origen y conceptos de la electricidad

origen de la electricidad

El estudio del origen, fundamentos y características de la electricidad se remonta a los tiempos de los Filósofos Griegos. Tales de Mileto, (Siglo VII a.C.) hizo notar que cuando dos piezas de ámbar son frotadas entre sí, tienen la facultad de atraer o repeler a otro tipo de elementos ligeros. Aristóteles destaco en alguno de sus escritos que un mineral llamado “calamita” o piedra imán, tenia la particularidad de atraer a pesadas piezas de hierro.

Durante los tiempos antiguos y hasta abarcarla primera mitad de la edad media, fue muy poco o casi nada, lo que se llego a investigar sobre este fenómeno; la generalidad de la gente no entendía que la producía y lo que es aun más grave e increíble de entender, no creían que la energía que producía este fenómeno pudiera ser de gran utilidad.

Es en tiempos de la Reina Isabel I de Inglaterra, cuando su medico de cabecera William Gilbert, escribe un libro en el que trata de explicar las características y peculiaridades de la electricidad y el magnetismo; es preciso reconocer que este tratado, fue la razón principal por la que muchos científicos atraídos por lo que Gilbert afirmaba, se dedicara con ahínco y seriedad a estudiar las propiedades y usos que podría tener esta fuente de energía.

Al pasar los años en la prestigiada Universidad de Leyden, se inventa un recipiente que no era otra cosa que una forma primitiva de capacitor y que tenia como función principal el de almacenar corriente.

En esa misma época el físico Italiano Alejandro Volta, inventa un aditamento que tenia la propiedad de producir electricidad y que se generaba al sumergir dos placas de zinc y cobre en ácido sulfúrico (batería).

En el periodo comprendido del año 1601 al 1820, se efectuaron múltiples experimentos, los que aunque ayudaron a mejor comprender las características de este fenómeno, pero no aportaron nada contundente y significativo sobre su uso practico.

No es sino hasta el año de 1827, en que se le empieza a ver una aplicación provechosa a la energía que producía la electricidad; es en ese tiempo que se empezó a utilizarla para mandar mensajes a través de un alambre conector de electricidad a través de impulsos eléctricos (Sistema Morse).

Los científicos en su afán de encontrarle otras aplicaciones a la electricidad, fueron descubriendo nuevos aditamentos que permitieran el control y uso de este elemento.

Uno de los científicos que mas contribuyo para que se pudiera comprender y usar esta energía fue Michael Faraday, discípulo aventajado de Sir. Humpry Davy, físico ingles que también había demostrado las características del arco eléctrico. El físico Ingles Faraday, fue el descubridor del benceno y sus aportes a la física fueron invaluables y de gran importancia, gracias a sus descubrimientos sobre la induccion magnética, pudo desarrollar al Dinamo, el Generador y el Alternador.

conceptos básicos de la electricidad

Con esta primera lección comenzamos un curso completo de electrónica dirigido a todos aquellos lectores que quieran aprender electrónica desde sus principios.

Nuestro curso completo capacitará al alumno para encarar la reparación de dispositivos simples como una radio de AM y FM pero su fin principal es prepararlo para que pueda iniciar el estudio del Curso Completo de TV  en donde se analiza la reparación de televisores antiguos y modernos, o de cualquier otro curso especializado como el de DVD, video, CD, TV de LCD y Plasma, etc.

La electricidad estática

La electricidad nos rodea aunque no siempre se manifieste. En efecto todos los cuerpos físicos (objetos) están formados con moléculas de diferentes materiales que a su vez están construidas con alguno de los 92 átomos diferente que existen en la naturaleza. Y en cada átomo, existe un núcleo positivo y una nube de electrones negativa que se compensan perfectamente como para que el átomo sea neutro. Y si es neutro no puede manifestarse eléctricamente.

Al núcleo no tenemos un acceso fácil que permita quitar protones, pero llegar a los electrones de orbitas superiores es muy fácil y solo basta con frotar materiales con un paño para arrancar o agregar electrones y generar cargas eléctricas fijas en el material utilizado. Agregar o quitar depende del material que se frote en el paño. Algunos materiales son dadores y otros son aceptores.

Es así como podemos tener un objeto con exceso de electrones (negativo) y otro con falta de electrones (positivo). Mientras los objetos estén separados (aislados) permanecerán cargados permanentemente. Si se los aproxima hasta que se toquen, de inmediato circularan cargas eléctricas (electrones) ente ellos hasta neutralizarse de modo que cada cuerpo sea neutro.

Como el lector puede observar, todas estas acciones ocurren en un instante de tiempo y luego cesan en cuanto los cuerpos se neutralizan. No hay una circulación permanente de electricidad. Un instante después que los cuerpos se tocan cesan los fenómenos eléctricos. Por esos a estos fenómenos se los incluye entre los de electricidad estática o electrostática. Nos sirven para establecer los principios de nuestra especialidad, pero no son los fenómenos que normalmente ocurren dentro de un dispositivo electrónico, en donde las corrientes de electrones circulan en forma permanente.

El concepto más importante de la electrónica  es el de la circulación de la corriente eléctrica, que puede ser explicado claramente mediante la electricidad estática.

