Cap. 3 Generación Eléctrica v.2

TEMA 3
GENERACIÓN ELÉCTRICA
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Desarrollo
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Interactiva
Actividad de inicio:
simulación virtual de una bobina y un generador.
Ingresar a:
http://phet.colorado.edu/en/simulation/generator
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Primera pestaña: un imán en barra, frente a una bobina la que está conectada a una ampolleta.
Acompañamiento:
Recuerda que una corriente eléctrica es capaz de encender la ampolleta y también de crear un campo
magnético. Ahora la idea es descubrir cómo crear una corriente eléctrica a partir de un campo magnético.
Mueve el imán cerca de la bobina y observa lo que sucede, ¿cómo puedes describirlo?
Dejar tiempo para la exploración libre.
¿y si mueves la bobina y no el imán…?
Dejar tiempo para la exploración libre.
¿sucede lo mismo?
¿cambia algo si mueves el imán o la bobina más rápidamente?
Fíjate cómo es el movimiento de los electrones en la bobina.
Dejar tiempo para la exploración libre.
Este fenómeno se llama inducción electromagnética.
Consiste en producir una corriente eléctrica en el circuito haciendo variar la intensidad del campo
magnético que los rodea. Si te fijas bien advertirás que la corriente producida por el imán en el circuito no
es estable sino que cambia constantemente. Es una corriente alterna y no continua, como la que
entrega una pila.
Esto es lo que sucede en una central de producción eléctrica.
Para que comprenderlo mejor te sugerimos pasar a la segunda actividad.
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Segunda pestaña: un generador de electricidad compuesto por un imán adherido a una rueda que se
mueve por una caída de agua. El caudal de agua se puede regular y en la rueda aparece marcada las
revoluciones de giro de la rueda. A su vez el imán induce corriente en un circuito formado por una bobina y
una ampolleta. La ampolleta se ilumina más mientras más rápido cae el agua y mayor caudal tiene esta caída.
Se puede reemplazar la ampolleta por un amperímetro que mide la corriente. También se pueden agregar
mayor número de vueltas a la bobina.
Acompañamiento:
Aquí podrás apreciar cómo funciona una central generadora de electricidad a partir de una corriente de
agua. Estas centrales se llaman hidroeléctricas.
Experimenta primero haciendo variar el caudal de agua que sale de la llave y saca tus propias
conclusiones.
Dejar tiempo para la exploración libre.
¿cuándo la ampolleta prende más?
¿cómo es la corriente que circula por la ampolleta: es continua o alterna?
Cuando la rueda gira, el campo magnético que rodea al circuito cambia y esta variación de magnetismo
induce corriente en la bobina.
Dejar tiempo para la exploración libre.
¿qué pasará si aumentas la cantidad de espiras de alambre en la bobina?
Haz tus propias predicciones antes de realizar la experiencia.
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Desarrollo Formal
del Contenido
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¿Qué es el electromagnetismo?
Los científicos que se dedicaron a investigar los fenómenos eléctricos, pronto se dieron cuenta de que ellos
estaban muy relacionados con el magnetismo. Así se descubrió que una corriente eléctrica circulando por
un cable producía un campo magnético a su alrededor. Este fenómeno permitió construir los primeros
electroimanes. Al unir los fenómenos eléctricos y con los magnéticos nacío una nueva área de la Física, el
electromagnetismo.
Fuente: http://www.cienciasnaturalesonline.com/wpcontent/uploads/2009/03/electroiman.png )
Fue el científico inglés Michael Faraday quien se hizo la siguiente pregunta:
dado que una corriente eléctrica produce un campo magnético, ¿será posible producir una corriente
eléctrica usando un campo magnético?
En esta pregunta, aparentemente simple, radicaba la clave de toda la producción eléctrica que hoy se genera
en el mundo. Veamos su sencillo pero fundamental experimento:
Se tiene una bobina con varias vueltas de alambre conectada a un medidor de corriente (amperímetro). Este
instrumento detectará cualquier circulación de corriente a través de la bobina (fig.1). Inicialmente el
amperímetro marca 0 A ya que lógicamente no hay ninguna fuente de voltaje (una pila, por ejemplo) que
produzca corriente en el circuito. Sin embargo al acercar un imán, Faraday se dio cuenta de que el
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amperímetro detectaba una corriente, siempre y cuando el imán se mantuviese en movimiento con respecto
a la bobina.
Una vez que el imán estaba quieto cerca de la bobina, no se producía ningún efecto eléctrico. Inversamente,
si dejaba quieto el imán y movía la bobina cerca de él, nuevamente se detectaba corriente en el
amperímetro. Faraday concluyó que al variar el campo magnético en la bobina se inducía una corriente
variable en su interior.
Michael Faraday
científico británico de origen humilde y uno de los más destacados científicos del siglo XIX.
Recibió una educación básica y a temprana edad tuvo que trabajar, primero como repartidor de periódicos y
luego, a los 14 años, en una librería, donde tuvo la oportunidad de leer algunos artículos científicos que lo
impulsaron a realizar sus primeros experimentos. Con sus investigaciones dio un empuje fundamental a la
electricidad al establecer que el magnetismo produce electricidad a través del movimiento.
