Generación, transporte y distribución de energía eléctrica

Dentro del sistema de suministro eléctrico se pueden diferenciar tres actividades:

• la generación, que produce la energía necesaria para satisfacer el consumo;
• el transporte, que permite transferir la energía producida hasta los centros de consumo;
• la distribución, que hace posible que la energía llegue a los clientes finales.

La energía eléctrica no se puede almacenar, por lo que debe existir un equilibrio constante entre la producción y el consumo. El transporte de electricidad se realiza a través de líneas de transporte a tensiones elevadas que, conjuntamente con las subestaciones, forman la red de transporte. La red de distribución está formada por el conjunto de cables subterráneos y los centros de transformación que permiten hacer llegar la energía hasta el cliente final. La red de distribución es la parte del sistema de suministro eléctrico responsable de las compañías distribuidoras de electricidad hasta los consumidores finales.

La red eléctrica:

La red eléctrica une todos los centros generadores de energía eléctrica con los puntos de consumo, de este modo se consigue un equilibrio entre la cantidad de energía consumida y la producida por las centrales eléctricas. La red de transporte de energía eléctrica está formada por los elementos que llevan la electricidad desde los centros de generación hasta puntos cercanos donde se consume. Para poder transportar la electricidad con las menores pérdidas de energía posibles se tiene que elevar su nivel de tensión. Las líneas de transporte o líneas de alta tensión están constituidas por un elemento conductor (cobre o aluminio) y por los elementos de soporte (torres de alta tensión). Estas conducen la corriente eléctrica, una vez reducida su tensión hasta la red de distribución.

Etapas:

1. Las centrales eléctricas producen una corriente con una tensión de 10-20 kilovoltios (kV).
2. Al salir de las centrales eléctricas se eleva la tensión de la corriente hasta 110-480 kV (alta tensión) para minimizar las pérdidas de energía durante el transporte.
3. Después, en estaciones transformadoras, se varía de nuevo el voltaje de la corriente hasta 220 ó 380 V, un valor aprovechable en nuestras viviendas, oficinas, industrias, ...

La diferencia de potencial suministrada por la red eléctrica en España es de 230 V ± 10%. Pero a menudo utilizamos aparatos eléctricos que funcionan con un voltaje mucho menor como, por ejemplo, las lámparas halógenas o algunos aparatos electrónicos. En este caso necesitamos transformar la tensión utilizando unos elementos llamados transformadores. Una clavija del transformador se conecta al aparato y la otra se enchufa a la red. Algunos transformadores, como el de la foto, disponen de varias clavijas para adaptarlos a aparatos diferentes, e incluso permiten seleccionar el voltaje de salida.

Transformador

Basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética, un transformador es un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal (esto es, sin pérdidas), es igual a la que se obtiene a la salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de su diseño y tamaño, entre otros factores.

Está constituido por dos o más bobinas de material conductor, devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las bobinas o devanados se denominan primario y secundario según correspondan a la entrada o salida del sistema en cuestión, respectivamente. 

Transformador:

Alternador. Generación de corriente alterna.

Un alternador es una máquina eléctrica, capaz de transformar energía mecánica en energía eléctrica, generando una corriente alterna mediante inducción electromagnética. El principio de funcionamiento de los alternadores están basados en la Ley de Faraday. En España se utilizan alternadores con una frecuencia de 50 Hz, es decir, que cambia su polaridad 50 veces por segundo.

El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme.

El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica... En el primer caso, una parte de la energía potencial agua embalsada se transforma en energía eléctrica; en el segundo caso, una parte de la energía química se transforma en energía eléctrica al quemar carbón u otro combustible fósil, ...

Cuando la espira gira, el flujo del campo magnético a través de la espira cambia con el tiempo. según la Ley de Faraday se produce una fem.

Las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una espira: 

Flujo magnético:       F_m = B·A·cos q

• Cuando el campo cambia con el tiempo B(t).
• Cuando el área de la espira cambia con el tiempo A(t).
• Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie A cambia con el tiempo q(t). 

Ley de Faraday

La Ley de inducción electromagnética de Faraday (o simplemente Ley de Faraday) se basa en los experimentos que Michael Faraday realizó en 1831 y establece que el voltaje inducido en un circuito cerrado es directamente proporcional a la rapidez con que cambia en el tiempo el flujo magnético que atraviesa una superficie cualquiera con el circuito como borde.

 Ejemplo:

Ley de Lenz

La Ley de Lenz plantea que las tensiones inducidas serán de un sentido tal que se opongan a la variación del flujo magnético que las produjo; no obstante esta ley es una consecuencia del principio de conservación de la energía.

Ley de Lenz: "El sentido de las corrientes o fuerza electromotriz inducida es tal que se opone siempre a la causa que la produce, o sea, a la variación del flujo".

