MODULO 1 - LECCION 1: MATERIA ENERGIA ELECTRICIDAD Y SIMBOLOGIA


LECCIÓN 1 PARTE D


ENERGÍA ELÉCTRICA



En el campo de la ciencia física, el trabajo debe definirse como el PRODUCTO DE FUERZA Y DESPLAZAMIENTO. Es decir, la fuerza aplicada para mover un objeto y la distancia a la que se mueve el objeto son los factores del trabajo realizado.
Es importante notar que no se realiza ningún trabajo a menos que la fuerza aplicada cause un cambio en la posición de un objeto estacionario, o un cambio en la velocidad de un objeto en movimiento. Un trabajador puede cansarse por empujar contra una caja de madera pesada, pero a menos que la caja se mueva, no se realizará ningún trabajo.

ENERGÍA

En nuestro estudio de la energía y el trabajo, debemos definir la energía como LA CAPACIDAD DE HACER EL TRABAJO. Para realizar cualquier tipo de trabajo, la energía debe ser gastada (convertida de una forma a otra). Energía suministra la fuerza o potencia requerida siempre que se realiza cualquier trabajo.

Una forma de energía es la que está contenida por un objeto en movimiento. Cuando se coloca un martillo en movimiento en la dirección de un clavo, éste posee energía de movimiento. Cuando el martillo golpea el clavo, la energía del movimiento se  convierte en trabajo a medida que el clavo se introduce en la madera. La distancia a la que se introduce el clavo en la madera depende de la velocidad del martillo en el momento en que golpea el clavo. La energía contenida por un objeto debido a su movimiento se llama ENERGÍA CINÉTICA. Suponga que el martillo está suspendido por una cuerda en una posición un metro por encima de un clavo. Como resultado de la atracción gravitacional, el martillo experimentará un fuerza tirando hacia abajo. Si la cuerda se corta repentinamente, la fuerza de la gravedad tirará del martillo hacia abajo contra el clavo, clavándolo en la madera. Mientras el martillo está suspendido sobre el clavo, tiene la capacidad de hacer trabajo debido a su posición elevada en el campo gravitacional de la tierra. Ya que la energía es la capacidad de hacer trabajo, el martillo contiene energía.
La energía contenida por un objeto debido a su posición se llama ENERGÍA POTENCIAL. La cantidad de la energía potencial  disponible es igual al producto de la fuerza requerida para elevar el martillo y la altura a la que se eleva.
Otro ejemplo de energía potencial es la contenida en un resorte fuertemente enrollado. La cantidad de la energía liberada cuando el resorte se desenrolla depende de la cantidad de fuerza requerida para enrollar el resorte inicialmente.


P33. ¿Cuál es la definición de energía?
P34. ¿Qué tipo de energía tiene una piedra rodante?
P35. ¿Qué tipo de energía tiene la piedra si está en reposo en la cima de una colina?


Cargas eléctricos

Del estudio anterior de electrostática, aprendiste que existe un campo de fuerza en el espacio rodeando cualquier carga eléctrica. La fuerza del campo depende directamente de la fuerza de la carga.

La carga de un electrón podría usarse como una unidad de carga eléctrica, ya que las cargas son creadas por desplazamiento de electrones; pero la carga de un electrón es tan pequeña que no es práctico usarla. La unidad práctica adoptada para medir cargas es el COULOMB, llamado así por el científico Charles Culombio. Un culombio equivale a la carga de 6,280,000,000,000,000,000 (seis quintillones doscientos y ochenta cuatrillones) o (6.28 x 18) electrones.

Cuando existe una carga de un culombio entre dos cuerpos, una unidad de energía eléctrica potencial existe, que se llama la diferencia de potencial entre los dos cuerpos. Esto se conoce como FUERZA ELECTROMOTRIZ, o VOLTAJE, y la unidad de medida es el VOLT.

Las cargas eléctricas se crean por el desplazamiento de electrones, por lo que existe un exceso de electrones en un punto y una deficiencia en otro punto. En consecuencia, una carga siempre debe tener una polaridad negativa o positiva. Un cuerpo con un exceso de electrones se considera negativo, mientras que un cuerpo con una deficiencia de electrones es positivo.


Puede existir una diferencia de potencial entre dos puntos, o cuerpos, solo si tienen cargas diferentes. En otras palabras, no hay diferencia de potencial entre dos cuerpos si ambos tienen una deficiencia de electrones en el mismo grado. Sin embargo, si un cuerpo tiene deficiencia de 6 culombios (que representan 6 voltios), y el otro es deficiente por 12 coulomb (que representan 12 voltios), hay una diferencia de potencial de 6 voltios. El cuerpo con la mayor deficiencia es positivo con respecto al otro.


