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Maquinas electricas
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CAPITULO I 1
FENOMENOS ELECTRICOS Y MAGNETICOS
Fundamentos de la Teoría Eléctrica
Un pre-requisito para la comprensión de este curso, es el conocer los efectos
producidos por el movimiento de unas partículas constitutivas del átomo,
llamadas electrones. Controlando el número y movimiento de estos, en una
dirección definida el diseñador de equipos eléctricos ha provisto a la
humanidad con luces, motores, calentadores y de una gran variedad de
cosas que dependen de la potencia eléctrica.
Todas las cosas del universo están hechas
de partículas increíblemente pequeñas
llamadas átomos, uno para cada elemento o
sustancia pura. Todas las otras substancias
son compuestos hechos de moléculas
conteniendo como mínimo dos átomos de
tipos diferentes. A pesar de que los átomos
son tan pequeños que no es posible
imaginar su tamaño, ellos están constituidos de partículas todavía más
pequeñas.
Si pudiéramos ampliar un átomo hasta que los detalles de su constitución
pudieran ser vistos, nosotros observaríamos algo como nuestro sistema
solar. Alrededor de un cuerpo central pesado llamado núcleo, partículas
prácticamente sin peso llamadas electrones orbitan a velocidades
fantásticas, y en proporción a su tamaño, a distancias enormes, igual que los
planetas girando alrededor del sol. El núcleo es como un racimo de
neutrones y de partículas muy pesadas llamadas protones. Todo el peso del
átomo esta concentrado en el núcleo, pero otras propiedades dependen
principalmente de los electrones exteriores.
CAPITULO I 2
Los electrones exteriores están situados en órbitas específicas llamadas
cascaras o capas (orbitales).
Los números de electrones en cada capa se calculan usando la formula:
2n2 Donde n = numero de cáscara (orbital).
El numero de electrones en cada capa es el mismo para todos los átomos, la
única diferencia esta en el numero de orbitales y en el grado de llenado de la
capa externa.
CAPITULO I 3
Cáscaras Máximo número de
electrones
1. K 2
2. L 8
3. M 18
4. N 32
5. O 50
Continua hasta Q
Los electrones se mantienen en su lugar por una fuerza de atracción entre
ellos y los protones del núcleo (cargados positivamente atraen electrones
cargados negativamente), balanceados por la fuerza centrifuga debido a su
gran velocidad. La mayoría de las capas externas que no están completadas,
tienen una órbita desbalanceada y circulan más lejos y más rápido que
cualquiera de las otras. Esto crea una unión débil lo que produce que el
electrón salte de su órbita para ser reemplazado por otro que ha escapado
por exactamente la misma razón de un átomo vecino.
Las bandas asociadas con las capas completas internas en los átomos
originarios tienen las cuotas exactas de electrones que les permite el
principio de exclusión de Pauli. En estas bandas los orbitales no sufren
alteraciones significativas y retienen su carácter atómico al formarse el
sólido. Sin embargo, la banda correspondiente a la capa atómica más
externa, ocupada por los electrones de valencia, es la más interesante en lo
que se refiere a las propiedades de los sólidos. Si la banda más externa no
está completamente llena, se denomina banda de conducción. Pero, si está
llena, se llama banda de valencia y la banda vacía que queda
inmediatamente encima de esta última recibe el nombre de banda de
conducción.
CAPITULO I 4
Estamos ahora en condiciones de definir los distintos tipos de materiales de
acuerdo a sus propiedades de trasporte de corriente eléctrica:
Conductor es toda sustancia en que la energía del primer estado
electrónico vacío se encuentra inmediatamente adyacente a la energía
del último estado electrónico ocupado. En otros términos, un conductor
es un material en el cual la última banda ocupada no está
completamente llena.
Aislador es toda sustancia en que la energía del primer estado
electrónico vacío se encuentra separada, por una brecha finita, de la
energía del último estado electrónico ocupado.
Semiconductor es un material aislador en que el ancho de banda
prohibida es menor que 1eV.
1 electron volt = 1.60217646 × 10-19 Joules
CAPITULO I 5
Carga Eléctrica, Corriente y Voltaje.
