Principios básicos para comprender las formas de obtener energía

En el último artículo sobre electrónica os explicamos ya los principios básicos de la electricidad y sus unidades básicas de voltaje y amperaje. Ahora tras un pequeño receso dominado por la programación volvemos a la carga con los siguientes conceptos que os ayudarán a ir entendiendo como se obtiene la energía eléctrica, además de profundizar en cómo medir y analizar su consumo.

Tipos de energía y caminos para su obtención

Para producir electricidad y alimentar a uno de nuestros aparatos eléctricos para que funcionen y cumpla su misión lo primero de todo es obtener energía eléctrica, para ello se debe utilizar alguna forma de energía que ponga en movimiento a los electrones. Pues bien, en un principio se pueden emplear seis formas de energía para nuestros objetivos:

FRICCIÓN

Comencemos por el más básico, este se produce sencillamente al frotar 2 materiales. Debido a la mera fricción mecánica, uno de los objetos gana electrones y el otro los pierde, al pasar de uno al otro.

En este esquema de producción eléctrica, el sistema completo no gana ni pierde electrones.

Si los objetos que se friccionan son muy conductores, por ejemplo dos metales con buenas características para conducir la electricidad, esas cargas se neutralizan rápidamente.

Si por el contrario son poco conductores, ambos objetos quedan con carga eléctrica ya que los materiales tienen dificultad para “reenviar” a algún lado esos electrones y volver a un “equilibrio”.

PRESIÓN (piezoelectricidad)

Se produce al someter a presión mecánica cristales llamados piezoeléctricos.

El uso más común de estos cristales es por ejemplo el de los encendedores electrónicos, que al recibir un golpe, generan una corriente eléctrica de alto voltaje creando la chispa para el encendido. Este fenómeno también se puede presentar al revés, es decir, estos cristales se deforman bajo la acción de fuerzas internas al ser sometidos a un campo eléctrico.

Tizzef

El efecto piezoeléctrico es normalmente reversible, así que al dejar de someter los cristales a un voltaje exterior o campo eléctrico, recuperan su forma previa a la descarga eléctrica sufrida.

Gracias a esta propiedad, tienen otros usos en electrónica y electricidad como los sensores de vibración y transductores que ya os explicaremos detalladamente más adelante.

Los cristales piezoeléctricos de uso más común en electrónica son el cuarzo y el rubidio.

CALOR (Termoelectricidad)

Se produce al calentar una unión de 2 metales disímiles, es decir cuando dos metales diferentes o aleaciones, por ejemplo, Cobre (Cu) y Aluminio(Al) se unen entre sí.

Una aplicación muy común, que está presente en vuestras vidas y que probablemente nunca hayáis reparado en ella, son las termocuplas que se emplean como medidas de seguridad, por ejemplo en estufas y sistemas de calefacción.

L. M. Benítez

Cuando estas uniones de metales disímiles reciben calor provocan electricidad, y cuando dejan de estar expuestos al calor, hacen cerrar el circuito al no emitir una emisión eléctrica detectable, lo que permite evitar las peligrosas fugas de gas si no hay llama que consuma tal gas.

LUZ (Fotoelectricidad)

Se produce por la incidencia de luz en sustancias fotosensibles (sensibles a la luz).

Esto es realmente una simplificación pues hace referencia realmente a algunos tipos de radiación electromagnética particularmente la luz visible, la radiación ultravioleta y los rayos X.

Cuando esta radiación choca con ciertas sustancias (sobre todo metales, como por ejemplo el cinc, que es un ejemplo muy común), la superficie de estas sustancias emite electrones; este fenómeno recibe el nombre de efecto fotoeléctrico.

Esos electrones emitidos por esa sustancia al recibir la radiación, por ejemplo del sol, se pueden recoger mediante una pieza de metal sometida a un potencial eléctrico más alto que el de la sustancia emisora.

Si conectamos estos dos elementos establecemos un circuito y se produce por tanto en el mismo una corriente eléctrica, llamada corriente fotoeléctrica, aunque no es diferente de una corriente ordinaria, exceptuando el método de obtención.

Aunque las interacciones que constituyen el efecto fotoeléctrico son complejas, se resumen en dos simplemente, la emisión de electrones se produce como resultado directo de la colisión entre un fotón de radiación electromagnética y un electrón en la superficie de la sustancia.

Este efecto fotoeléctrico se aplica a fines prácticos en las células fotoeléctricas, que detectan la presencia de luz o miden su intensidad en aparatos del tipo de los exposímetros fotográficos. Aunque sin duda la aplicación más útil y que más nos interesa para esta explicación, es para la construcción de paneles solares, una manera limpia, barata y sencilla de obtener energía eléctrica.