Hasta ahora tenemos dos cuerpos cargados eléctricamente. Uno es de material dador (positivo) y otro de material aceptor (negativo).

• Si los unimos con una barra de vidrio los cuerpos permanecerán cargados y entonces decimos que la barra de vidrio es aisladora.
• Si los unimos con una barra de cobre los cuerpos se descargarán y entonces decimos que la barra de cobre es conductora.

Es un error considerar que el mismo electrón que sale del cuerpo con exceso de electrones y penetra en la barra conductora, llega al que tiene falta de electrones. En efecto el fenómeno que se produce es un desplazamiento de electrones de átomo en átomo de modo que entra un electrón por una punta de la barra pero el que sale es otro electrón que estaba situado en la otra punta. La carga se desplaza prácticamente a la velocidad de la luz el corpúsculo (electrón) lo hace mucho mas lentamente.

• En un cuerpo aislador los electrones están fuertemente unidos a su núcleo y es difícil o imposible sacarlos de sus orbitas.
• En un cuerpo conductor los electrones están flojamente unidos a su núcleo, inclusive muchas veces se movilizan y cambia de núcleo en forma casual; aunque siempre que un átomo adquiere un electrón cede otro para mantener la neutralidad.

Ahora es fácil entender que si un cuerpo con electrones en exceso se une a una barra de cobre, este cuerpo transfiere algunos de sus electrones de modo que el nuevo cuerpo con el agregado de la barra de cobre tiene características negativas distribuidas uniformemente por todo el cuerpo compuesto. Es decir que la barra de cobre es también negativa y por lo tanto al acercarla al cuerpo positivo, establecerá la circulación de electrones.

En cambio la barra de vidrio no acepta que sus electrones se muevan de átomo en átomo y por lo tanto el cuerpo con exceso de electrones no puede influir sobre ella. Estos dos conceptos de cuerpos aisladores y conductores son fundamentales en nuestra especialidad.

• Ejemplos de cuerpos conductores son  los metales como el cobre, el aluminio, la plata, el oro, etc. Pero debemos aclarar que no solo los metales son conductores; algunos líquidos también lo son. Dejemos el caso obvio de los metales líquidos a temperatura ambiente como el mercurio. Algunos líquidos compuestos como los ácidos, las bases y las sales disueltas (como el agua salada) son conductores, aunque no tan buenos como los metales. También existen sólidos conductores como por ejemplo el grafito (un estado de agregación del carbono).
• Como ejemplo de aisladores podemos indicar, al vidrio, los materiales plásticos y el agua destilada. En realidad son aisladores hasta cierto punto. En efecto si un cuerpo esta muy cargado de electricidad y la barra aisladora no es muy larga puede ocurrir un efecto de circulación disruptiva que perfora el aislador y lo vuelve conductor. En general esta circulación se produce con presencia de ruido, efectos luminosos y térmicos dando lugar a lo que se llama una descarga eléctrica y en muchos casos el cuerpo aislador queda definitivamente transformado en un conductor.

Este efecto no requiere en realidad a la barra aisladora; el propio aire entre los dos cuerpos cargados puede oficiar de conductor si la carga de los cuerpos es suficientemente alta. En este caso se producen arcos a través del aire de los cuales los relámpagos son una manifestación natural que se produce debido a la carga eléctrica de las nubes de tormenta.

Inclusive se puede formar un arco en el vacío. En efecto un cuerpo cargado muy negativamente puede rechazar tanto su exceso de electrones que estos son capaces de adquirir suficiente energía como para saltar el espacio vacío. El arco que se observa visualmente como una línea luminosa y el ruido que se produce son causados por los electrones circulantes a gran velocidad y en gran cantidad

La corriente eléctrica

Los electrones que circulan entre dos cuerpos cargados con cargas opuestas, al unirlos con un conductor, forman lo que clásicamente se conoce como corriente eléctrica. Es decir que circulación de electrones y corriente eléctrica son sinónimos. Por lo general cuando se trata de fenómenos electrostáticos se habla de circulación de cargas o de electrones y cuando los procesos son continuos se habla de corriente eléctrica.

La corriente de agua que circula por un caño se mide en litros/Seg. ¿En que se mide la corriente electrica? Es evidente que se podría medir en electrones/Seg. pero la carga de un electrón es tan pequeña que los números serían muy altos, es decir que la unidad electrones/Seg. no es práctica. Inclusive la unidad de carga eléctrica de un cuerpo cargado por frotamiento medida en electrones es ya un número muy alto.

Por todo esto se idearon unidades prácticas tanto para la cantidad de electricidad o carga eléctrica como para la corriente eléctrica dándole a esas unidades el nombre de diferentes científicos que trabajaron con los fenómenos eléctricos.

La unidad practica de corriente eléctrica es el Coulomb (culombio) y es igual a 6,28 1018 electrones (6 trillones 228.000 electrones) o 6.280.000.000.000.000.000 electrones.

La unidad práctica de corriente eléctrica es el Amper y es igual a un Coulomb por segundo.