El electrón cargado negativamente es la partícula más pequeña con carga
eléctrica, y es el movimiento de estas cargas eléctricas que constituyen una
corriente de electrones (corriente eléctrica).
Baterias
Corriente
Una corriente de un amperio es equivalente a 6,28 x 1018 electrones
moviéndose unidireccionalmente pasando por un punto en un segundo.
Cualquier material que permite el paso de corriente cuando esta conectado a
una batería u otra fuente de energía eléctrica es llamado conductor.
Conectando una batería en las puntas de un conductor causa que sus
electrones libres sean guiados en la dirección del voltaje, la dirección de este
movimiento es del terminal (-) al terminal (+) y constituye una corriente
eléctrica (el sentido universal de la corriente eléctrica es inverso al sentido
del movimiento de los electrones) del terminal (+) al terminal (-).
El lazo cerrado formado por la batería y el conductor es llamado circuito
eléctrico. Los electrones están siempre presentes en el conductor como
electrones libres y son forzados a moverse por la aplicación de un voltaje.
CAPITULO I 6
Tan pronto se cierra el circuito los electrones comenzaran a moverse en el
lazo. Este movimiento unidireccional de los electrones es llamado corriente
directa o continua. El número total de electrones libres en el conductor es
siempre el mismo. Cada vez que uno entra en el terminal positivo otro deja el
terminal negativo. La aplicación de un voltaje de corriente alterna a un
conductor hace que los electrones fluyan primero en una dirección y después
en la opuesta, oscilando continuamente.
Magnetismo e Imanes Permanentes
El fenómeno que ahora llamamos magnetismo, fue observado por primera
vez, hace por lo menos 2500 años en el distrito de Magnesia en el Asia
Menor. Se registra en la historia de Grecia y de Roma el descubrimiento de
un tipo especial de roca que tenía la extraña propiedad de atraer y retener
pedazos de hierro. Esta roca fue llamada Magnetita La leyenda original
cuenta que el bastón de un pastor que tenia las puntas de hierro, fue
fuertemente atraído por la roca, que tuvo que cavar la tierra para encontrar la
causa. (Uno de los científicos originales)
William Gilbert, médico de la Reina Isabel I de Inglaterra, publicó "de
Magnete", que marcó la fundación de la ciencia magnética. Este libro
describía en detalle la amplia variedad de experimentos en magnetismo,
basados en la importancia del método científico de acercamiento y llegando a
conclusiones después de cuidadoso experimento. No obstante, Gilbert tenía
ideas avanzadas para la época y su libro tuvo poco éxito o reconocimiento.
Por el año 1100 D.C. los Chinos descubrieron que una pieza alargada de
magnetita, suspendida por un hilo, se ponía apuntando el la dirección norte-
sur. Por la época que Colon descubrió América, compases de flotar y pivotar
eran de uso corriente, y los navegantes no tenían que depender más del sol
y las estrellas para determinar la dirección de sus viajes.
CAPITULO I 7
El magnetismo esta relacionado con el funcionamiento de casi todos los
aparatos eléctricos. El conocimiento de sus principios fundamentales, es
esencial por lo tanto para tener una idea clara del funcionamiento de los
mismos.
Imanes Naturales: Son aquellos que poseen propiedades magnéticas
naturales.
Imanes Permanentes: Tienen la propiedad de conservar su magnetismo
indefinidamente y no necesitan corriente de excitación. Los Imanes
permanentes se fabrican de acero al carbono templado y de aceros aleados
al cromo.
Teoría Magnética
Solamente hasta hace poco, al llegar a un conocimiento más detallado de la
estructura atómica y de las propiedades e interacciones entre los electrones
CAPITULO I 8
que la componen ha sido posible llegar a una explicación sobre el
magnetismo.
El átomo está constituido por un núcleo central positivo y varios electrones
que se mueven alrededor describiendo órbitas circulares o elípticas, además
estos electrones giran alrededor de un eje que pasa por su centro,
movimiento que se denomina “Spin Electrónico”.