Gracias a la ya nombrada Ley de Lenz, se completo la Ley de Faraday por lo que es habitual llamarla también Ley de Faraday-Lenz para hacer honor a sus esfuerzos en el problema, los físicos rusos siempre usan el nombre "Ley de Faraday-Lenz".

Ley de Lenz:

Ejemplos:

Flujo magnético

El flujo magnético Φ (representado por la letra griega fi Φ), es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. 
La unidad de flujo magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb (motivo por el cual se conocen como weberímetros los aparatos empleados para medir el flujo magnético).
En el sistema cegesimal se utiliza el maxwell (1 weber =108 maxwells).


El flujo magnético representa el numero de lineas de fuerza que atraviesan una superficie.

  Flujo magnético:     F_m = B·S·cos q

Las tres formas que hay de variar con el tiempo el flujo de un campo magnético a través de una superficie: 

• Cuando el campo cambia con el tiempo B(t).
• Cuando el área de la espira cambia con el tiempo A(t).
• Cuando el ángulo entre el vector campo B y el vector superficie A cambia con el tiempo q(t). 

Fuerza electromotriz del movimiento

Es la fem que aparece cuando un conductor se desplaza en el interior de un campo magnético. La fem de movimiento puede explicarse y calcularse a partir de las fuerzas que el campo magnético ejerce sobre las cargas en movimiento del conductor. Puede ser explicada sin necesidad de la Ley de Faraday. Para estos casos la Ley de Faraday simplemente proporciona una visión alternativa (en términos de cambio de flujo). Sin embargo, en situaciones donde el campo magnético varía en el tiempo las corrientes inducidas solamente pueden explicarse y calcularse con la Ley de Faraday.

Experimento de Joseph Henry
que permite dar una interpretación microscópica del fenómeno:

Inducción electromagnética

La inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos variables con el tiempo.

La inducción electromagnética es el fenómeno que origina la producción de una fuerza electromotriz (f.e.m. o voltaje) en un medio o cuerpo expuesto a un campo magnético variable, o bien en un medio móvil respecto a un campo magnético estático. Es así que, cuando dicho cuerpo es un conductor, se produce una corriente inducida.

Una vez que Hans Christian Oersted puso de manifiesto que una corriente podía producir un campo magnético, muchos físicos empezaron a plantearse si ocurriría lo contrario: que un campo magnético fuese capaz de crear una corriente. Vamos a describir los experimentos que llevaron a cabo Michael Faraday en Inglaterra y Joseph Henry en E.U. y que ponen de manifiesto el fenómeno de la inducción.

Experimento de Faraday

En uno de sus experimentos, en 1831, Faraday enrolló un cable conectado a una pila alrededor de un anillo de hierro y enrolló un segundo cable en el otro lado del anillo, un cable sin pila. La idea era simple: si una corriente eléctrica generaba un campo magnético, tal vez un campo magnético generaría una corriente eléctrica.

De modo que Faraday puso un detector en el segundo cable, el que no tenía pila alguna, y encendió el primer circuito conectado a la pila. Sin embargo, no sucedió lo que podría parecer evidente: cuando la pila estaba encendida y por tanto había un campo magnético, el segundo cable no mostraba corriente alguna. La situación era exactamente igual con la pila encendida que con la pila apagada. Pero, ¡ah!, algo inesperado sí sucedía: justo en el momento de encender el primer circuito o apagarlo, aparecía una corriente eléctrica en el segundo circuito.

Lo extraño era que no era la existencia de un campo magnético lo que inducía una corriente en el circuito sin pila: era la variación del campo magnético la que generaba corriente. Además, y esto era también curioso, cuando se encendía el circuito, la corriente en el segundo circuito iba en un sentido, pero al apagarlo, la corriente iba en sentido contrario. En ambos casos se detectaba corriente durante un tiempo muy corto: el que duraba la transición apagado-encendido y viceversa. Eran los cambios, y no la mera existencia de campo magnético, los que causaban la aparición de corriente.

Faraday enunció un principio que hablaba exclusivamente de cables y circuitos, y el ruso Heinrich Lenz lo refinó añadiendo el sentido de la corriente. Paradójicamente, ese fenómeno curioso pero aparentemente inútil del que ni siquiera el propio Faraday fue capaz de predecir su importancia, hoy en día domina nuestra vida cotidiana. Se encuentra allí donde dirijamos la mirada, pues es la base de nuestra tecnología, nuestro desarrollo y, en consecuencia, nuestra civilización: generadores eléctricos (ya sean de centrales térmicas, atómicas, hidráulicas, eólicas), motores eléctricos, transformadores (que se encuentran en todos los aparatos eléctricos y electrónicos del hogar), osciladores, baterías, hornos de inducción, ........................