Para simplificar la notación se utilizan letras para representar a los diferentes conceptos y unidades. Por ejemplo a la carga siempre se la representa por la letra Q y a su unidad práctica por las letras Cb. La corriente eléctrica se representa por una I y a su unidad por una A. A la unidad de tiempo se la representa con la “t” minúscula (porque se reserva la T mayúscula para la temperatura) Con estas representaciones se puede escribir que la corriente eléctrica

I = Q/t

medida en Cb/Seg o la unidad equivalente A.

Las unidades siempre involucran los múltiplos y submúltiplos de las mismas. En electrónica se utilizan por lo general los submultimplos del A es decir el mA (miliamper) y el uA (microamper) en la siguiente tabla se pueden observar estas equivalencias.

SIMBOLO	POT DE 10	EQUIV. mA	EQUIV. μA	NOMBRE
1 A	100 A	1000	1.000.000	AMPER
1 mA	10-3 A	1	1.000	MILIAMPER
1 μA	10-6 A	0,001	1	MICROAMPER

La electricidad dinámica

La electricidad dinámica se produce cuando existe una fuente permanente de electricidad que provoca la circulación permanente de electrones por un conductor.

Las fuentes permanentes de electricidad se dividen en químicas y electromecánicas.

Una pila eléctrica es una fuente química de electricidad. Dentro de la pila se generan reacciones químicas cuyo resultado es la producción de electrones. Estos electrones están disponibles para que circulen por ejemplo por un conductor, pero a diferencia de un cuerpo cargado esa fuente de electrones no se agota. Cuando se los utiliza la pila vuelve a generar mas electrones que reemplazan a los tomados. Podría considerarse que la pila tiene en su interior tanto un cuerpo con exceso de electrones (el terminal negativo) como un cuerpo con falta de electrones (el terminal positivo) y que la pila transforma energía química en eléctrica como para tomar un electrón del terminal negativo y subirlo hasta el positivo.

Una dínamo es una maquina electromecánica que transforma energía mecánica de rotación en energía eléctrica. Hace lo mismo que la pila, es decir que la podemos asimilar a dos cuerpos cargados con diferente polaridad en donde las cargas que circulan son reemplazadas a medida que se van tomando. En este caso la energía necesaria para restaurar las cargas se saca de una interacción magnética entre los electrones y el campo magnético rotatorio de la dínamo.

Con la electricidad dinámica se arriba a otro concepto que es la capacidad de un generador de producir una circulación de corriente permanente. ¿De que depende la corriente eléctrica que circula entre dos cuerpos cargados? Depende de la diferencia de carga existente entre esos cuerpos y del tipo de barra con la cual interconectamos a los mismos. No hace falta en realidad que uno de los cuerpos sea negativo y el otro positivo. Si uno está muy lleno de electrones y el otro solo tiene un pequeño exceso de electrones y se conectan con una barra conductora, la misma equilibrará las cargas de modo que ambos cuerpos tendrán luego de un tiempo una cantidad de electrones promedio. Se puede decir por lo tanto que la circulación de corriente depende de la diferencia de potencial eléctrico entre los dos cuerpos (cuanto mas cargado esta un cuerpo que el otro) y del tipo de barra utilizada para establecer la unión entre los cuerpos. Hablamos de potencial porque un cuerpo cargado tiene una energía potencial, en el sentido de que si no colocamos la barra no hay circulación y por lo tanto la electricidad no puede generar trabajo de ningún tipo.

Los diferentes tipos de barras utilizados para hacer circular las cargas y las diferentes tipos de fuentes generan el concepto de la diferencia de potencial eléctrico y de la resistencia de la barra que analizaremos a continuación.

La resistencia eléctrica

La característica mas importante de lo que hasta ahora llamamos barra es su capacidad para nivelar las cargas de los cuerpos con mayor o menor velocidad. Intuitivamente sabemos que si coloco una barra de cobre las cargas se nivelan rápidamente; en cambio si coloco una barra de grafito las cargas pueden tardar mucho mas en nivelarse (dependiendo del tipo de grafito). En el primer caso decimos que la barra de cobre tiene muy poca resistencia a la circulación de la corriente eléctrica y el segundo que el grafito presenta mas resistencia a la circulación de los electrones.

¿Como haría Ud. para comparar la resistencia a la circulación electrónica de diferentes materiales? Lo lógico sería realizar probetas idénticas y operar por comparación. En el fondo lo que hace es muy parecido pero mas científico.

Se define a una probeta del material como un alambre de 1 metro de longitud con una sección de 1 mm2 y se dice que la resistencia especifica de ese material es unitaria cuando el resistor tiene una resistencia de 1 Ohms. La letra elegida para nombrar a la resistencia es R. La formula que da la resistencia en función de la resistencia especifica del material y las dimensiones del mismo es la siguiente:

R = Re.L / S

en donde Re es la resistencia especifica del material

En la tabla siguiente expresamos la resistencia especifica de los materiales mas comunes.

MATERIAL CONDUCTOR	RESISTENCIA ESPECIFICA (L = 1 m, S = 1mm2)
PLATA	0,016 Ω
COBRE	0,018 Ω
ALUMINIO	0,03 Ω
HIERRO	0,1 Ω
NIQUEL	0,13 Ω
ESTAÑO	0,142 Ω
BRONCE	0,17 Ω
PLOMO	0,20 Ω

Tabla de resistencias especificas

En electrónica se hace un uso enorme de barras de diferente resistencia. Tanto, que en realidad se define un componente llamado resistor, que puede tener valores específicos de resistencia que difieren entre si en un 1%, en un 5% o un 10% de acuerdo con su calidad. Estos resistores están construidos con grafito y poseen terminales de cobre para su soldadura en circuitos impresos con cobre sobre una lamina aislante.