Algunas de las rotaciones propias de los electrones se realizan en una
dirección (positiva) y otras en la opuesta (negativa). Debido al movimiento de
los electrones en sus órbitas y a su rotación propia, se produce una
circulación de electricidad, o de minúsculas cargas eléctricas alrededor del
núcleo y en el interior de cada electrón. Por consiguiente, cada uno es un
pequeño giroscopio que posee un momento magnético definido, producido
por el movimiento de su carga eléctrica, así como un momento de rotación
definido, que se debe a la rotación de su masa.
Como los electrones, al moverse sobre sus órbitas, poseen también un
momento magnético y un momento de rotación, se considera que cuando
varia la acción de la fuerza magnetizante aplicada, los movimientos orbitales
no varían y todo el cambio se produce en la dirección o el sentido del Spin de
algunos de los electrones.
Imanación e Histéresis.
Los conocidos fenómenos de imanación, saturación e histéresis pueden
explicarse partiendo de las acciones mutuas entre los electrones, átomos,
dominios y cristales de hierro.
Ordinariamente los metales están compuestos de un gran número de
formaciones cristalinas (granos) que con frecuencia son demasiado
CAPITULO I 9
pequeños para percibirlos a simple vista, si bien, recientemente, se han
desarrollado métodos que permiten obtener grandes cristales, fácilmente
perceptibles en visión directa.
Los dominios tienden a agruparse, de por si, en cristales o granos, y cuando
no se ejerce sobre ellos ninguna acción magnética exterior, los dominios que
son pequeñas zonas locales, se alinean en cualquiera de las seis direcciones
equivalentes a los ejes de los cristales.
Para facilitar los razonamientos, los dominios se representan por pequeños
cubos y las flechas indican la dirección de imanación de los mismos.
Cuando actúa un campo magnético débil, los cristales comienzan a
manifestar una ligera orientación magnética, efecto inicial que es debido a un
ligero desplazamiento del contorno que limita los dominios.
Los dominios orientados en la dirección de la fuerza magnetizante aplicada
aumentan su dimensión en el sentido de esta, a expensas de los dominios
orientados en una dirección menos favorables.
CAPITULO I 10
Este efecto produce la iniciación del proceso de imanación que se pone de
manifiesto en el punto (1) de la curva en la figura 1, en la que se representa
la densidad del flujo B en Gauss o Tesla, en función de la fuerza
magnetizante H en Ampere/metro.
Si aumenta la fuerza magnetizante, la dirección de imanación de los
dominios tiende a cambiar pasando de una de las seis en la que la imanación
es fácil a aquella cuya dirección sea más próxima a la de H, con que los
dominios van progresivamente orientándose en esta dirección, con
variaciones mayores en unos que en otros.
Esta orientación de los dominios es más o menos uniforme, dando origen a
una parte de la curva que es casi rectilínea y que se señala con un (2).
Cuando la fuerza magnética llega a ser de gran intensidad, la dirección de las
orientaciones de los dominios es casi coincidente con la de aquella fuerza y
entonces cada cristal o grano, actúa como si fuese un dominio de gran
extensión. En la curva este hecho se refleja por la presencia del codo (a),
punto en que el hierro se encuentra muy próximo a su saturación.
Si entonces se aumenta aun más la fuerza magnetizante hasta alcanzar
valores muy elevados, se produce otro proceso en el interior del átomo. La
única posibilidad de que se pueda incrementar la imanación del hierro, más
allá del valor anterior, es que los spin electrónicos de los dominios
individuales giren separándose de sus posiciones estables. Este proceso se
CAPITULO I 11
denomina “Rotación de los dominios” y da origen a la porción (3) de la curva,
el hierro esta entonces, saturado.
Si una vez alcanzado el punto (b), disminuye la fuerza magnetizante H, la
desimanación no se produce, siguiendo en sentido inverso, la curva normal,
sino otra por encima de ella. Este hecho se debe a que la posición de los
dominios tiende a persistir en la última dirección que tomaron. Cuando la
fuerza magnetizante llega a anularse, aún persiste un flujo magnético que se
llama magnetismo remanente. Si posteriormente se incrementa el valor
negativo de la fuerza magnetizante H los dominios de los cristales van
perdiendo progresivamente la orientación, cuando se ha alcanzado el punto
(f). Para ello se ha requerido que la fuerza magnetizante alcance el valor
negativo -H que se denomina fuerza coercitiva.