Las leyes de Faraday-Henry y la ley de Lenz pueden sintetizarse en una:

Materiales magnéticos

El comportamiento de los materiales en presencia de un campo magnético sólo puede explicarse a partir de la mecánica cuántica, ya que se basa en una propiedad del electrón conocida como espín. Depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica. Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán. Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados. Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina. 

Se clasifican fundamentalmente en los siguientes grupos:

• Ferromagnéticos: Alineación masiva de los dipolos magnéticos electrónico con el campo externo. El efecto permanece una vez eliminado el campo externo aplicado (imanes permanentes). Constituyen los imanes por excelencia, son materiales que pueden ser magnetizados permanentemente por la aplicación de campo magnético externo. Por encima de una cierta temperatura (temperatura de Curie) se convierten en paramagnéticos. Como ejemplos más importantes podemos citar el hierro, el níquel, el cobalto y aleaciones de éstos.
• Paramagnéticos: Alineación parcial de los dipolos magnéticos con el campo magnético externo. Cada átomo que los constituye actúa como un pequeño imán pero se encuentran orientados al azar de modo que el efecto magnético se cancela. Cuando se someten a la aplicación de un B adquieren una imanación paralela a él que desaparece al ser retirado el campo externo. Dentro de esta categoría se encuentran el aluminio, el magnesio, titanio, el wolframio o el aire.
• Diamagnéticos: Momentos magnéticos orbitales inducidos se alinean en sentido opuesto al campo externo aplicado. En estos materiales la disposición de los electrones de cada átomo es tal que se produce una anulación global de los efectos magnéticos. Bajo la acción de un campo magnético externo la sustancia adquiere una imanación débil y en el sentido opuesto al campo aplicado. Son diamagnéticos por ejemplo el bismuto, la plata, el plomo o el agua.

Permeabilidad magnética:

La permeabilidad magnética es la capacidad de una sustancia o medio para atraer y hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior de dicho material.

m = B/H

mo :permeabilidad magnética del vacío

Km = mr :permeabilidad relativa (con respecto al vacío)

Ley de Ampere

André-Marie Ampére nació en Lyon, Francia el 20 de enero de 1775. Fue considerado como uno de los descubridores del electromagnetismo. Es conocido por sus importantes aportes al estudio de la corriente eléctrica y el magnetismo, que contribuyeron, junto con los trabajos del danés Hans Chistian Oesterd, al desarrollo del electromagnetismo. Ampére descubrió las leyes que hacen posible el desvío de una aguja magnética por una corriente eléctrica, lo que hizo posible el funcionamiento de los actuales aparatos de medida. Descubrió las acciones mutuas entre corrientes eléctricas, al demostrar que dos conductores paralelos por los que circula una corriente en el mismo sentido, se atraen, mientras que si los sentidos de la corriente son opuestos, se repelen. La unidad de intensidad de corriente eléctrica, el amperio, recibe este nombre en su honor. 

Ley de Ampére

La ley de Ampére tiene una analogía con el teorema de Gauss aplicado al campo eléctrico. De la misma forma que el teorema de Gauss es útil para el cálculo del campo eléctrico creado por determinadas distribuciones de carga, la ley de Ampére también es útil para el cálculo de campos magnéticos creados por determinadas distribuciones de corriente.

La ley de Ampére dice: 

"La circulación de un campo magnético a lo largo de una línea cerrada es igual al producto de m₀ por la intensidad neta que atraviesa el área limitada por la trayectoria".

Ley de Ampére aplicada a una corriente rectilínea

Para calcular el valor del campo B en un punto P a una distancia R de un conductor, escogeremos una línea cerrada que pase por P, dicha línea ha de ser tal que el cálculo de la circulación sea sencillo. En este caso se ha escogido una circunferencia de radio R con centro en el conductor, por lo cual todos los puntos del contorno están a la misma distancia que el punto P del conductor, y el valor de B toma el mismo valor en dicho contorno coincidiendo su dirección con el de dl.
Una vez escogida la línea calculamos la circulación del campo a lo largo de la línea escogida y aplicamos la ley de Ampére. Obteniendo, la ecuación que nos da el campo magnético creado por un conductor rectilíneo:

Ley de Ampére aplicada a un solenoide

En un solenoide también se puede calcular el valor de B en un punto interior aplicando la ley de Ampére. Para ello se siguen los mismos pasos que en el caso anterior.

Si suponemos que el solenoide es muy largo comparado con el radio de sus espiras, el campo es aproximadamente uniforme y paralelo al eje en el interior del solenoide y es nulo fuera del solenoide.

