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?
<<<ANTERIOR: LECCIÓN 1 PARTE C MAGNETISMO
