1. INTRODUCCIÓN
En este tema comenzaremos estudiando los fenómenos eléctricos y magnéticos y su interacción mutua, fenómeno que es conocido como inducción electromagnética. Por otra parte, la inducción electromagnética es el fenómeno en que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, motor eléctrico y transformador, dispositivos gracias al que fue posible el desarrollo de la era eléctrica y a finales del siglo XIX. Esto nos llevará a tratar, en la segunda parte del tema, la energía eléctrica como una forma privilegiada de energía, gracias a sus facultades de conversión directa en otras formas de energía como la química o luminosa. La evolución de las necesidades energéticas de la sociedad a partir de la instalación de las primeras centrales de producción de energía eléctrica para su consumo generalizado por la población ha sido creciente y plantea, actualmente. El problema del agotamiento de las energías convencionales y la consecuente búsqueda de energías alternativas o renovables, con cuyo estudio cerraremos el tema.
2. NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA
2.1.Antecedentes históricos
Los fenómenos de la electricidad y el magnetismo fueron conocidos por los antiguos griegos. Tales de Mileto observó que cuando se frotaba el ámbar éste atraía pequeños objetos tales como plumas o pajitas. Elektron de ello procede de ámbar.
Teofrasto realizó un estudio a los materiales capaces de producir fenómenos eléctricos escribiendo el primer tratado sobre la electricidad.
Gilbert realizó estudios sobre electricidad y magnetismo, demostrando que distintas sustancias al ámbar tenían las mismas propiedades.
Du Fay hay dos tipos de electricidad: la producida por el ámbar frotado, lacre, vulcanita y otras sustancias resinosas y la producida frotando sustancias vítreas como el vidrio y la mica y también estableció que dos tipos iguales de cargas eléctricas se repelen mutuamente, mientras que dos tipos distintos se atraen. Los elementos neutros se suponían que tenían a partes iguales material resinoso y vítreo.
Franklin descubrió además que el fluido eléctrico podía transferirse de un cuerpo a otro de dos formas, por frotamiento, de forma que parte del fluido eléctrico de un cuerpo se transfiere al otro, si ambos cuerpos se conectan mediante determinadas sustancias, en especial metales. Primer indicio de la conducción eléctrica, pone de manifiesto que la electricidad tiene una existencia por sí misma y no es solamente una propiedad y impuesta al cuerpo, además de las implicaciones en lo que se refiere a conservación de carga eléctrica, es decir, la carga no se crea por frotamiento eléctrico simplemente se transfiere.
Priestley dedujo que la fuerza entre dos cargas eléctricas es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, del mismo modo que ocurre con la fuerza gravitatoria entre dos masas. Ley confirmada por Coulomb.
Posteriormente se sucedieron avances significativos en el estudio de la electricidad, los fenómenos eléctricos producidos por cargas en movimiento en el interior de un material conductor.
James Maxwell unificó las leyes de la electricidad y el magnetismo en un conjunto reducido de leyes matemáticas.
2.2.estructura interna de la materia: conductores y aislantes
La materia está compuesta por moléculas, formadas a su vez por átomos, que en un principio se suponían indivisibles. El átomo consta de un núcleo central del orden de 10-14 micras, en el que se concentra prácticamente toda la masa del átomo y que está formado por otras partículas elementales denominados protones y neutrones. Girando en órbita alrededor del núcleo se encuentran unas partículas elementales llamadas electrones, dotadas de carga eléctrica. Órbita del orden de 10-10 micras, por tanto muy grande en comparación con el núcleo.
La masa del protón es 1836 veces la masa del electrón y su carga eléctrica es igual a la carga del electrón pero su signo es contrario. El neutrón tiene una masa prácticamente igual a la del protón pero no tiene carga eléctrica alguna. Así pues, la masa y la carga eléctrica caracterizan las partículas elementales. La carga del electrón se ha tomado como unidad fundamental de carga y, por convención, su signo es negativo. Cualquier otra carta eléctrica puede expresarse como un número entero de veces la carga del electrón. Esto nos conduce a una propiedad importante de la carga eléctrica que es su cuantización.
El átomo en estado normal es eléctricamente neutro, pues el número de electrones y protones es el mismo. Sin embargo, los átomos pueden presentar propiedades eléctricas distintas en función del número de electrones que poseen y de la forma en que éstos se distribuyen alrededor del núcleo.
Los átomos se unen formando moléculas y éstas se entrelazan formando las sustancias. De la forma en cómo estas uniones se producen dependen las propiedades eléctricas y magnéticas de la materia.
Desde el punto de vista de las propiedades eléctricas, la materia puede clasificarse en:
– sustancias conductoras: en las que las cargas eléctricas se desplazan fácilmente por todo el volumen que ocupa la materia, al estar los electrones débilmente ligados al átomo. Los átomos que han perdido uno o más electrones quedan con exceso de carga positiva, ocupando posiciones fijas dentro de la materia. Mientras, los electrones desligados forman una nube electrónica dentro del volumen que ocupa la sustancia, con propiedades parecidas a la de un gas confinado, por lo que se conoce también como gas electrónico. Son conductores todos los metales y algunas otras sustancias.