La unidad Ohm representada por la letra griega Omega tiene por supuesto múltiplos y submúltiplos como el Amper. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados:

miliohm 1000 mΩ = 1 Ω
kiloohm 1 KΩ = 1.000 Ω
megaohm 1 MΩ = 1.000.000 Ω

La tensión eléctrica

Se dice que una fuente tiene una diferencia de potencial o tensión de 1 Voltio cuando al conectarle un resistor de 1 Ohms circula 1 A de corriente eléctrica por el. La tensión de una fuente se individualiza por la letra E y su unidad el Voltio por la letra V. Las siguientes igualdades nos indican los múltiplos y submúltiplos mas utilizados:

microvolt 1.000.000 uV = 1 V
milivolt 1.000 mV = 1 V
Kilovolt 1 KV = 1.000 V

En realidad la tensión de una fuente y la diferencia de potencial no obedecen al mismo concepto. Entre ambas características existe una pequeña diferencia que pasamos a explicar.

Toda fuente de electricidad posee una resistencia interna asociada que no puede ser evitada. Tomemos por ejemplo una pila del tipo A (las mas grandes usadas en linternas). Si medimos la tensión que entrega una pila nueva sin colocarle ningún resistor de carga, mediremos una tensión de exactamente 1,52V (la tensión depende de los materiales usados para su construcción, las pilas mas comunes utilizan grafito y zinc como electrodos y son las que dan exactamente esa tensión). Pero el grafito y el resto de los materiales que forman parte de la pila tienen cierta resistencia que debe ser considerada. En cambio si colocamos un resistor de carga de 1 Ohms la tensión de la pila se reduce a 1,3 V aproximadamente. Esto significa que esa pila tiene una resistencia interna que vamos a aprender a calcular posteriormente.

Por ahora podemos decir que la diferencia de potencial de la pila (o la tensión sin carga que es lo mismo) es de 1,52V y que la tensión cargada depende de la carga conectada, pero para una carga de 1 Ohm es de 1,3V.

Los generadores electromecánicos (dínamos) también poseen una diferencia de potencial y una tensión de trabajo con carga. En este caso la resistencia interna de la fuente está formada por la resistencia de los bobinados del dispositivo.

La Ley de Ohm

Una de las leyes mas importante de la electrónica es la ley de Ohm. El conocimiento por parte del alumno de esta ley es imprescindible y su aplicación no debe presentar ningún tipo de duda. Dudar en la aplicación de la ley de Ohm implica que todo el conocimiento que posteriormente se adquiera estará viciado de nulidad. Por eso le pedimos que preste la mayor atención y practique con la ley de Ohm hasta que no tenga la menor duda. En la próxima lección vamos a insistir sobre el tema pero utilizando una herramienta invalorable para ello; el laboratorio virtual Live Wire. Pero primero debemos captar el concepto a la antigua es decir utilizando solo nuestra capacidad de raciocinio.

La ley de Ohm es muy lógica e intuitiva y el alumno seguramente la va a entender con total facilidad. En la figura 1 se puede observar lo que en electrónica se llama un circuito.

Fig. 1 Circuito de una pila cargada con un resistor

Evidentemente se trata de un dibujo esquematizado de la realidad. En lugar de dibujar una pila real, un resistor real y los cables que conectan a esos componentes se los reemplaza por un esquema fácil de dibujar. A la derecha se puede observar el símbolo de un resistor y a la izquierda el de una pila unido por líneas que representan a los cables del circuito o a las pistas del circuito impreso de cobre. Inclusive siempre se dibuja la pila de modo que la raya mas larga sea el terminal positivo de la misma.

En este circuito están claramente determinados dos parámetros mas importantes. La tensión de la pila y la resistencia del resistor conectado sobre ella y que por supuesto tiene aplicada la misma tensión que tiene la pila. Ignoramos la corriente que circula por el circuito. La ley de Ohm nos permite calcularla mediante una ecuación.

Ohm dice que I = E / R y esta formula es totalmente lógica porque a medida que la resistencia R aumenta se reduce la corriente circulante I y viceversa. También nos indica que a medida que aumentamos la tensión E aumentará la corriente y viceversa.