En la mayoría de los circuitos eléctricos, solo la diferencia de potencial entre dos puntos es importante y los potenciales absolutos de los puntos son poco preocupantes. Muy a menudo es conveniente usar una referencia estándar para todos los diversos potenciales a lo largo de un equipo. Por esta razón, los potenciales en varios puntos de un circuito generalmente se miden con respecto al chasis de metal en el que todas las partes de los circuitos están montados. Se considera que el chasis tiene un potencial cero y todos los demás potenciales son positivos o negativos con respecto al chasis. Cuando se usa como punto de referencia, se dice que el chasis está en POTENCIAL DE TIERRA.
Ocasionalmente, se pueden encontrar valores bastante altos de voltaje, en cuyo caso el voltio se vuelve una unidad  demasiado pequeña para mayor comodidad. En una situación de esta naturaleza, el kilovoltio (kV), que significa 1,000 voltios, es usado frecuentemente. Como ejemplo, 20,000 voltios se escribirían como 20 kV. En otros casos, el voltio puede ser una unidad demasiado grande, como cuando se trata de voltajes muy pequeños. Para este propósito, el milivoltio (mV), que significa que se usa una milésima parte de un voltio y el microvoltio (µV), que significa una millonésima parte de un voltio. Por ejemplo,  0,001 voltios se escribirían como 1 mV y 0,000025 voltios se escribirían como 25 µV. 

Cuando existe una diferencia de potencial entre dos cuerpos cargados que están conectados por un conductor, los electrones fluirán a lo largo del conductor. Este flujo es del cuerpo cargado negativamente al cuerpo cargado positivamente, hasta que las dos cargas se igualen y la diferencia de potencial ya no exista.


Una analogía de esta acción se muestra en los dos tanques de agua conectados por una tubería y una válvula en la figura
1-19. Al principio, la válvula está cerrada y toda el agua está en el tanque A. Por lo tanto, la presión del agua a través de la válvula está al máximo. Cuando se abre la válvula, el agua fluye a través de la tubería de A a B hasta que el nivel del agua se vuelve igual en ambos tanques. El agua deja de fluir en la tubería, porque ya no hay diferencia en la presión del agua entre los dos tanques.



Figura 1-19. —Analogía con el agua de las diferencias de potencial eléctricas.

El movimiento de electrones a través de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial o fuerza electromotriz (fem), a través del circuito, tal como el flujo de agua a través de la tubería en la figura 1-19 es directamente proporcional a la diferencia en el nivel del agua en los dos tanques.
Una ley fundamental de la electricidad es que EL FLUJO DE ELECTRONES ES DIRECTAMENTE PROPORCIONAL AL VOLTAJE APLICADO. Si aumenta el voltaje, aumenta el flujo. Si el voltaje es disminuido, disminuye el flujo.

P36. ¿Qué término describe voltaje o fem?
P37. Convierta 2.1 kV a voltios.
P38. Exprese lo siguiente en términos más simples. (a) 250,000 voltios, (b) 25,000,000 microvoltios, (c)0.001 milivoltios.

CÓMO SE PRODUCE EL VOLTAJE

Se ha demostrado que se puede producir una carga frotando una varilla de goma con piel. Debido a la fricción involucrada, la barra adquiere electrones del pelaje, haciéndolo negativo; el pelaje se vuelve positivo debido a la pérdida de electrones. Estas cantidades de carga constituyen una diferencia de potencial entre la barra y el pelaje. Los electrones que componen esta diferencia de potencial son capaces de trabajar si se permite que ocurra la descarga.
Para ser una fuente práctica de voltaje, no se debe permitir que la diferencia de potencial se disipe, pero debe mantenerse continuamente. Cuando un electrón abandona la concentración de carga negativa, otro debe proporcionarse de inmediato para tomar su lugar o la carga eventualmente disminuirá hasta el punto donde no se puede realizar más trabajo. Una FUENTE DE  VOLTAJE, por lo tanto, es un dispositivo que es capaz de suministrar y  mantener  voltaje mientras algún tipo de aparato eléctrico está conectado a sus terminales.
La acción interna de la fuente es tal que los electrones se eliminan continuamente de un terminal, manteniéndolo positivo, y simultáneamente suministrado al segundo terminal que mantiene una carga negativa.