– Sustancias aislantes: en las que la carga eléctrica no se desplaza con facilidad. En las sustancias aislantes los electrones están fuertemente ligados al átomo y no pueden desplazarse por el volumen que ocupa la sustancia, salvo si ésta es sometida a tensiones como las que se crean los campos eléctricos o, como hemos visto en el apartado anterior, si se frotan con otro material, en cuyo caso puede perder o ganar carga eléctrica por transferencia entre ambos materiales.
– Sustancias semiconductoras: en unas condiciones se comportan como conductoras y en otras como aislantes.
– Sustancias superconductoras: a temperaturas cercanas al cero absoluto, ciertos metales adquieren una conductividad infinita, es decir, la resistencia al flujo de cargas se hace cero. Una vez que se establece una corriente eléctrica es un superconductor, los electrones fluyen por tiempo indefinido. Como ejemplo se puede observar la transmisión del impulso nervioso el cual usa las despolarizaciones en el axón de las neuronas que se comportan análogamente a un conductor eléctrico, pudiendo emplear vainas de mielina rodeándolos a modo de aislante eléctrico. Para ello se emplean canales de iones dependientes de voltaje. La entrada masiva del ion sodio hace que se invierta la carga eléctrica entre el interior y el exterior de la membrana. El cierre posterior de los canales para el sodio y la salida de iones potasio a través de sus canales específicos, hace que se recupere el potencial de membrana de reposo de -70 mV. En algunos materiales biológicos se pueden observar propiedades eléctricas en determinadas condiciones, así tenemos: piel de conejo, el pelo humano, la lana, la seda, el papel, el algodón, la madera, el ámbar
2.3.concepto de carga eléctrica. Propiedades de la carga eléctrica. Ley de coulomb
La naturaleza presenta un estado que es eléctricamente neutro, dado que los átomos, constituyentes fundamentales de la materia, poseen igual número de electrones que de protones en su estado normal. De la estructura atómica se deduce que la cantidad de electricidad de un cuerpo es fija, por tanto, podemos hablar de exceso de electricidad negativa o defecto de electricidad negativa, según la materia esté cargada negativa o positivamente.
Se denomina carga eléctrica o cantidad de electricidad al defecto o exceso de electrones respecto al número de protones. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente y por definición, los electrones tienen carga -1, también notada –e. los protones tienen la carga opuesta, +1 o +e. los neutrones no poseen carga eléctrica. Existen otras partículas subatómicas, los quarks que tienen carga fraccionaria -1/3 o +2/3, aunque no se han observado aislados en la naturaleza.
Los experimentos de Coulomb y otros científicos en relación a las fuerzas entre cargas eléctricas se resumen en la ley de Coulomb:
“dos cuerpos cargados se ejercen una fuerza atractiva o repulsiva que varía con la distancia de forma inversamente proporcional al cuadrado de la misma. La fuerza es repulsiva cuando las cargas eléctricas son del mismo signo y atractivas cuando son de signo contrario”
O por otro lado dice “la fuerza con que se atraen o se repelen dos cargas es directamente proporcional al producto de ambas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa” duchas cargas se atraen si son de signo opuesto y se repelen si son del mismo signo.
Esto puede expresarse matemáticamente como F=Kqq’/r2 ecuación de la ley de Coulomb, donde r es la distancia entre las dos cargas q y q’, F es la fuerza que actúa sobre cada carga y K es una constante a determinar según nuestra elección de unidades.
En el sistema internacional la unidad de carga es el coulomb o culombio (C) que se define como la cantidad de carga que situada frente a otra igual a la distancia de un metro en el vacío la repele con una fuerza de 9.108 N. en este sistema la unidad fundamental no es la de carga sino la de corriente, por tanto un Coulomb es igual a la carga que fluye por un conductor en un segundo cuando la corriente es de un amperio (A). El valor de la constante K se ha calculado experimentalmente. Se ha visto que tal constante depende del medio en el que se encuentren situadas las cargas. Cuando las cargas se encuentran situadas en el vacío, la constante toma el valor de 9×109 N.m2/C2 . Cuando cambia el medio cambia el valor de la constante, de forma que en los otros medios su valor es siempre menor, por lo que suponemos que en el resto de medios la interacción entre las cargas es menor. La constante K la podemos poner en función de la permisividad o constante dieléctrica de cada medio ε0, quedando del siguiente modo: K=1/4π ε0.
Como resumen sobre la naturaleza eléctrica de la materia debemos señalar tres importantes propiedades de la carga eléctrica:
– principio de conservación de la carga: la carga eléctrica ni se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro
– la carga está cuantizada, en unidades enteras de la unidad elemental que es la carga del electrón, e= 1,6×10-19 C
– ley de Coulomb: la fuerza entre dos cargas puntuales varía de forma inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas.