Calculemos la corriente circulante en nuestro sencillo circuito:

I = 1,5V / 1 Kohm o I = 1,5V / 1.000 Ohms = 0,0015 A = 1,5 mA

La ley de Ohm no solo sirve para calcular la corriente por el circuito. Podría ocurrir que en realidad conozcamos la tensión de la pila y queremos que circule una determinada corriente por el circuito (por ejemplo 2 mA) quedando como incógnita el valor del resistor. Realizando una transposición de términos podemos decir que:

R = E / I

y reemplazando

R = 1,5V / 2 mA => R = 0,75 Koms = 750 Ohms

Por último podría ocurrir que conozcamos el valor de R y de I y necesitemos calcular el valor de la tensión de la pila. Por ejemplo si R = 2K y I = 2 mA se puede calcular que:

E = R x I

y reemplazando

E = 2K x 2 mA = 2000 x 0,002 = 4 V

Le pedimos al alumno que aplique la ley de Ohm para diferentes valores de E, R y I para que tome confianza con el tema. Y sobre todo le pedimos que intente el uso de notación científica para resolver los circuitos con mayor rapidez y seguridad. Le aconsejamos que dentro de sus posibilidades compre una calculadora científica para realizar las prácticas. O si tiene una PC que utilice la calculadora científica que viene con Windows

Central hidroeléctrica

Central hidroeléctrica de Krasnoyarsk, Rusia

Corte transversal de una represa hidroeléctrica

En una central hidroeléctrica se utiliza energía hidráulica para la generación de energía eléctrica. Son el resultado actual de la evolución de los antiguos molinos que aprovechaban la corriente de los ríos para generar energía.

En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, también conocido como «salto geodésico». En su caída entre dos niveles del cauce, se hace pasar el agua por una turbina hidráulica que transmite energía a un generador eléctrico donde se transforma en energía eléctrica.

Consideraciones generales

Central hidroeléctrica en Grandas de Salime (Asturias, España)

A finales del siglo XIX, la energía hidroeléctrica se convirtió en una fuente para generar electricidad. La primera central hidroeléctrica se construyó en las cataratas del Niágara en 1879. En 1881, las farolas de la ciudad de Niagara Falls funcionaban mediante energía hidroeléctrica.

Una central hidroeléctrica clásica es un sistema que consiste en tres partes: una central eléctrica en la que se produce la electricidad; una presa que puede abrirse y cerrarse para controlar el paso del agua; y un depósito en que se puede almacenar agua. El agua de detrás de la presa fluye a través de una entrada y hace presión contra las palas de una turbina, lo que hace que éstas se muevan. La turbina hace girar un generador para producir la electricidad. La cantidad de electricidad que se puede generar depende de hasta dónde llega el agua y de la cantidad de ésta que se mueve a través del sistema. La electricidad puede transportarse mediante cables eléctricos de gran longitud hasta casas, fábricas y negocios.

La energía hidroeléctrica proporciona casi un quinto de la electricidad de todo el mundo. China, Canadá, Brasil, Estados Unidos y Rusia fueron los cinco mayores productores de este tipo de energía en 2004. Una de las centrales hidroeléctricas de mayor tamaño del mundo se encuentra en los Tres Cañones en el río Yangtsé de China. El depósito de estas instalaciones empezó a llenarse en 2003, pero no se espera que la central esté en pleno funcionamiento hasta 2009. La presa mide 2,3 kilómetros de ancho y 185 metros de alto.

La central hidroeléctrica de mayor tamaño de los Estados Unidos se encuentra junto a la presa Grand Coulee, en el río Columbia, en la zona norte del estado de Washington. Más del 70 por ciento de la electricidad producida en este estado proviene de centrales hidroeléctricas.

La energía hidroeléctrica es la que genera electricidad de forma más barata en la actualidad. Esto se debe a que, una vez que la presa se ha construido y se ha instalado el material técnico, la fuente de energía (agua en movimiento) es gratuita. Esta fuente de energía es limpia y se renueva cada año a través del deshielo y las precipitaciones.

Además, este tipo de energía es fácilmente accesible, ya que los ingenieros pueden controlar la cantidad de agua que pasa a través de las turbinas para producir electricidad según sea necesario. Además, los depósitos pueden ofrecer oportunidades recreativas, tales como zonas de baño y de paseo en barca.

Sin embargo, la construcción de presas en los ríos puede destruir o afectar a la flora y la fauna y otros recursos naturales. Algunos peces, como el salmón, podrían encontrarse con la imposibilidad de nadar río arriba para desovar. Las últimas tecnologías, como las escaleras de peces, ayudan a los salmones a pasar por encima de las presas y a entrar en zonas de desove a contracorriente, pero la presencia de las presas hidroeléctricas cambia sus patrones migratorios y perjudica a las poblaciones de peces. Las centrales hidroeléctricas también pueden provocar la disminución de los niveles de oxígeno disuelto en el agua, lo que resulta dañino para los hábitats fluviales.

Características de una central hidroeléctrica

Casa de máquinas de la central hidroeléctrica del Guavio, Colombia

Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad, son:

• La potencia, que está en función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio de las aguas debajo de la central, y del caudal máximo turbinable, además de las características de las turbinas y de los generadores usados en la transformación.
• La energía garantizada en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que está en función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.

La potencia de una central puede variar desde unos pocos megavatios, como en el caso de las centrales minihidráulicas, hasta decenas de miles, como en los casos de la represa de Itaipú, entre Brasil y Paraguay, que tiene una potencia de 14 000 MW, o la presa de las Tres Gargantas, en China, con una potencia de 22 500 MW.

Las centrales hidroeléctricas y las centrales térmicas —que usan combustibles fósiles— producen la energía eléctrica de una manera muy similar. En ambos casos la fuente de energía es usada para impulsar una turbina que hace girar un generador eléctrico, que es el que produce la electricidad. Una central térmica usa calor para, a partir de agua, producir el vapor que acciona las paletas de la turbina, en contraste con la planta hidroeléctrica, que usa directamente la fuerza del agua para accionar la turbina.