Fuente: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/f/faraday.htm )
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Inducción electromagnética
La corriente eléctrica es la medida de la cantidad de carga eléctrica que fluye a través de un cuerpo (un
cable por ejemplo) en un tiempo determinado. Su unidad de medida es el ampere o amperio y su símbolo
es (A). Cuando se acerca el imán a una bobina, el amperímetro indica una corriente en un cierto sentido.
Cuando se aleja el imán de la bobina se ve que la corriente cambia de sentido. Se ha generado entonces una
corriente alterna.
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Corriente alterna
En una corriente alterna cambia cíclicamente el sentido de movimiento de la carga eléctrica (electrones) en
cable conductor. Pero no solamente cambia el sentido sino también la magnitud o intensidad de dicha
corriente. Así, cada vez que se completa un ciclo, la intensidad de la corriente vuelve a cero. Al graficar la
intensidad de la corriente en el tiempo se obtiene una curva sinusoidal parecida a la forma de ka onda en
una cuerda.
La cuenta de ciclos de la corriente en un segundo determina la frecuencia de la corriente alterna. Esta
frecuencia se mide en hertz (Hz), y habitualmente la corriente alterna que existe en nuestras casas tiene una
frecuencia de 50 o 60 Hz. Esto significa 50 a 60 ciclos de inversión de la corriente en cada segundo.
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Ley de Faraday
Un voltaje constante produce una corriente continua dentro de un circuito y, de modo similar, una
corriente alterna será producida por un voltaje alterno, es decir un voltaje cuya intensidad varía
sinusoidalmente en el tiempo, tal como muestra el gráfico siguiente.
Entonces:
Un campo magnético que varía en el tiempo, inducirá un voltaje alterno
(o fuerza electromotriz) en una bobina.
Este voltaje o fuerza electromotriz (f.e.m.) será mayor:
• cuanto más rápido cambie el campo magnético en el tiempo
• cuanto mayor número de vueltas de alambre (espiras) tenga la bobina
(Ley de Faraday de la inducción electromagnética).
Así, se hace muy sencillo “fabricar electricidad” a partir de campos magnéticos variables y de bobinas de
alambres. Esta forma de producir electricidad es mucho más práctica que por medio de pilas, ya que las pilas
se agotan; en cambio, se puede producir corriente alterna en forma permanente mientras se mantenga en
movimiento una bobina frente a un campo magnético. Así funciona un generador eléctrico.
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Generador eléctrico
En un generador de electricidad se hace girar un conjunto de bobinas en torno de un campo magnético
generado habitualmente por electroimanes. El sistema de bobinas a su vez está unido a una turbina, es
decir, una rueda con aspas que puede girar rápidamente usando algún tipo de energía. De esta forma el
generador transforma la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica inducida por la
rotación de las bobinas.
Turbina tipo “Pelton”
Cuanto más rápido se haga girar la turbina, mayor será el voltaje eléctrico que se producirá en el
generador, y la corriente alterna producida tendrá mayor frecuencia.
Se pueden utilizar diferentes fuentes de energía para mover un generador como, por ejemplo, el pedaleo, el
agua, el viento o el vapor.
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Sencillo generador eléctrico
Un pequeño motor eléctrico de los que se
usan en los juguetes puede transformarse
en un generador eléctrico, ya que en su
interior están los dos elementos básicos:
bobinas e imanes. Si se toma el eje del
motor y se le hace girar rápidamente,
estaremos poniendo en práctica el
principio de Faraday de inducción
electromagnética. La corriente así
generada saldrá ahora por los dos
terminales que inicialmente servían para
alimentar con corriente al motor. Si
conectamos una pequeña ampolleta o un
diodo LED a estos terminales podremos
apreciar cómo éstos se encienden al hacer
girar el eje del motor con cierta rapidez.
Viejas Turbinas
Transformar la energía de la naturaleza a
través del movimiento no es una idea
nueva. Los antiguos molinos de viento y las
viejas ruedas de agua son ejemplos de
turbinas rudimentarias que transforman la
energía cinética del viento o del agua de un
río en energía mecánica de rotación. Este movimiento rotacional del eje de la turbina se puede aprovechar
de muchas maneras en tareas útiles como moler trigo o aserrar madera, por ejemplo.
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Generación hidroeléctrica
Una central de generación hidroeléctrica utiliza la energía potencial del agua de un cauce natural, ya sea
que ha sido acumulada en forma artificial o aprovechando un desnivel propio del terreno. En su caída entre
dos niveles del cauce, el agua se hace pasar por una turbina hidráulica la que, conectada a un generador,
transforma la energía mecánica (cinética del agua) en energía eléctrica.
Funcionamiento:
El agua (1) cae desde un nivel de la presa (2) a través de un ducto o tubería de descarga (3 y 4) hasta las
turbinas que se encuentran en su base (6).
Las turbinas al girar mueven los generadores (5) que a su vez, producen voltaje y corriente alterna.