2.4.campo eléctrico y potencial eléctrico
Al igual que ocurría con la fuerza gravitatoria, era difícil explicar como la fuerza eléctrica actúa a distancia. Este inconveniente fue solventado por Faraday cuando definió el concepto de campo eléctrico- el campo eléctrico es una modificación en una zona del espacio, que por acción de una carga q situada en el mismo, es capaz de atraer hacia si otra carga que entre en dicha zona. Su presencia se detecta por la aparición de una fuerza sobre la carga de prueba que colocamos en dicho campo eléctrico. La intensidad del campo eléctrico se define como la fuerza ejercida por unidad de carga positiva colocada en un punto. Matemáticamente, su valor lo calculamos como:
E=F/q= K. (Q/d2) o E= (q/4π ε0r2). Se trata de una magnitud vectorial, cuyo módulo, dirección y sentido dependen de la posición de las cargas. En el SI se mide en N/C
Si el campo eléctrico es creado por una carga positiva, la dirección del vector campo está dirigido radialmente, y sale de la carga. Si la carga es negativa, la dirección es radial, pero el sentido está dirigido hacia la carga que lo crea.
Si una carga positiva de 1C se desplaza del punto A al B por la trayectoria indicada, en un punto intermedio tal y como M des esta trayectoria, la fuerza que actúa sobre la carga positiva unidad viene dada por E, siendo E el campo eléctrico en el punto M. por tanto el trabajo elemental para desplazar esta carga a lo largo del segmento es:
V1-V2= W/q. esta fórmula nos dice que el trabajo realizado para desplazar la carga A hasta B es independiente de la trayectoria seguida, y solo depende del punto inicial y final de la misma. A este trabajo se le llama, por definición, diferencia de potencial eléctrico entre los puntos A y B. En el SI la unidad del potencial eléctrico es el V voltio, definido como el potencial de un punto A del campo tal que el trabajo realizado por las fuerzas del mismo para trasladar la unidad de carga positiva de dicho punto al infinito es igual a un julio.
- CORRIENTE ELÉCTRICA
INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA (I) una corriente eléctrica consiste en un movimiento continuo y ordenado de partículas eléctricas a lo largo de un conductor. En el primer caso la corriente se denomina iónica, y en el segundo eléctrica.
Una corriente eléctrica es un flujo de carga eléctrica, electrones, que pasa por un punto determinado. Este flujo tiene lugar normalmente dentro de un conductor, pero no necesariamente.
Matemáticamente la podemos definir como I=Q/t, donde q es la carga que atraviesa la sección del conductor y t es el tiempo. La intensidad en el SI se mide en A (amperios)
Para medir la intensidad experimentalmente se usa el amperímetro, que se conecta en serie al conductor. En cambio, cuando medimos la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor usamos un voltímetro, que conectamos en paralelo.
RESISTENCIA ELÉCTRICA. LEY DE OHM la ley de Ohm la podemos enunciar como la diferencia de potencial entre dos puntos de un conductor metálico es directamente proporcional a la intensidad que circula por el mismo y matemáticamente como: V=I.R donde la constante de proporcionalidad es la resistencia del conductor. La resistencia es la oposición que el conductor pone al paso de la corriente y se mide en el SI en ohmios Ω. Depende de las características del conductor.
Como hemos dicho la constante de proporcionalidad de la ley de Ohm es la resistencia. La hemos definido como la oposición que el conductor pone al paso de la corriente. Hemos dicho que depende de la naturaleza del conductor, pero vamos a estudiar más detenidamente de que depende.
Experimentalmente se puede deducir que la resistencia de un conductor es directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional a la sección del mismo, dependiendo también de la naturaleza del conductor. Esto podemos expresarlo como R=V/I, el cociente V/I es constante y distinto para cada conductor.
TRABAJO Y POTENCIA DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA: LEY DE JOULE en un circuito eléctrico recorrido por una corriente continua, el paso de las cargas erétricas supone una liberación energética, cuyo valor expresado en trabajo realizado es: W=Q (V1-V2) considerando la definición de intensidad como I=Q/T y haciendo los cálculos pertinentes el W nos dará W=I2Rt.
La potencia de una corriente eléctrica es la razón entre el trabajo realizado por esa corriente y el tiempo empleado en realizarlo- P=W/t esta expresión constituye la ley de Joule.
En un circuito eléctrico, los continuos choques de los electrones con los iones metálicos del conductor, producen un intercambio de energía cinética entre unos y otros, lo que se traduce en un aumento de la tª del conductor, desprendiéndose calor. A este fenómeno se le conoce como el efecto Joule, el cual presenta numerosas aplicaciones:
– Se puede aplicar para la medición de la intensidad de la corriente eléctrica mediante amperímetro térmico: consta de un hilo que se dilata en virtud del calor desarrollado al pasar por él una corriente eléctrica, cuando se cierra el circuito
– Cuando el conductor adquiere una tª muy elevada, parte de la energía calorífica se transforma en energía luminosa, utilizando el alumbrado de incandescencia.
– Fusible: consiste en intercalar en las instalaciones hilos conductores muy finos y de bajo punto de fusión, los cuales se funden al pasar por ellos una corriente superior a aquella para la que están calculados. Se evita el paso de subidas bruscas de intensidad de la corriente eléctrica
– Aparatos de calefacción: formados por conductores de pequeña sección y largos, enrollados en espiral para ocupar poco espacio.