CAPITULO I 12
Comportamiento de distintos materiales situados en un campo externo
Se distingue los materiales siguientes según su comportamiento poniéndolos
en un campo externo:
1. Materiales diamagnéticos
2. Materiales paramagnéticos
3. Materiales ferromagnéticos
• ferromagnéticos verdaderos
• antiferromagnéticos
• ferrimagnéticos
1. Los materiales diamagnéticos están caracterizados por
susceptibilidades magnéticas negativas, lo que significa, que la
imantación inducida en ellos está orientada en sentido opuesta con
respecto al campo externo aplicado. Las susceptibilidades magnéticas
CAPITULO I 13
de la mayoría de los materiales diamagnéticos no dependen de la
temperatura. Solo las susceptibilidades magnéticas de antimonio y
bismuto varían a T = -180ºC. Materiales diamagnéticos son entre otros
las sales, la anhidrita, cuarzo, feldespato y grafito. El diamagnetismo
se basa en el movimiento de un electrón alrededor de su núcleo
generando una corriente de poca intensidad. El momento magnético
(o espín) es un vector, que en presencia de un campo magnético
externo toma un movimiento de precesión alrededor de este campo
externo. Este movimiento periódico adicional del electrón produce un
momento magnético orientado en sentido opuesto con respecto al
campo aplicado. El diamagnetismo puro sólo aparece si los momentos
magnéticos de los átomos son nulos en ausencia de un campo
exterior como en los átomos o iones que poseen capas electrónicas
completas.
2. Los materiales paramagnéticos son ligeramente magnéticos,
caracterizados por susceptibilidades magnéticas pequeñas positivas.
En los materiales paramagnéticos la susceptibilidad magnética es
inversamente proporcional a la temperatura absoluta según la Ley de
Curie. La mayoría de los componentes formadores de las rocas como
por ejemplo los silicatos comunes son para- o diamagnéticos. Los
granos de materiales para- y diamagnéticos tienden alinearse con sus
ejes longitudinales transversal- u oblicuamente con respecto al campo
externo aplicado. Los átomos o las moléculas de los materiales
paramagnéticos están caracterizados por un momento magnético en
ausencia de un campo externo y por una interacción magnética débil
pasando entre sus átomos. Normalmente sus átomos están
distribuidos al azar, pero aplicando un campo externo tienden
alinearse paralelamente a la dirección del campo. Esta alineación es
una tendencia, que se opone a su agitación térmica. El
paramagnetismo se basa en los espines (momentos magnéticos) no
compensados de los electrones, que ocupan capas atómicas
CAPITULO I 14
incompletas como los subpisos 3-d de los elementos escandio y
manganeso por ejemplo. Minerales paramagnéticos son olivino,
piroxeno, anfibol, granate y biotita. En un separador magnético
dependiendo de sus susceptibilidades magnéticas respectivas estos
minerales son imantizados a distintas intensidades del campo
magnético engendrado por el separador magnético .
3. Los materiales ferromagnéticos tienen susceptibilidades positivas y
relativamente altas. Sin aplicar un campo magnético externo la
interacción de los momentos magnéticos de sus átomos resulta en un
comportamiento colectivo de grupos de átomos, llamados dominios.
En los elementos hierro, cobalto y níquel esta interacción es
característica para los espines no compensados de los subpisos 3-d
de sus átomos. Estos elementos pueden lograr un estado de
imantación espontáneo consistente en la configuración ordenada de
los momentos magnéticos de todos los átomos. Aplicando un campo
magnético los dominios se alinean en configuraciones paralelas y con
sus ejes longitudinales paralelas a la dirección del campo externo de
tal modo generando una susceptibilidad magnética alta. A los cuerpos
ferromagnéticos corresponden ciclos de histéresis típicos.
CAPITULO I 15
• En los materiales antiferromagnéticos los momentos magnéticos de
los átomos vecinos son de la misma magnitud, pero antiparalelos.