Actualmente, hay seis métodos conocidos para producir un voltaje o fuerza electromotriz (fem). Algunos
de estos métodos se usan más ampliamente que otros, y algunos se usan principalmente para aplicaciones específicas.
A continuación hay una lista de los seis métodos conocidos para producir un voltaje.


1. FRICCIÓN: voltaje producido al frotar ciertos materiales.
2. PRESIÓN (piezoelectricidad): voltaje producido al comprimir los cristales de ciertas sustancias.
3. CALOR (termoelectricidad): voltaje producido al calentar la unión (juntura donde dos  metales diferentes  están unidos
4. LUZ (fotoelectricidad): voltaje producido por impactar sustancias  fotosensibles (sensible a la luz)
5. ACCIÓN QUÍMICA: voltaje producido por reacción química en una celda de batería.
6. MAGNETISMO: voltaje producido en un conductor cuando el conductor se mueve a través de un campo magnético, o un campo magnético se mueve a través del conductor de tal manera que corta las líneas magnéticas de  fuerza del campo.

Voltaje producido por fricción

El primer método descubierto para crear un voltaje fue el de generación por fricción. El desarrollo de cargas frotando una varilla con piel es un excelente ejemplo de la forma en que un voltaje es generado por fricción. Debido a la naturaleza de los materiales con los que se genera este voltaje, no se puede usar o mantener convenientemente. Por esta razón, se ha encontrado muy poco uso práctico para voltajes generados por este método.
En la búsqueda de métodos para producir un voltaje de mayor amplitud y de una naturaleza más práctica, se desarrollaron máquinas en las que las cargas se transfirieron de un terminal a otro mediante discos giratorios de vidrio o correas móviles. La más notable de estas máquinas es el generador Van de Graaff. Eso hoy se usa para producir potenciales del orden de millones de voltios para la investigación nuclear. Como estas las máquinas tienen poco valor fuera del campo de investigación, su teoría de operación no se describirá aquí.

P39. ¿Con qué nombre se hace referencia comúnmente a un dispositivo que suministra voltaje?


Voltaje producido por presión

Un método especializado para generar una fem utiliza las características de ciertos cristales iónicos como cuarzo, sales de Rochelle y turmalina. Estos cristales tienen la notable capacidad de generar un voltaje siempre que se apliquen tensiones a sus superficies. Por lo tanto, si se comprime un cristal de cuarzo, las cargas de polaridad opuesta aparecerán en dos superficies opuestas del cristal. Si la fuerza se invierte y el cristal se estira, las cargas volverán a aparecer, pero serán de la polaridad opuesta a las producidas por apretarlo. Si un cristal de este tipo recibe un movimiento vibratorio, producirá un voltaje de polaridad inversa entre dos de sus lados. Los cristales de cuarzo o similares se pueden usar para convertir energía mecánica en energía eléctrica. Este fenómeno, llamado EFECTO PIEZOELÉCTRICO, se muestra en la figura 1-20.
Algunos de los dispositivos comunes que utilizan cristales piezoeléctricos son micrófonos, fonógrafos, cartuchos y osciladores utilizados en transmisores de radio, receptores de radio y equipos de sonar. Este método de la generación de una fem no es adecuado para aplicaciones que tienen grandes requerimientos de voltaje o potencia, pero es ampliamente utilizado en  sistemas de sonido y comunicaciones donde se pueden utilizar de manera efectiva pequeños voltajes de señal.





Figura 1-20. — (A) Estructura no cristalizada; (B) estructura cristalizada; (C) compresión de un cristal; (D) descompresión de un cristal.


Los cristales de este tipo también poseen otra propiedad interesante, el "efecto piezoeléctrico inverso".
Es decir, tienen la capacidad de convertir la energía eléctrica en energía mecánica. Un voltaje impresionado a través de las superficies adecuadas del cristal hará que se expanda o contraiga sus superficies en respuesta al voltaje aplicado.



Voltaje producido por calor

Cuando un trozo de metal, como el cobre, se calienta en un extremo, los electrones tienden a alejarse del extremo caliente hacia el extremo más frío. Esto es cierto para la mayoría de los metales. Sin embargo, en algunos metales, como el hierro, el ocurre lo opuesto y los electrones tienden a moverse HACIA el extremo caliente. Estas características están ilustradas en la figura 1-21. Las cargas negativas (electrones) se alejan del cobre a través del cobre alejándose del calor y a través del hierro hacia el calor. Cruzan del hierro al cobre a través del medidor de corriente al hierro en la unión fría. Este dispositivo generalmente se conoce como THERMOCUPLA.