- ELECTROMAGNETISMO
4.1.Antecedentes histórico
Oersted fue quien descubrió la relación existente entre los fenómenos eléctricos y magnéticos. Pensó que si la electricidad estática no afecta a los imanes, quizás fuera distinto con la electricidad dinámica. Efectuó un experimento en el que dispuso un alambre metálico en cuyos extremos conectó una pila y situó una aguja de brújula a poca distancia. La aguja, inicialmente orientada en la dirección N-S, giró hasta orientarse en posición perpendicular al hilo metálico. Siempre se colocaba en posición perpendicular. Constató que existía una interacción entre el magnetismo y la corriente eléctrica que él denominó electromagnetismo.
Ampere demostró que las corrientes eléctricas atraen limaduras de hierro. Propuso la teoría de que las corrientes eléctricas son la fuente de todos los fenómenos magnéticos, base de las modernas teorías sobre el comportamiento magnético de los materiales, que es debido a las corrientes eléctricas producidas en el interior de sus moléculas o átomos en forma que el campo magnético es más o menos intenso en función de la igual o desigual desordenación de dichas corrientes eléctricas internas-
Faraday y Henry, demostraron que un campo magnético variable da lugar a un campo eléctrico- Maxwell concluyó que los fenómenos eléctricos y magnéticos son productos de una misma interacción denominada interacción electromagnética, lo que le llevó a formular las ecuaciones de Maxwell.
– Existen portadores de cargas eléctricas, y las líneas del campo eléctrico parte desde las cargas positivas y terminan en las cargas negativas
– No existen portadores de carga magnética, por lo tanto, el número de líneas del campo magnético que salen desde un volumen dado, debe ser igual al número de líneas que entran a dicho volumen.
– Un imán en movimiento genera una corriente eléctrica llamada corriente inducida
– Cargas eléctricas en movimiento generan campos magnéticos.
4.2.Campo magnético
La presencia de un campo magnético puede demostrarse fácilmente, colocando en el punto donde exista una brújula y comprobando si tiende a alinearse en una dirección particular: todo conductor colocado paralelamente a una aguja magnética móvil la desvía de su posición norte-sur, tendiendo a orientarla perpendicularmente a la dirección del conductor.
La perturbación magnética en cada punto se caracteriza por el vector B llamado campo magnético o inducción magnética. Al igual sucedía con el campo eléctrico, conocido como B en un punto se puede saber la fuerza que ejerce sobre un imán o sobre una carga eléctrica en movimiento. Como hemos visto, existen fuerzas magnéticas siempre que una corriente eléctrica se encuentre próxima a un imán. Consideremos una corriente eléctrica rectilínea en las proximidades de un imán. Experimentalmente llega a determinarse dicha fuerza:
– Es proporcional al valor de la intensidad de corriente que circula
– Su dirección y sentido dependen de la dirección y sentido de la intensidad y es siempre perpendicular a la misma
– Para determinada orientación de la intensidad, la fuerza magnética es nula
– Es proporcional al ángulo α entre la velocidad y la dirección anterior en que la fuerza resulta nula
– La fuerza sobre una corriente de intensidad I, es igual en intensidad pero de sentido opuesto, a la ejercida sobre una corriente igual que circula en sentido contrario
Algunas aplicaciones del campo magnético son:
– El ciclotrón: acelera partículas elementales cargadas para hacerlas colisionar y estudiar sus efectos y la naturaleza de las mismas
– El espectrógrafo de masas: determina la relación carga/masa de las partículas para conocer la naturaleza química de las sustancias
– La resonancia magnética (RMN) método de reconstitución de imágenes anatómicas que emplea la propiedad de ciertos núcleos atómicos de comportarse como pequeños imanes y a la vez como pequeños giroscopios.
- INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
El fenómeno de la inducción de campos eléctrico a partir de campos magnéticos fue descubierto de forma casi simultánea pero independiente por los científicos Faraday y Lenz. Por el contrario, la inducción de campos magnéticos a partir de campos eléctricos fue postulada de forma teórica por Maxwell por la necesidad de compatibilidad matemática entre la ley de Ampere y el principio de conservación de la carga. Dada la complejidad matemática que entraña, en este apartado estudiaremos solo los resultados experimentales de Faraday-Henry
5.1.Inducción de campos eléctricos a partir de campos magnéticos. Ley de Faraday-Henry
Hacia 1831, Faraday en Inglaterra y Henry en E.E. U.U., realizaron una serie de experimentos muy sencillos. Uno de ellos consistía en acercar y retirar un imán a una bobina o solenoide que estaba conectada a un Galvanómetro (aparato que mide pequeñas corrientes).