Las centrales hidroeléctricas permiten, además, disminuir los gastos de los países en combustibles fósiles. Por ejemplo, el Proyecto Hidroeléctrico Palomino,¹​ ubicado en la República Dominicana, le ahorrará al país alrededor de 400 000 barriles de petróleo al año.

Los tipos de turbinas que hay para la transformación de energía mecánica en energía electríca son Francis, Turgo, Kaplan y Pelton.

Potencia de una central hidroeléctrica[editar]

La potencia de una central hidroeléctrica se mide generalmente en megavatios (MW) y se calcula mediante la fórmula siguiente:

${\displaystyle P_{e}=\rho \cdot 9,81\cdot \eta _{t}\cdot \eta _{g}\cdot \eta _{m}\cdot Q\cdot H}$

donde:

• P_e = potencia en kilovatios (kW)
• ρ = densidad del fluido en kg/m³
• η_t = rendimiento de la turbina hidráulica (entre 0.75 y 0.94)
• η_g = rendimiento del generador eléctrico (entre 0.92 y 0.97)
• η_m = rendimiento mecánico del acoplamiento turbina alternador (0.95/0.99)
• Q = caudal turbinable en m³/s
• H = desnivel disponible en la presa entre aguas arriba y aguas abajo, en metros

En una central hidroeléctrica se define:

• Potencia media: potencia calculada mediante la fórmula de arriba considerando el caudal medio disponible y el desnivel medio disponible.
• Potencia instalada: potencia nominal de los grupos generadores instalados en la central.

Tipos de centrales hidroeléctricas

Según su ubicación respecto a la rasante

• Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta. Están conectadas por medio de una tubería a presión.
• Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías a presión, o por la combinación de ambas.

Represa de Itaipú, Brasil y Paraguay. La segunda central hidroeléctrica por potencia instalada, después de la Presa de las Tres Gargantas, en China.²​

Según su régimen de flujo

Central Hidroeléctrica Simón Bolívar (Venezuela).

• Centrales de agua fluyente:

También denominadas «centrales de filo de agua» o «de pasada», utilizan parte del flujo de un río para generar energía eléctrica. Operan de forma continua porque no tienen capacidad para almacenar agua al no disponer de embalse. Turbinan el agua disponible en el momento limitadas por la capacidad instalada. En estos casos las turbinas pueden ser de eje vertical, cuando el río tiene una pendiente fuerte, u horizontal, cuando la pendiente del río es baja.

• Centrales de embalse:

Es el tipo más frecuente de central hidroeléctrica. Utilizan un embalse para almacenar agua e ir graduando el caudal que pasa por la turbina. Es posible generar energía durante todo el año si se dispone de reservas suficientes. Requieren una inversión mayor.

• Centrales de regulación:

Almacenan el agua que fluye por el río capaz de cubrir horas de consumo.

• Centrales de bombeo o reversibles:

Una central hidroeléctrica reversible es una central hidroeléctrica que, además de poder transformar la energía potencial del agua en electricidad, tiene la capacidad de hacerlo a la inversa, es decir, aumentar la energía potencial del agua (por ejemplo subiéndola a un embalse) consumiendo para ello energía eléctrica. De esta manera puede utilizarse como un método de almacenamiento de energía (una especie de batería gigante). Están concebidas para satisfacer la demanda energética en horas pico y almacenar energía en horas valle.

Aunque lo habitual es que esta centrales turbinen/bombeen el agua entre dos embalses a distinta altura, existe un caso particular llamado centrales de bombeo puro, en las que el embalse superior se sustituye por un gran depósito cuya única aportación de agua es la que se bombea del embalse inferior.

Según su altura de caída del agua

• Centrales de alta presión

Que corresponden con el high head, y que son las centrales de más de 200 m de desnivel, por lo que solían equiparse con turbinas Pelton.

• Centrales de media presión

Son las centrales con un desnivel de 20 a 200 m, siendo dominante el uso de turbinas Francis, aunque también se pueden usar turbinas Kaplan.

• Centrales de baja presión

Que corresponden con el low head, son centrales con desniveles de agua de menos de 20 m; habitualmente utilizan turbinas Kaplan.

• Centrales de muy baja presión

Son centrales correspondientes equipadas con nuevas tecnologías, pues a partir de un cierto desnivel, las turbinas Kaplan no son aptas para generar energía. Serían en inglés las very low head, y suelen situarse por debajo de los 4 m.

Otros tipos de centrales hidroeléctricas

• Centrales mareomotrices

Artículo principal: Energía mareomotriz

Utilizan el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en zonas costeras donde las diferencias entre las mareas son amplias y las condiciones morfológicas de la costa permiten la construcción de una presa que corta la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía.

• Centrales mareomotrices sumergidas.

Utilizan la energía de las corrientes submarinas. En 2002, en Gran Bretaña se implementó la primera de estas centrales a nivel experimental.

• Centrales que aprovechan el movimiento de las olas.