A la derecha se representa un corte de un pedazo del solenoide. Los puntos representan las corrientes que se dirigen hacia nosotros y las aspas las que se dirigen hacia el interior de la hoja, de modo que cada espira, recorrida por la corriente de intensidad, I, da una media vuelta saliendo por un punto y volviendo a entrar por el aspa correspondiente.

Para aplicar la ley de Ampere tomamos un camino cerrado ABCD que es atravesado por varias espiras. Como el campo magnético, B, es constante en el segmento BC y nulo en los otros cuatro segmentos, se obtiene:

NBC/LBC es el número de espiras por unidad de longitud considerada y, por tanto, coincide con N/L (siendo N el número de espiras de todo el solenoide y L su longitud total). Por tanto, bajo las condiciones establecidas, el campo, B, en cualquier punto interior del solenoide es:

Ley de Ampére aplicada a un toroide

Elegimos como camino cerrado una circunferencia de radio r , cuyo centro está en el eje del toroide, y situada en su plano meridiano. De esta forma el campo magnético B es tangente a la circunferencia de radio r y tiene el mismo módulo en todos los puntos de dicha circunferencia.

Aplicaremos la ley de Ampére y calcularemos la intensidad para los siguientes valores de r:

• Fuera del núcleo con r < ra

Como se puede observar en este caso la intensidad que atraviesa la circunferencia de radio r es cero por lo tanto aplicando Ampere:

• En el interior del núcleo ra < r < rb

Cada espira del toroide atraviesa una vez el camino cerrado (la circunferencia de color rojo de la figura siguiente) la intensidad será N·I, siendo N el número de espiras e I la intensidad que circula por cada espira, con lo cual:

• Fuera del núcleo con r > rb

Cada espira del toroide atraviesa dos veces el camino cerrado (circunferencia roja de la figura) transportando intensidades de sentidos opuestos.

La intensidad neta es N·I - N·I = 0, y B = 0 en todos los puntos del camino cerrado.

De los cálculos anteriores se deduce que el campo magnético generado por un toroide queda confinado en el interior del mismo.

Fuerza entre dos corrientes paralelas

La atracción o repulsión de corrientes paralelas o antiparalelas fue descubierta experimentalmente por Ampére. 

Definición de Amperio:

Un Amperio es la intensidad de corriente eléctrica constante que, mantenida entre dos conductores paralelos, rectilíneos, de longitud infinita, de sección circular despreciable y colocados en el vacío a una distancia de un metro el uno del otro, produce entre estos conductores una fuerza atractiva (repulsiva) igual a 2 10^-7 N/m (newton por cada metro de longitud).

Solenoide

  

El estudio de la espira, asimilándola a un imán, sugiere dar un paso más en el diseño del dispositivo de corriente se asemeje a un imán natural de geometría rectangular. Dicho paso consiste en multiplicar el número de espiras arrollando el conductor una y otra vez. El resultado se denomina solenoide o bobina.

Las líneas del campo magnético que produce una sola espira se curvarían alrededor de ella, pero al colocar sucesivamente más espiras esas líneas no se pueden curvar para salir y volver a entrar en la bobina, hasta que llegamos al extremo del arrollamiento. En consecuencia, en el interior del solenoide las contribuciones al campo magnético de cada una de las espiras se refuerzan y proporcionan un campo magnético de líneas prácticamente paralelas entre sí (y paralelas también a la línea que marcan las espiras).

Tal como enseñan los dibujos adjuntos, la consecuencia de ello es que el solenoide o electroimán genera un campo magnético, con geometría muy similar a la de un imán natural rectangular. 

Comparación entre el campo creado por un imán y por un solenoide

Por otra parte, como el campo magnético depende del medio, con objeto de aumentar aún más su intensidad se puede incluir en el interior del solenoide un pedazo de hierro dulce. La permeabilidad magnética de este material es muy elevada (m ₌ m_r m₀ ) y así se consigue un electroimán, de inducción controlable (modificando la intensidad de la corriente) e intensa, cuyas líneas de fuerza son semejantes a las creadas por un imán natural y rectangular.

Para bastantes aplicaciones es más interesante utilizar el campo magnético creado en el interior del solenoide. Si la bobina es rectilínea, en puntos suficientemente alejados de los extremos dicho campo es prácticamente uniforme, y su valor es proporcional a la intensidad de la corriente que circula por las espiras, i, a la permeabilidad magnética del medio, m, y a la densidad lineal de espiras (es decir, al número de espiras, N, por unidad de longitud, L):

n = N/L

Los ejemplos expuestos, muestran que, con diseños de corrientes eléctricas adecuados, se pueden producir campos magnéticos de geometría e intensidad controlables. 

Bobina Toroidal (Toroide circular)

Una bobina toroidal consiste en un hilo conductor por el que circula una corriente I arrollado en forma de N espiras sobre un soporte toroidal.