Cuando el imán y la bobina están en reposo, uno respecto del otro, el galvanómetro no detecta paso de corriente. Al acercar el imán a la bobina, el galvanómetro acusa el paso de la corriente eléctrica. Este fenómeno tiene lugar mientras el imán y la bobina están en movimiento relativo. Al alejar el imán, el galvanómetro acusa de nuevo el paso de la corriente, pero ahora en sentido contrario al caso anterior. Si se invierten los polos del imán se invierte el sentido de la corriente que circula por la bobina.
Parece como si el movimiento del imán fuese el responsable de la corriente. Es por ello por lo que recibió el nombre de corriente inducida.
Si repite el experimento con el imán en reposo y movemos la bobina, los resultados son análogos. La corriente inducida se debe al movimiento relativo entre el imán y la bobina, no tiene importancia cuál de ellos es el que se mueve.
Los efectos que se producen en las masas magnéticas dependen, en cierta medida, del entorno material. Un campo magnético puede estudiarse sobre una carga móvil (q), sobre la que el campo ejerce una fuerza (F) que depende de la velocidad de la carga y de la inducción magnética (B).
Así pues, la inducción magnética puede definirse como la fuerza por unidad de carga que se des plaza en un punto con dirección perpendicular al campo y a la fuerza con velocidad unitaria. Se suele utilizar como unidad, en el sistema electromagnético, el gauss.
Faraday y Henry extrajeron consecuencias que fueron cruciales para la comprensión del electromagnetismo.
En primer lugar había que encontrar un factor común en los experimentos descritos. Parece ser que el factor común es el campo magnético variable, ya que debido al movimiento relativo del imán, el campo magnético en un punto del espacio varía. Por otra parte cuando se mueve la bobina no se produce cambio en el campo magnético, luego hay que pensar en otro factor que influya en la aparición de corrientes inducidas.
La observación importante que hicieron Faraday y Henry es que, en todos los casos, el hecho común relevante era, que en la inducción magnética, la variación de flujo magnético a través de la superficie de la bobina.
Se define flujo magnético como el producto escalar del vector campo magnético (vector inducción B) por el vector que representa a la superficie (S):
En los experimentos aparecen las corrientes cuando varía el flujo magnético que atraviesa la bobina. Así mismo, el valor de la intensidad de la corriente aumenta cuando aumenta la rapidez de la variación de flujo (cuanto mayor sea la rapidez del movimiento relativo imán-bobina).
Las corrientes inducidas pueden ser caracterizadas por la fuerza electromotriz, que en este caso recibe el nombre de f.e.m. inducida. Los imanes o bobinas que son capaces de generar una f.e.m. inducida se denominan inductores o primarios, mientras que los circuitos sobre los que se inducen las corrientes se designan como inducidos o secundarios.
La ley de Faraday-Henry dice: “La fuerza electromotriz inducida en un circuito es igual y opuesta a la rapidez con que varía el flujo magnético que atraviesa el circuito”.
Aunque fue Faraday quien n introdujo el signo negativo al formular esta ley, fue Lenz el que de forma precisa le dio significado, el sentido en que circula la corriente inducida.
La ley de Lenz dice: El sentido de la corriente inducida es tal, que se opone a la causa que la produce.
Al acercar el imán a la bobina, el flujo a través de ésta aumenta, ya que el campo magnético dentro de la bobina se va haciendo mayor conforme se reduce la distancia imán-bobina. El sentido de la corriente ha de ser tal que, con los efectos magnéticos que crea la corriente inducida contrarreste el aumento de flujo magnético que se produce al acercar el imán. Al alejar el imán sucede lo contrario.
En realidad la ley de Lenz no es más que otra forma del principio de la conservación de la energía. Las cosas suceden de modo que, para acercar el imán a la bobina tenemos que realizar un trabajo. Este trabajo es el que se convierte en energía eléctrica. Cuanto mayor sea el trabajo que realicemos, mayor será la energía eléctrica producida en forma de corriente.
- LA ENERGÍA ELÉCTRICA: UNA FORMA PRIVILEGIADA DE ENERGÍA
Acabamos de ver cómo es posible la conversión directa de energía mecánica en energía eléctrica. Esta es solo una de las múltiples posibilidades de conversión de la energía eléctrica, que hace de esta una forma privilegiada de energía.
El interés por la energía eléctrica alcanzo su máximo impulso cuando Edison la utilizó por primera vez para el alumbrado de las calles. Dentro del camino recorrido históricamente por el hombre en el terreno del aprovechamiento energético, la electricidad es un hito muy importante que constituye el resultado de muchos conocimientos alcanzados en el campo energético de forma acumulativa. Estos conocimientos permiten convertir en electricidad formas de energía que, de otra forma, serían poco aprovechables por el hombre. Y la versatilidad, posibilidades de utilización y adecuación a las exigencias de la calidad de vida que permite esta forma de energía son cada vez mayores. Podemos destacar los siguientes aspectos positivos:
– fácilmente transportable
– no es contaminante
– se transforma fácilmente en otro tipo de energía
– alto grado de seguridad
– fácilmente evaluable
La electricidad aparece así como una síntesis del mundo de la energía, tanto de las energías convencionales, como de las nuevas energías, que solo pueden ser utilizadas por el hombre previa conversión en electricidad, gracias a que la energía eléctrica tiene una importante facultad de interconversión.