Figura 1-21.—Voltaje producido por calor

    Los termopares tienen capacidades de potencia algo mayores que los cristales, pero su capacidad sigue siendo muy pequeña  n comparación con otras fuentes. El voltaje termoeléctrico en un termopar depende principalmente de la diferencia de temperatura entre las uniones fría y caliente. En consecuencia, se usan ampliamente para medir la temperatura y como  dispositivos de detección de calor en equipos de control automático de temperatura. Los termopares generalmente pueden estar sujetos a temperaturas mucho mayores que los termómetros normales, como los tipos de mercurio o alcohol.

Voltaje producido por la luz

Cuando la luz incide en la superficie de una sustancia, puede desalojar electrones de sus órbitas alrededor de los átomos de la superficie de la sustancia. Esto ocurre porque la luz tiene energía, lo mismo que cualquier fuerza móvil.
Algunas sustancias, en su mayoría metálicas, son mucho más sensibles a la luz que otras. Es decir, más electrones serán Desalojados y emitidos desde la superficie de un metal altamente sensible, con una cantidad dada de luz, de los que se emitirá desde una sustancia menos sensible. Al perder electrones, el metal fotosensible (sensible a la luz) se carga positivamente y se crea una fuerza eléctrica. El voltaje producido en esta manera se conoce como VOLTAJE FOTOELÉCTRICO.
Los materiales fotosensibles más comúnmente utilizados para producir un voltaje fotoeléctrico son varios compuestos de óxido de plata u óxido de cobre. Un dispositivo completo que funciona con  principio fotoeléctrico se conoce como una "celda fotoeléctrica". Hay muchos tamaños y tipos diferentes de celdas fotoeléctricas en uso, y cada una cumple el propósito especial para el que está diseñada. Casi todas, sin embargo, tienen algunos de las características básicas de las células fotoeléctricas que se muestran en la figura 1-22.



Figura 1-22. —Voltaje producido por luz.

La celda (fig. 1-22 vista B) tiene una superficie curva sensible a la luz enfocada en el ánodo central. Cuando la luz de la dirección mostrada golpea la superficie sensible, emite electrones hacia el ánodo. Mientras más intensa la luz, mayor es el número de electrones emitidos. Cuando se conecta un cable entre filamento y la parte posterior, o el lado oscuro de la celda, los electrones acumulados fluirán hacia el lado oscuro. Estos electrones eventualmente pasarán a través del metal del reflector y reemplazarán a los electrones que dejan la superficie sensible a la luz.
Por lo tanto, la energía de la luz se convierte en un flujo de electrones y se desarrolla una corriente utilizable.

La celda (fig. 1-22 vista B) está construida en capas. Una placa base de cobre puro está recubierta con óxido de cobre sensible  a la luz. Se coloca una capa de metal semitransparente extremadamente delgada sobre el óxido de cobre.
Esta capa adicional tiene dos propósitos:
1. Permite la penetración de la luz en el óxido de cobre.
2. Recoge los electrones emitidos por el óxido de cobre.
Un cable conectado externamente completa el camino de los electrones, igual que en la celda de tipo reflector. El voltaje de la fotocélula se usa según sea necesario conectando los cables externos a algún otro dispositivo, que lo amplifica (lo amplía) a un nivel utilizable.
La capacidad de potencia de una fotocélula es muy pequeña. Sin embargo, reacciona a las variaciones de intensidad de luz en un
tiempo extremadamente corto. Esta característica hace que la fotocélula sea muy útil para detectar o controlar precisamente una gran cantidad de operaciones. Por ejemplo, la célula fotoeléctrica, o alguna forma de principio fotoeléctrico, se utilizan en cámaras de televisión, controles automáticos de procesos de fabricación, apertura de puertas, alarmas antirrobo, etc.

Voltaje producido por acción química

El voltaje puede producirse químicamente cuando ciertas sustancias están expuestas a la acción química. Si dos sustancias diferentes (generalmente metales o materiales metálicos) se sumergen en una solución que produce una mayor acción química en una sustancia que en la otra, existirá una diferencia de potencial entre los dos. Si un conductor se conecta entre ellos, los electrones fluirán a través del conductor para igualar la carga. Este arreglo se llama célula primaria. Las dos piezas metálicas son
llamadas electrodos y la solución se llama electrolito. La celda voltaica ilustrada en la figura 1-23 es un ejemplo simple de una celda primaria. La diferencia de resultados potenciales resulta del hecho de que el material de uno o ambos electrodos se disuelven en el electrolito, y en el proceso, se forman iones alrededor de los electrodos. Debido al campo eléctrico asociado con los iones cargados, los electrodos adquieren cargas.






