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TEMA 3 GENERACIÓN ELÉCTRICA GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Actividad Inicial Interactiva Actividad de inicio: simulación virtual de una bobina y un generador. Ingresar a: http://phet.colorado.edu/en/simulation/generator GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Actividad Inicial Interactiva 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Actividad Inicial Interactiva 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido ¿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 GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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 ) GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido ¿Qué ventajas tiene una central hidroeléctrica? • • • • • 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? • • • • • 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, GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido ¿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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido • 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. GENERACIÓN ELÉCTRICA Desarrollo Formal del Contenido 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.