Puede convertirse en:
– energía mecánica: esta transformación tiene lugar en los motores eléctricos
– energía química: en los acumuladores, la energía eléctrica, a través de un proceso de electrolisis, se transforma en energía química, que queda almacenada en la batería
– energía calorífica: al pasar la corriente a través de un conductor, se produce en él calor como consecuencia del llamado efecto Joule. Esta transformación de energía eléctrica en calorífica es la base del funcionamiento de todos los aparatos de calefacción eléctrica.
– Energía radiante: como sucede en las bombillas la incandescencia y en los tubos fluorescentes.
Además puede obtenerse energía eléctrica de la energía calorífica como los convertidores termoiónicos, la energía mecánica como los alternadores, dinamos, la energía lumínica como en células solares, la energía química en el caso de pilas y acumuladores.
Uno de los principales retos de la energía eléctrica es su aplicación en vehículos de motor eléctricos, cuyos componentes principales son los acumuladores de energía, el controlador de potencia y el motor eléctrico.
- EVOLUCIÓN DE LAS NECESIDADES ENERGÉTICAS DE LA SOCIEDAD
Las fuentes de las que podemos obtener energía fácilmente son limitadas. El petróleo, el carbón, el gas natural, la madera, etc., se llegaran a acabar. Las necesidades de energía del ser humano se disparan a medida que mejora su calidad de vida. Cuando la población aumente y el tercer mundo, precisamente el más poblado, mejore su calidad de vida como sería deseable, la energía disponible no llegara para todos.
Las previsiones actuales son aproximadamente las siguientes: petróleo 40-60 años, gas natural 100 años, carbón más de 1000 años. Estas cifras no resultan muy alarmantes, podremos seguir explotando estos recursos durante unos cuantos años más. Sin embargo aquí es donde reside uno de los principales problemas, ya que la producción y el consumo de las llamadas energías sucias son los principales causantes de la degradación ambiental del planeta. A modo de ejemplo podemos citar el cambio climático, mareas negras, los accidentes nucleares, residuos radiactivos, desertificación, lluvia ácida, contaminación urbana, etc. Un cóctel de contaminantes esparcidos por el agua, el aire y la tierra.
Se impone por tanto un cambio de orientación hacia energías limpias (energía solar, eólica, etc.) que eviten el alto coste ambiental de las tecnologías actuales. Por otra parte, y teniendo en cuenta que los combustibles fósiles no se encuentran repartidos por igual en todo el planeta, lo que lleva inevitablemente a una monopolización de los recursos*, el empleo de nuevas tecnologías podría proporcionar a los países pobres cierta autonomía energética y consecuentemente una mayor posibilidad de desarrollo.
8. ENERGÍAS ALTERNATIVAS
En la actualidad se dedican cada vez más esfuerzos a la búsqueda de nuevas fuentes energéticas que, siendo capaces de proporcionar los mismos usos y rendimientos que las tradicionales, cumplan una serie de requisitos tales como ser inagotables y ser menos contaminantes. A estas fuentes de energía se les llama energías alternativas debido a que su uso todavía es escaso.
Esta preocupación se ha ido acrecentando a lo largo del siglo pasado debido principalmente a dos causas, la primera fue la crisis del petróleo de los años 70 en la cual quedó claro que el petróleo es un recurso que se está agotando y que es necesario reducir su consumo.
La segunda causa es de orden medioambiental, debido a que la mayor parte de las fuentes energéticas utilizadas en la actualidad son combustibles fósiles, la tasa de co2 y otros gases contaminantes es muy alta, lo que provoca efectos negativos en la atmósfera, tales como el aumento del efecto invernadero. Por este motivo, en la cumbre de Kioto se optó por reducir las emisiones de estos gases, favoreciendo la búsqueda de nuevas fuentes energéticas. Gran parte de estas nuevas fuentes energéticas están encaminadas a la producción de la electricidad.
8.1.Energía hidráulica
Es la que se obtiene a partir de las corrientes de agua. Este tipo se refiere prácticamente al movimiento del agua dulce, pues a pesar de existir corrientes muy importantes de agua salada en el seno de los océanos,
Su aprovechamiento no pasa en la actualidad de ser pura teoría.
El mayor aprovechamiento de esta energía se realiza en saltos de agua de las presas de grandes pantanos.
Se puede considerar que únicamente un 6,5 % del total se produce en pequeñas presas locales.
Es la forma de energía más aprovechada en todo el mundo, sobre todo en los países industrializados y casi se puede afirmar que dentro de las posibilidades técnicas actuales su aprovechamiento está al límite. Es previsible que sólo las mejoras técnicas puedan aumentar su aprovechamiento, lo que supondría un incremento de un 3 o un 4 % sobre el total de energía hidráulica producida en los países avanzados.
8.2.Energía solar
De todas las formas posibles de aprovechamiento de la energía solar, las más rentables, y que se han desarrollado industrialmente son: las centrales solares, las células fotosolares y los paneles solares.