Figura 1-23. —Celda  voltaica.


La cantidad de diferencia de potencial entre los electrodos depende principalmente de los metales utilizados. El tipo de electrolito y el tamaño de la celda tienen poco o ningún efecto sobre la diferencia de potencial producida.
Hay dos tipos de células primarias, la célula húmeda y la célula seca. En una celda húmeda, el electrolito es un líquido. Una celda con un electrolito líquido debe permanecer en posición vertical y no es fácilmente transportable. Una batería automotriz es un ejemplo de este tipo de celda. La célula seca, mucho más comúnmente utilizada que la celda húmeda, en realidad no está seca, pero contiene un electrolito mezclado con otros materiales para formar una pasta. Las linternas y las radios portátiles suelen funcionar con pilas secas.
Las baterías se forman cuando se conectan varias celdas para aumentar la salida eléctrica.

Voltaje producido por magnetismo

Los imanes o dispositivos magnéticos se utilizan para miles de trabajos diferentes. Uno de las más útiles y más ampliamente empleadas de los imanes son la producción de grandes cantidades de energía eléctrica a partir de fuentes mecánicas. La potencia mecánica puede ser proporcionada por varias fuentes diferentes, como motores de gasolina o diesel, y turbinas de agua o vapor. Sin embargo, la conversión final de estas fuentes de energías a electricidad se realizan mediante generadores que emplean el principio de inducción electromagnética. Estos generadores, de muchos tipos y tamaños, se analizarán en otras lecciones de esta serie. El tema importante que se discute aquí es el principio operativo fundamental de TODOS tales generadores de  inducción electromagnética
Para empezar, hay tres condiciones fundamentales que deben existir antes de que un voltaje pueda ser producido por magnetismo.


1. Debe haber un CONDUCTOR en el que se produzca el voltaje.
2. Debe haber un CAMPO MAGNÉTICO en la cercanía del conductor.
3. Debe haber un movimiento relativo entre el campo y el conductor. El conductor debe moverse para cortar las líneas de fuerza magnéticas, o el campo debe moverse para que las líneas de fuerza sean cortadas por el conductor.

De acuerdo con estas condiciones, cuando un conductor o conductores se mueven a través de un campo magnetico para cortar las líneas de fuerza, los electrones DENTRO DEL CONDUCTOR se impulsan en una dirección u otra. Por lo tanto, se crea una fuerza eléctrica o voltaje.
En la figura 1-24, observe la presencia de las tres condiciones necesarias para crear un voltaje inducido.







Figura 1-24. —Voltaje producido por  magnetismo.



1. Existe un campo magnético entre los polos del imán en forma de C.
2. Hay un conductor (cable de cobre).
3. Hay un movimiento relativo. El cable se mueve de un lado a otro a través del campo magnético.
En la figura 1-24, vista A, el conductor se mueve HACIA el frente de la página y los electrones se mueven de izquierda a derecha. El movimiento de los electrones ocurre debido a la fem inducida magnéticamente actuando sobre los electrones en el cobre. El extremo derecho se vuelve negativo y el extremo izquierdo positivo. El conductor se detiene en la vista B, se elimina el movimiento (una de las tres condiciones requeridas), y ya no hay una fem inducida. En consecuencia, ya no hay ninguna diferencia en potencial entre los dos extremos del cable. El conductor en la vista C se aleja del frente de la página. Una fem inducida se crea nuevamente. Sin embargo, tenga en cuenta que la REVERSIÓN DE MOVIMIENTO ha causado un
INVERSIÓN DE DIRECCIÓN en la fem inducida.
Si se proporciona una ruta para el flujo de electrones entre los extremos del conductor, los electrones saldrán del extremo negativo y flujo hacia el extremo positivo. Esta condición se muestra en la vista parcial D. El flujo de electrones continuará mientras exista la fem. Al estudiar la figura 1-24, debe notarse que la fem inducida podría también haberse  creado manteniendo el conductor estacionario y moviendo el campo magnético de un lado a otro.
Los aspectos más complejos de la generación de energía mediante el uso de movimiento mecánico y magnetismo son discutidos más adelante en esta serie, bajo el título "Generadores y motores"


P40 Nombre los seis métodos para producir un voltaje.
P41 El efecto piezoeléctrico es un ejemplo de un voltaje producido por qué método.
P42 ¿Un termopar es un dispositivo que produce voltaje mediante qué método?
P43 ¿Una batería utiliza qué método para producir un voltaje?
P44 ¿Un generador utiliza qué método para producir un voltaje?

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