos como:

2. La unidad de la magnitud tensión eléctrica en el SI es: a) El voltio.

(

c) Potencia P =

a) Térmicos y luminosos. b) Químicos y electromagnéticos. c) Ambas son ciertas. 7. En todo circuito eléctrico si el producto U · I sale positivo (+), entendemos que: a) El generador suministra energía. b) El receptor absorbe energía. c) Ambas son ciertas. 8. La tensión e intensidad de un circuito abierto valen, respectivamente: a) Fem del generador-cero. b) Fem del generador-infinito.

P t

)

c) Cero-cero.

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