Las centrales solares transforman la energía solar en eléctrica. Concentran la radiación mediante espejos, sobre una caldera de agua, produciendo vapor que pasa a través de una turbina, que mueve a su vez a un alternador generándose corriente eléctrica. Este procedimiento permitió el desarrollo de los hornos solares (Francia 1950) y de las centrales solares (Japón 1963). Este tipo de centrales tienen en la actualidad un rendimiento próximo al 40 % de la energía solar total que recogen, siendo sus inconvenientes el deterioro estético y su tamaño limitado (solo permiten abastecer a poblaciones de cinco o seis mil habitantes). Deben funcionar conectadas a la red tradicional para garantizar el suministro nocturno).
Células solares : Están formadas por sustancias semiconductoras que transforman la luz solar en electricidad. Existen varias clases: sulfuro de cadmio y cobre, de galio, de silicio…, siendo esta la de mayor porvenir. Estas células están formadas por monocristales de silicio cortados en pequeñas pastillas; al llegar la radiación solar a su superficie se produce un movimiento de electrones en su interior, apareciendo entre sus extremos una diferencia de potencial, lo que les convierte en una pequeña pila o generador de corriente eléctrica.
A pesar de su alto costo este procedimiento es insustituible en muchos casos; se ha utilizado como generador de electricidad en satélites artificiales y cápsulas espaciales, para boyas eléctricas en alta mar, etc. La electricidad producida por las células está supeditada al Sol, por lo que este proceso necesita una forma de almacenamiento, por medio de baterías o produciendo con ella descomposición electrolítica del agua, obteniéndose y almacenándose Hidrógeno, que a su vez es un combustible ideal por su alto poder calorífico y por no dejar residuos contaminantes.
Paneles solares: Este sistema se basa en que al llegar los rayos solares al tubo o tubos, pintados de negro para que tengan mayor poder absorbente, se calienta el agua que circula por ellos. Su funcionamiento se debe al “efecto invernadero”. El vidrio deja pasar las ondas que llegan del Sol pero impide el paso de las que emite el tubo, por ser estas de mayor longitud de onda que las primeras. La energía calorífica queda dentro del colector produciendo la elevación de temperatura del agua que circula dentro del tubo del panel solar. Se absorbe así el 90 % de la radiación incidente, alcanzando el agua temperaturas de 70-80 ºC. Se utiliza para producir agua caliente y para calefacción y necesita de un sistema complementario de zonas de almacenamiento.
Realmente la energía solar en cualquiera de sus formas de aprovechamiento, está muy poco extendida en el mundo, predominando su uso para la climatización de edificios, a pesar de ser un tipo de energía cuya contaminación es mínima, la única inmediata es la estética.
8.3.Energía eólica
Es uno de los sistemas más antiguos (extracción de agua de pozos, molinos para moler, etc.). Los inconvenientes son: su intermitencia y los graves daños en las instalaciones que provoca un incremento excesivo de la velocidad del viento. Como contrapartida tiene la sencillez de su mecanismo, reducido a una torre con aspas y un elemento transmisor del movimiento de estas. Su contaminación es nula. El inconveniente de su intermitencia se elimina utilizando esta energía para producir electricidad, que se puede almacenar en baterías, o emplearla para descomponer agua, produciendo hidrógeno que a su vez servirá de combustible. La investigación se orienta en buscar rotores que no se vean afectados por el incremento excesivo de la velocidad del viento.
En España hay varias instalaciones en funcionamiento comercial, aunque sus costes no las hacen muy rentables, dos de ellas están localizadas en Tarifa y en Finisterre.
8.4.Biomasa
Gracias al sol, es posible que los animales realicen sus funciones vitales y las plantas el proceso fotosintético. Mediante este proceso las plantas toman del suelo el agua, las sales minerales, a través de las raíces, que junto con el anhídrido carbónico, del aire se transforman, por los rayos solares, en hidratos de carbono, azucares, almidone y también oxígeno, que es devuelto a la atmósfera, lo que contribuye a mantener el equilibrio biológico. Esta energía que se almacena en las plantas constituye la base del sustento del resto de los seres vivos.
Al conjunto de materia orgánica renovable la procedencia vegetal, animal o la resultante de la transformación natural o artificial de éstas se denomina biomasa, parte de esta biomasa es transformada por el hombre para producir energía.
De toda la biomasa de que se dispone, bien por razones medioambientales como económicas, solo es rentable la utilización de la siguiente:
– Residuos procedentes de la agricultura, ganadería, y algunas industrias
– Residuos forestales procedentes de la poda y limpieza de los bosques
– Cultivos vegetales energéticos. Se trata de plantaciones de vegetales que produzcan gran cantidad de biomasa, ya sean cultivos acuáticos como algas marinas, o terrestres, esta fuente energética puede aprovecharse mediante su combustión directa, o a través de su transformación en otros combustibles con biogás, bioalcohol…
Los métodos de conversión de la biomasa en combustibles pueden agruparse en dos tipos: conversión bioquímica y conversión termoquímica.