Cada una de estas subredes recuerda un estado de un cuerpo
ferromagnético. Las dos subredes ordenadas orientadas en sentido
opuesto entre sí se anulan mutuamente resultando en un momento
magnético total igual a cero. La susceptibilidad magnética de un
material antiferromagnético es relativamente baja a temperaturas
debajo del punto de Curie, sube con la temperatura acercándose a la
temperatura de Curie característica para el material en cuestión,
alcanza su máximo a la temperatura de Curie y encima de la
temperatura de Curie su susceptibilidad decrece. A los materiales
antiferromagnéticos pertenecen entre otros la hematita (Fe2O3, TCurie =
675ºC), los óxidos de manganeso, de hierro, de cobalto y de níquel.
• Los materiales ferrimagnéticos tienen dos subredes de iones metálicos
con momentos magnéticos orientados antiparalelamente, pero de
magnitud diferente dando lugar a un momento resultante desigual a
cero, incluso en ausencia de un campo exterior. La magnetita Fe3O4 es
un material ferrimagnético y el mineral más importante en contribuir al
magnetismo de las rocas. Otros minerales ferrimagnéticos son la
ilmenita FeTiO3, Titanomagnetita Fe(Fe,Ti)2O4, la pirotina Fe1-xS y los
óxidos de la formula general XOFe2O3, donde X puede ser ocupado
por Mn, Co, Ni, Mg, Zn y Cd. El magnetismo de las rocas se debe a
magnetita y a otros minerales del sistema ternario FeO - Fe2O3 - TiO2.
La composición de cada cristal mixto junto con su temperatura de
Curie se presenta en el triángulo siguiente.
CAPITULO I 16
Propiedades de un Magneto
• Un magneto atrae material magnético.
• Un magneto atrae a un material magnético con mayor fuerza, según
las dos substancias se acercan.
• Un magneto va a establecer en el material magnético propiedades
similares
• Polos diferentes de magnetos se atraen, polos iguales se repelen.
• Cuando un magneto está libremente suspendido en posición
horizontal se va a alinear de manera que el eje longitudinal será
paralelo a las líneas magnéticas de fuerza de la tierra. El polo que
mira hacia el polo Norte magnético de la tierra se llama simplemente
polo Norte.
• El magneto ejerce una fuerza de variada intensidad a su alrededor y
esta fuerza, se llama campo magnético.
Campo Magnético
El campo magnético es el campo donde las fuerzas magnéticas, actúan, o es
el espacio alrededor del magneto, en el que materiales ferromagnéticos son
atraídos. El campo magnético se compone de líneas de fuerza o líneas de
flujo.
Propiedades de las Líneas de Fuerza o Líneas de Flujo
• Las líneas de fuerza están en un estado de tensión longitudinal, y por
lo tanto tienden a contraerse en longitud.
• Las líneas de fuerza toman trayectoria paralela y tienden a repelerse.
• Líneas de fuerza nunca se cruzan.
CAPITULO I 17
• Las líneas de fuerza salen del magneto por el polo norte y vuelven a
entrar por el polo sur y completan su curva cerrada a través del
magneto.
• Las líneas de fuerza buscan la trayectoria de menor RELUCTANCIA
para completar su círculo.
• La concentración de líneas de fuerza determina la fuerza del campo
magnético. Así, el campo es más fuerte cerca de los polos.
Campos Magnéticos que rodean un Conductor.
Durante largo tiempo se sospecho que existían relaciones entre la
electricidad y el magnetismo, pero correspondió a Oersted, en 1919 probar
no solo que esta relación existe, sino que esta completamente definida.
Si se acerca una aguja imanada a un conductor simple por el que circula una
corriente eléctrica, la aguja se desvía, indicando la presencia de un campo
magnético.
Se observa, además, que la aguja tiende a colocarse en una dirección
perpendicular a la corriente, las líneas de flujo magnético forman
circunferencias que rodean al conductor y tienen sus centros en el eje del
mismo. Si se invierte el sentido de la corriente, se invierte también la posición
de la aguja, lo que demuestra que la dirección del flujo magnético depende
de la dirección de la corriente.
CAPITULO I 18
Regla de la Mano Derecha
Si se agarra al conductor con la mano derecha de manera que el dedo pulgar
señale la dirección de la corriente, los restantes dedos señalaran la dirección
de las líneas de flujo.