Este tipo de central es objeto de investigación desde la década de los 80. A inicios de agosto de 1995, el Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY) construyó la primera central que utiliza la energía de las olas en el norte de Escocia. La potencia de esta central era de 2 MW, pero fue destruida un mes más tarde por un temporal.

Partes de una central hidroeléctrica

• Tubería forzada y/o canal
• Presa
• Turbina hidráulica
• Generador eléctrico
• Transformador
• Líneas eléctricas
• Compuertas y válvulas hidráulicas
• Rejas y limpia rejas
• Embalse
• Casa de turbinas
• Río

Funcionamiento

Turbina hidráulica y generador eléctrico.

El tipo de funcionamiento de una central hidroeléctrica puede variar a lo largo de su vida útil. Las centrales pueden operar en régimen de:

• generación de energía de base;
• generación de energía en períodos de punta. Estas a su vez se pueden dividir en:
  • centrales tradicionales;
  • centrales reversibles o de bombeo.

La demanda de energía eléctrica de una ciudad, región, o país, tiene una variación a lo largo del día. Esta variación es función de muchos factores, entre los que se destacan:

• tipos de industrias existentes en la zona y turnos que estas realizan en su producción;
• tipo de cocina doméstica que se utiliza más frecuentemente;
• tipo de calentador de agua que se permite utilizar;
• la estación del año;
• la hora del día en que se considera la demanda.

La generación de energía eléctrica debe seguir la curva de demanda; así, a medida que aumenta la potencia demandada deberá incrementarse el caudal turbinado, o iniciar la generación con unidades adicionales en la misma central, e incluso iniciando la generación en centrales reservadas para estos períodos.

Impactos ambientales potenciales

Los potenciales impactos ambientales de los proyectos hidroeléctricos son siempre significativos. Sin embargo, existen muchos factores que influyen en la necesidad de aplicar medidas de prevención en todo.

Principalmente:

La construcción y operación de la represa y el embalse constituyen la fuente principal de impactos del proyecto hidroeléctrico.³​ Los proyectos de las represas de gran alcance pueden causar cambios ambientales irreversibles en una área geográfica muy extensa. Durante la última década han aumentado las críticas a estos proyectos. Los críticos más severos sostienen que los costos sociales, ambientales y económicos de estas represas pesan más que sus beneficios y que, por lo tanto, no se justifica la construcción de las represas grandes. Otros mencionan que, en algunos casos, los costos ambientales y sociales puede ser evitados o reducidos a un nivel aceptable si se evalúan cuidadosamente los problemas potenciales y se implantan medidas correctivas, que son costosas.

Algunas presas presentan fallos o errores de construcción como es el caso de la presa de Sabaneta,⁴​ ubicada en la provincia de San Juan, República Dominicana. Esta presa ha presentado grandes inconvenientes en las temporadas de huracanes pasadas, producto de su poca capacidad de desagüe y también a que su dos vertederos comienzan a operar después que el embalse está lleno.

El área de influencia de una represa se extiende desde los límites superiores del embalse hasta los estuarios, las zonas costeras y costa afuera, e incluyen el embalse, la represa y la cuenca del río aguas abajo. Hay impactos ambientales directos asociados con la construcción de la represa (por ejemplo, el polvo, la erosión, problemas con el material de préstamo y con los desechos), pero los impactos más importantes son la inundación de la cuenca para formar el embalse, y la alteración del caudal de agua aguas abajo. Estos efectos ejercen impactos directos en los suelos, la vegetación, la fauna, la pesca, el clima y la población humana del área.

Los efectos indirectos de la represa incluyen los que se asocian con la construcción, el mantenimiento y el funcionamiento de la represa (por ejemplo, los caminos de acceso, los campamentos de construcción o las líneas de transmisión de energía) y el desarrollo de las actividades agrícolas, industriales o municipales que posibilita la represa.

Además de los efectos directos e indirectos de la construcción de la represa sobre el medio ambiente, se deberán considerar los efectos del medio ambiente sobre la represa. Los principales factores ambientales que afectan el funcionamiento y la vida de la represa son aquellos que se relacionan con el uso de la tierra, el agua y los otros recursos en las áreas de captación aguas arriba del reservorio (por ejemplo, la agricultura, la colonización o la deforestación) que pueden causar una mayor acumulación de limos, y cambios en la cantidad y calidad del agua del reservorio y del río.

Manejo de la cuenca hidrográfica

Es un fenómeno común ver el aumento en la presión sobre las áreas altas encima de la represa, como resultado del reasentamiento de la gente de las áreas inundadas y la afluencia incontrolada de los recién llegados al área. Se degrada el medio ambiente del sitio, la calidad del agua se deteriora, y las tasas de sedimentación del reservorio aumentan, a raíz de la deforestación para la agricultura, la presión sobre los pastos, el uso de químicos agrícolas, y la tala de los árboles para la obtención de madera o leña. Asimismo, el uso del terreno de la cuenca alta afecta la calidad y cantidad del agua que ingresa al río. Por eso, es esencial que los proyectos de las represas sean planificados y manejados considerando el contexto global de la cuenca del río y los planes regionales de desarrollo, incluyendo tanto las áreas superiores de captación, aguas arriba de la represa y la planicie de inundación, como las áreas de la cuenca hidrográfica, aguas abajo.