La electricidad producida viaja desde los generadores hasta unos transformadores (10), donde se eleva el
voltaje para poder transportar la electricidad (9) hasta los centros de consumo.
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¿Qué ventajas tiene una central hidroeléctrica?
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No requiere combustible, ya que usa una forma de energía renovable, que la
naturaleza repone constantemente a través del ciclo del agua.
Es limpia, ya que no contamina el aire ni el agua.
Los costos de mantenimiento y explotación son bajos.
Las obras de ingeniería necesarias para aprovechar la energía hidráulica tienen una
duración considerable (más de 50 años).
La turbina hidráulica es una máquina sencilla, eficiente y segura, que puede ponerse
en marcha y detenerse con rapidez.
¿Qué desventajas tiene?
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La disponibilidad de energía puede variar de estación en estación y de año en año.
Su construcción lleva, por lo general, largo tiempo en comparación con el de una
central termoeléctrica.
El emplazamiento, determinado por las características naturales, puede estar muy lejos
de los centros de consumo y exigir la construcción de un sistema de transmisión de
electricidad. Esto trae consigo intervención del suelo por donde pasan las torres de
transmisión, aumento de los costos de mantención y pérdidas de energía en el
trayecto.
La inundación de terrenos con vegetación aguas arriba del muro de la presa puede
generar la emisión de grandes cantidades de gases como metano y dióxido de
carbono, producto de la descomposición del material vegetal y orgánico. Tales gases
tienen efecto invernadero en la atmósfera.
Asimsmo, si la inundación cubre lugares habitados ocasiona impactos sociales que
deben ser debidamente evaluados, mitigados y compensados. Si estos territorios han
sido objeto de ocupaciones históricas, la evaluación de su valor arqueológico es
necesaria. Por último, debe estudiarse cuidadosamente el efecto que las obras
provocan en la biodiversidad circundante.
Ver también:
http://www.sciencemuseum.org.uk/exhibitions/energy/site/QuizInfographic0.asp,
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Generación termoeléctrica
Una central termoeléctrica funciona en forma similar a la hidroeléctrica; sin embargo, en vez de utilizar
cantidades considerables de agua para poner en movimiento las turbinas, una reducida cantidad de agua
recirculante se calienta transformándola en vapor a presión, el que se inyecta en turbinas de vapor para
mover los generadores. En forma esquemática el ciclo de generación termoeléctrica es:
Central termoeléctrica Renca.
Para calentar el agua puede utilizarse diferentes tipos de combustibles: gas natural, diesel, carbón, etc. Una
de las ventajas de este tipo de centrales es, sin lugar a dudas, que pueden establecerse cerca de los centros
de consumo, ya que no requieren de una topografía con desniveles o propicia para la acumulación de agua.
Como desventaja principal, se puede mencionar la emisión
de contaminantes por el proceso de combustión. Sin
embargo, se han desarrollado diferentes tecnologías que
pueden aplicarse para reducir estas emisiones, tales como
los precipitadores electrostáticos.
Estos sistemas reducen la contaminación producida por los
humos de la quema de combustibles fósiles, atrapando las
partículas, las que se ionizan en el proceso; éstas son
atraídas por placas metálicas que se cargan con polaridad
opuesta a las partículas contaminantes.
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¿Otras fuentes alternativas de generación de energía eléctrica?
La investigación científica de los últimos cincuenta años ha logrado diseñar diversas nuevas formas de
producir electricidad, pero siempre usando el mismo principio:
¿qué tipo de energía podemos utilizar para poner en rotación un generador eléctrico?
La respuesta a esta pregunta ha sido muy variada: el sol, el viento, las mareas, la geotermia, la basura, etc. Así
han surgido diferentes modelos de centrales eléctricas, entre las cuales las más populares son:
•
Solares
La energía del sol, dirigida mediante espejos móviles a un punto de la torre central,
calienta un fluido el que a su vez mueve las turbinas y los generadores.
•
Eólicas
La energía cinética del viento mueve las aspas de una turbina la que a su vez contiene
en su interior un generador.
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•
Mareomotrices
La energía potencial gravitacional asociada al cambio de mareas durante el día pone
en movimiento grandes masas de agua de mar, que al circular por un canal, mueven
los generadores.
•
De Biomasa
Mediante la fermentación de desechos orgánicos o la quema directa de ellos se
obtiene el calor para generar el vapor que mueve las turbinas y los generadores.
•
Nucleares
La reacción atómica en un ambiente controlado es aprovechada para generar el calor
necesario para calentar el vapor que mueve las turbinas y los generadores.
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Existen otras formas diferentes de generación eléctrica que no utilizan la transformación del movimiento de
una espira en un campo magnético; ellas son, por ejemplo, la generación de energía fotovoltaica mediante
paneles solares que producen una corriente eléctrica directamente. Aunque los voltajes obtenidos son bajos
y la capacidad de estos sistemas es reducida en comparación a los sistemas tradicionales, no deja de ser una
alternativa interesante para lugares en Chile donde hay fuerte y constante radiación solar durante la mayor
parte del año y disponibilidad de espacio.