– Métodos bioquímicos: fermentación alcohólica se efectúa en presencia de aire y el fin es obtener alcohol para motores térmico principalmente. La técnica consiste en transformar los azúcares en alcohol. Es una operación costosa. Digestión anaeróbica: se efectúa en ausencia de oxígeno, y el fin es obtener biogás. Se basa en introducir la biomasa en un recipiente cerrado, que mediante bacterias se convierte en metano, anhídrido carbónico principalmente. Este tipo de instalaciones permitiría que las explotaciones agrarias se autoabastezcan de energía, como ocurre en países en desarrollo africanos y asiáticos y granjas europeas.
– Métodos termoquímicos: combustión que consiste en quemar la biomasa con el fin de producir calor. En algunos países ha sustituido al carbón o gasóleo en las calderas de uso doméstico o industrial. Pirolisis; se basa en la descomposición de sustancias orgánicas sometidas a grandes temperaturas en ausencia de oxígeno. Mediante este proceso se produce carbón vegetal y se libera un gas pobre de elevado nivel energético. A estas instalaciones se les denomina gasógenos.
Ventajas y limitaciones:
– Su uso evita utilizar recursos agotables como el carbón o petróleo
– Menor contaminación atmosférica
– La limpieza de bosques y montes reduciría el riesgo de incendios
– El peligro que corre de un uso indiscriminado, es que se acabe con la masa vegetal
– Necesidad de otra energía para su recolección, transporte y transformación en combustible útil, lo que reduce la energía neta resultante
– En algunos casos, al estar muy dispersa su aprovechamiento no es rentable económicamente.
8.5.Residuos sólidos urbanos
Se engloban bajo esta denominación todas aquellas sustancias sólidas consideradas como inservibles y producidas como consecuencia de la actividad humana en las zonas urbanas
Por regla general, estos residuos se someten a uno de los siguientes métodos:
– Vertido: consiste en el simple almacenamiento de los residuos sobre el terreno, recubriéndolos cada cierto tiempo con el fin de evitar su acción contaminante. El vertido puede ser controlado o incontrolado, según que se realice o no en zonas preparadas con esta finalidad. Este último tipo de vertido resulta sumamente perjudicial, tanto en lo que respecta a la contaminación como al efecto paisajístico
– Compostaje: consiste en la fermentación de los residuos para su uso posterior como abono, o para la obtención de biogás, utilizable como combustible
– Incineración: al quemarse los residuos combustibles, producen energía calorífica, que puede aprovecharse directamente para calefacción, o bien transformarse en otros tipos de energía
– Reciclado: consiste en la reutilización como materia prima de parte de los residuos, previamente clasificados. Los que no sean reciclables se someten a uno de los métodos de tratamiento anteriores. Por regla general los residuos son contaminantes. Por ello, conviene minimizarlos al máximo, procurando utilizar envases reciclables y evitar el uso de envoltorios superfluos.
8.6.Energía geotérmica
Consiste en la utilización, para calefacción, del agua de la capa freática que, en muchos puntos, se encuentra a tª entre 50-90 ºC. Estadísticamente se puede aceptar que cada punto puede abastecer a unas 2000 viviendas, siendo su duración entre 20 y 50 años, según la importancia de la zona explotada. El proceso sería extraer agua a temperatura elevada, utilizarla para la calefacción de las viviendas y volverla a inyectar, a temperatura menor, a una distancia suficiente, para que su retorno a la capa caliente sea mínimo. Este sistema se podría completar con el llamado sistema heliogeotérmico, que consiste en calentar masas de agua con energía solar, durante los meses cálidos, e inyectarla a unos 90 ºC en una capa interna de la tierra. Al extraerla, el agua se recupera hasta con un 80 % de la energía total inicial, y a una tª próxima a los 70 ºC.
8.7.Energía del mar
Para captar el oleaje se han hecho diferentes instalaciones, basándose generalmente en el desnivel que adquiere un cuerpo flotante con el movimiento de las olas, aunque no han pasado de ser instalaciones teóricas o experimentales.
El aprovechamiento de las mareas es una realidad, ya que se obtienen actualmente cantidades significativas de energía por este procedimiento (Central del río Rance en Francia, con mareas de 8 m.). El sistema consiste en una serie de compuertas que cierran la bahía. Al subir la marea el agua penetra a través
De las compuertas, moviendo a su paso alternadores que generan electricidad. Al bajar la marea se cierran las compuertas, se almacena el agua en la bahía, de forma parecida a un embalse de agua dulce. Al soltar el agua, fluye a través de las compuertas, poniendo otra vez en movimiento los alternadores.
En el mejor de los casos este sistema no garantiza más del 10 % de las necesidades energéticas, lo que obliga a encontrar otras fuentes. No produce ningún tipo de contaminación, salvo la estética y en menor grado la ecológica, ya que afectaría a los ecosistemas de las bahías convertidos en recintos semicerrados.
- BIBLIOGRAFÍA
– Alonso Finn. Física II. Campos y ondas. Fondo educativo interamericano. 1983
– Fidalgo JA Fernández M. física general. Everest 1987
– Tipler P. física. Ed. Reverté S.A. 1990