Los Electroimanes
Cuando un conductor por el que circula una corriente se arrolla sobre un
núcleo de hierro se obtiene un electroimán. La acción electromagnética de la
corriente produce un flujo magnético en el núcleo de hierro, del mismo modo
que se genera en el aire. Sin embargo, debido a que la permeabilidad del
hierro es mucho mayor, el flujo generado por un número dado de amperio-
vuelta en un núcleo de hierro es también mucho mayor que en el aire. Los
Imanes permanentes se fabrican de acero al carbono templado y de aceros
aleados al cromo. Los electroimanes se hacen de hierro o de acero dulce,
que son más sensibles a las variaciones en los efectos de imanación de la
corriente eléctrica.
CAPITULO I 19
Campo Magnético de un Solenoide
Se llama solenoide a un conductor enrrollado en hélice y atravesado por una
corriente eléctrica. Cada una de las vueltas de la hélice se denomina espira.
El interior del solenoide se llama núcleo y puede ser de aire, o de cualquier
material magnético.
Las líneas de fuerza del campo magnético producido por la corriente que
atraviesa el solenoide, presentan el aspecto que muestra la figura inferior, es
decir, que estas líneas parten de un extremo, para llegar al otro, cerrándose
por el núcleo: lo mismo que en el caso de un imán el solenoide tiene dos
polos: Norte y Sur. Para comprobar la polaridad de un solenoide se utiliza la
regla del sacacorchos, llamada también regla de Maxwell.
La intensidad del campo magnético en el interior del solenoide, vale:
CAPITULO I 20
LINH 25,1= Oersteds
I = Intensidad de la corriente. N = Número de espiras. L = Longitud del solenoide.
Propiedades de un circuito eléctrico
Para entender con mayor claridad como se transmite la electricidad a través
de un circuito eléctrico, es importante observar algunas de las propiedades
de la electricidad y el circuito eléctrico.
Una de las más fundamentales propiedades de la electricidad, es que esta
solo puede viajar a través de ciertos materiales. Estos materiales se llaman
conductores eléctricos. El cobre, el hierro y el aluminio se usan como
conductores.
Los materiales a través de los cuales no puede conducirse la electricidad se
llaman aislantes. Algunos plásticos son excelentes aislantes para uso
domestico.
CAPITULO I 21
Estos aislantes permiten que los cables de un circuito eléctrico estén juntos
sin causar un corto circuito.
Un circuito eléctrico se define como una disposición de conductores a través
de los cuales fluye la electricidad.
CAPITULO I 22
Aunque es imposible ver el flujo de electricidad a través del circuito eléctrico,
es de gran ayuda asociarlo con el agua que fluye a través de los tubos de un
circuito hidráulico. Estos dos circuitos tienen muchas propiedades similares.
Por ejemplo, en donde la fuerza de presión del agua a través del tubo se
mide en libras por pulgada cuadrada (psi), la presión eléctrica que ocasiona
el flujo de electricidad se mide en voltios. Esta presión eléctrica se conoce
como fuerza electromotriz (fem).
CAPITULO I 23
De manera similar, mientras que la cantidad de agua que pasa por un tubo
se mide en galones por minuto (gpm), la cantidad de fluido o corriente
eléctrica se mide en amperios (amp).
Otro factor que afecta el flujo de agua en un tubo es el diámetro del tubo.
Entre mas angosto sea el tubo es mayor la resistencia a fluir.
CAPITULO I 24
De igual manera, la propiedad por la cual los conductores eléctricos resisten
el flujo de electricidad se llama resistencia (R). La resistencia eléctrica se
mide en ohms. Para los filamentos de las lámparas hechos del mismo
material, entre mas delgado sea el filamento es mayor la resistencia.
Y, de la misma forma que la presión de la bomba, la proporción de flujo y el
diámetro del tubo están interrelacionados en el circuito de agua, así también
CAPITULO I 25
lo están la fuerza electromotriz, la corriente y la resistencia en un circuito
eléctrico.
De hecho, las unidades: voltios, amperios y ohms han sido definidas de tal
forma que la fem en voltios es igual a la corriente multiplicada por la
resistencia.
REI =
IER =
De estas fórmulas se puede deducir que en un circuito con un voltaje fijo, si
la resistencia se reduce, el flujo de corriente aumentara. Por el contrario, si la
resistencia se aumenta, el flujo de corriente decrecerá.