Otros impactos ambientales

Los proyectos hidroeléctricos implican necesariamente la construcción de líneas de transmisión para transportar la energía a los centros de consumo.

experimentos caseros de la electricidad

Los experimentos caseros siempre me han parecido geniales. Funcionan a muchos niveles y son tan pedagógicos como divertidos. En buena medida, quizás se deba a que tenga un hermano pequeño que se la pasa haciendo toda clase de preguntas, algo que quizás a ti también te pase o de hecho, quizás tu mismo tienes esas preguntas.

Por eso es que ya en varias oportunidades hemos visto toda clase de experimentos fáciles para hacer en casa, ideales para entender mejor algún aspecto de las ciencias, para llevar a la escuela o bien simplemente para divertirse.

La electricidad de red, osea, la electricidad de las redes eléctricas, es peligrosa y puede lastimarnos seriamente, así que obviamente, utilizaremos electricidad estática y electricidad de corriente continua. De esta manera nos aseguramos que no haya ningún riesgo

Recuerda que nunca se debe experimentar con la electricidad de corriente alternapues, puede ser muy peligroso y las consecuencias seguramente serán terribles, por lo que es sumamente importante que siempre tengas esto en cuenta. La electricidad de la red eléctrica se utiliza solamente para alimentar artefactos eléctricos, electrodomésticos y máquinas que estén hechos para ese fin y nada más que eso.

Experimento de conductividad eléctrica en distintos materiales:

Con esta simple y básica experiencia probaremos distintos materiales para conocer cuáles son conductores de energía eléctrica y cuáles no.

Materiales:

• Una pila o una batería de 12 voltios
• Un foco de luz pequeño o una lamparilla (por ejemplo como los que se usan en las linternas)
• 1 Cable de aproximadamente 40 cm de largo,
• Cinta aislante o adhesiva
• Distintos materiales para experimentar (por ejemplo un trozo de vidrio, metal, madera, porcelana, plástico, etc.)
• Muy simple, pero de todas maneras recuerda que siempre que estés experimentando debes estar en compañía de un adulto o alguien responsable que supervise la experiencia. Primero cortar el cable en dos fragmentos de unos 20 centímetros de largo cada uno y adherirlos con la cinta a los polos de la pila, por un extremo y al foco de luz por otro. Verás que se enciende la luz y con esto, podrás comprobar que todo está bien para comenzar a experimentar. Luego, cortar uno de los cables a la mitad y colocar ambas puntas en contacto con alguno de los materiales (como el vidrio, la madera o el metal) sin que se toquen las puntas.

¿Qué sucede?

• Podrá observarse que la luz se enciende con materiales conductores mientras que, con aquellos que no son conductores la lamparilla no va a encenderse. Ello ocurre porque la electricidad no llega a alimentar el foco de luz, llega al material que no la conduce y allí detiene su circuito. Cuando la luz si aparece, quiere decir que el material que intercepta el cable si es conductor y por ende, conduce la energía permitiendo continuar con el circuito eléctrico.

Batería Eléctrica con un Limón (patata, manzana, etc.)

 Una batería se compone de dos metales o electrodos (cátodo y ánodo) y un electrolito. Un electrolito es un líquido conductor; es aquí donde el jugo del limón, la patata o de una manzana ejerce su función. Si quieres saber más sobre como funciona una batería visita el siguiente enlace: Bateria y Acumuladores.

 Para este experimento usaremos un limón, una moneda (son de cobre) y un tornillo o clavo galvanizado (está recubierto de zinc).

 La moneda será el ánodo, el tornillo será el cátodo, es decir serán los terminales de la batería, y el limón será el electrolito (líquido conductor).

 Insertaremos a un lado del limón el clavo o tornillo y al otro lado la moneda, estando siempre en contacto los dos metales con el jugo del limón. Esta será nuestra batería.





 Ya sabemos que la electricidad es simplemente un movimiento de electrones de un sitio a otro. Si conseguimos mover electrones por un circuito habremos generado electricidad. 

 La patata, la manzano o el limón no generan electricidad por si solos, pero los tres contienen ácido ascórbico. Este ácido o jugo del limón es el que va hacer de electrolito (conductor) de nuestra pila.

 Gracias al ácido ascórbico del limón (jugo) se oxidan los dos metales en contacto con él y se liberan electrones en el ánodo (tornillo = zinc) y actuará de polo negativo de la batería. Estos electrones liberados tenderán a moverse hacia el cátodo (moneda = cobre) actuando de polo positivo y produciéndose una corriente eléctrica por el interior del limón.

 Es decir por dentro del limón se mueven electrones, del tornillo a la moneda. Si ahora estos electrones que se mueven por dentro del limón los sacamos fuera por medio de un circuito con dos cables o conductores conectados a una bombilla (mejor un led que necesita menos corriente), los electrones saldrán hacia el Led atravesándolo y por lo tanto se enciende.



 Como esta batería creada con un solo limón es, muy pequeña, podemos aumentar la cantidad de electrones generada haciendo lo mismo con varios limones y conectándolos en serie. Así conseguiremos una batería con más potencia y duración.


hazclic http://www.nationalgeographic.es/medio-ambiente/energia-hidroelectrica