En la siguiente figura, la bombilla de la izquierda con el filamento más grueso
tiene una resistencia menor. Esto significa, que si el mismo voltaje fuera
aplicado a ambos circuitos, fluiría más corriente a través del circuito de la
izquierda, de la que fluiría a través del circuito de la derecha.
Potencia eléctrica
CAPITULO I 26
Como lo hicimos anteriormente, es útil comparar el circuito eléctrico con el
circuito hidráulico. La potencia es una expresión de la cantidad de trabajo
realizado en un periodo de tiempo dado. También se conoce como la
capacidad de realizar un trabajo. En un sistema hidráulico, la bomba esta
realizando un trabajo al elevar el agua. La cantidad de agua que eleva en un
periodo de tiempo dado representa la potencia de la bomba.
En los sistemas mecánicos la fuerza se mide en caballos de fuerza (HP). Los
caballos de fuerza desarrollados por la bomba en la siguiente figura serán
proporcionales a la presión que se desarrolla en la bomba para elevar el
agua multiplicada por la proporción del flujo.
En un circuito eléctrico, la potencia (P) es igual al voltaje (E) por las veces de
la corriente (I). Se mide en vatios. Un vatio es la cantidad de potencia
generada por una corriente de un amperio con una fuerza electromotriz de un
voltio.
La potencia en un circuito se expresa con la formula:
CAPITULO I 27
VIP = 2RIP =
En los circuitos que llevan grandes corrientes a grandes voltajes, la potencia
a menudo se mide en kilovatios Kw o megavatios Mw.
Una comparación de las unidades de potencia mecánica con las unidades de
potencia eléctrica genera:
1 caballo de fuerza = 746 vatios
1 megavatio = 1340 caballos de fuerza
De estas cifras, es posible igualar la salida de un turbo generador de
quinientos magavatios con una cantidad de potencia mecánica igual a
670.000 caballos de fuerza.
CAPITULO I 28
Transmisión de Energía Eléctrica
El propósito primario de una planta de fuerza es convertir la energía química
del combustible (carbón, gas, petróleo, diesel, nuclear, etc.) en energía
eléctrica a través de una serie de conversiones de energía.
La energía química del combustible se convierte primero en energía calórica.
Posteriormente, la energía calórica se convierte en energía térmica. La
energía térmica se convierte en energía mecánica en un eje rotatorio a través
de las turbinas. Y finalmente, la energía mecánica del eje es convertida en
energía eléctrica por el generador.
En vez de cargar toneladas de combustible a la casa o industria, la energía
química del combustible se convierte en energía eléctrica en la planta de
fuerza y posteriormente se transmite la electricidad a los consumidores.
Una vez que ha llegado a su destino, la electricidad se puede usar para
operar cualquier número de aparatos y se puede convertir en muchas formas
de energía. Por ejemplo, la energía eléctrica se puede convertir en energía
mecánica al operar el motor eléctrico de un taladro.
El calentador eléctrico convierte la electricidad en energía térmica. Y un
aparato como una batería recargable convierte la electricidad en energía
química.
Estos son solamente unos pocos ejemplos de los circuitos eléctricos que se
usan diariamente. Estos comunes circuitos domésticos son todos parte de un
gigantesco sistema de circuitos eléctricos que se extienden por todo el país
suministrando energía eléctrica a todos los rincones de este. Este sistema se
llama la red de distribución. Algunas de las principales líneas de esta red se
pueden ver diariamente en nuestros recorridos.
CAPITULO I 29
Por supuesto, todos estos circuitos no son iguales. Una de las principales
diferencias entre los circuitos es la presión eléctrica o el voltaje presente en
la línea. Las unidades turbo generadoras, por ejemplo, típicamente generan
electricidad entre 11.000 y 25.000 voltios.
Este voltaje es elevado en un transformador ubicado en el patio de
distribución de la estación. Desde la fuente generadora, líneas de potencia
de larga distancia llevan la electricidad con voltajes entre 70.000 y 700.000
voltios a través del país hasta subestaciones ubicadas cerca del área en
donde se utilizara la energía.