ACCIÓN QUÍMICA

Se produce por una reacción química que facilita el desplazamiento de los electrones de una zona a otra de un conjunto cerrado, propiciando un diferencial de potencial que al establecer un circuito propiciará una corriente eléctrica, o sea:

Un dispositivo (conjunto cerrado) que convierta la energía química en eléctrica, es básicamente una pila.

Todas las pilas consisten básicamente en un electrolito (que puede ser un líquido, material sólido o pasta), un electrodo positivo y un electrodo negativo.

El electrolito es un conductor iónico: uno de los electrodos produce electrones y el otro electrodo los recibe, el principio es sencillo.

Al conectar estos dos electrodos al circuito que hay que alimentar, se produce una corriente eléctrica.

Cuando estas pilas en las que el producto químico no puede volver a su forma original una vez que la energía química se ha transformado en energía eléctrica, o sea, cuando las pilas ya se han descargado, se les llama pilas primarias o voltaicas.

Mientras que llamamos pilas secundarias o acumuladores a aquellas pilas reversibles donde las sustancias químicas que al reaccionar en los electrodos producen energía eléctrica, se pueden reconstituir pasando una corriente eléctrica en sentido opuesto a la operación normal de la pila.

Entre los extremos de los metales, en el exterior de la pila, fuera de la zona aislada del electrolito, se genera una diferencia de potencial o voltaje, que puede dar lugar a una corriente eléctrica.

Descripción de una pila seca convencional

Por ejemplo en una pila seca normal, de las que habremos empleado en innumerables ocasiones, el zinc adquiere carga negativa, mientras que el cobre adquiere cargas positivas.

Ejemplo de un esquema básico para obtener electricidad por acción química, en este caso una pila galvánica, empleando como electrólito Sulfato de Cobre y Sulfato de Zinc separados entre sí por una lámina porosa para facilitar el flujo eléctrico, como electrodos emplea Cinc para el ánodo y Cobre para el cátodo. José Larrucea

Al zinc se le llama cátodo y al cobre le damos el nombre de ánodo. Básicamente, por un lado, el zinc adquiere un exceso de electrones, mientras que por el otro, el ácido con el cobre da lugar a cargas eléctricas positivas. Al unir el cobre con el zinc por medio de un alambre conductor, los electrones del zinc se mueven a través del alambre, atraídos por las cargas del cobre y al llegar a ellas se les unen formando hidrógeno.

Aunque hemos descrito un procedimiento común en la industria, para estos fenómenos y reacciones químicas en las pilas primarias pueden emplearse casi todos los metales, ácidos y sales. A día de hoy existen muchos tipos de pilas primarias que se usan en laboratorios y con fines especiales, pero las que habremos utilizado todos y que se utilizan con mayor frecuencia son las pilas secas.

Existen pilas secas de distintos tamaños, formas y pesos, desde la pila de la linterna tipo lápiz, incluso del tamaño de un botón para un reloj o hasta las pilas más grande de las linternas de emergencia o aparatos dotados con motores como pueda ser un coche teledirigido.

Aunque cualquiera que sea su tamaño, siempre encontraremos que el material empleado y el funcionamiento de toda pila son los mismos.

Si miramos en el interior de una pila seca, encontraremos que consiste en un recipiente de cinc que hace las veces de placa negativa, una varilla de carbón suspendida en el centro del recipiente como placa positiva, y una solución de cloruro de amonio en pasta como electrolito. En el fondo del recipiente de cinc vería un círculo de carbón alquitranado para impedir que la varilla de cinc toque el recipiente. En la parte superior el recipiente puede contener diferentes capas de serrín, arena o resina para mantener a la varilla de carbón en su lugar e impedir la filtración del electrolito.

Cuando conectamos la pila seca a un circuito suministra electricidad, así que el recipiente de cinc y el electrolito se van gastando gradualmente, hasta que una vez desaparecidos el cinc útil y el electrolito, la pila ya no puede dar más carga y queda vacía o descargada.

Se supone que estas pilas son herméticas y se pueden almacenar por cierto tiempo sin que se deterioren (dependiendo de la calidad de construcción, lógicamente una pila de calidad bien construida y correctamente aislada se podrá almacenar durante más tiempo en espera de su uso).

Cuando se conectan varias de estas pilas, se les llama batería seca. Pudiendo conectarse tanto en serie como en paralelo, lo que permite en serie elevar su voltaje o conectadas en paralelo aumentar la carga total sin elevar dicho voltaje.

Ahora bien, como no se puede utilizar pilas secas para suministrar grandes cantidades de corriente, se emplean únicamente donde se les da un uso infrecuente, bajo o de emergencia. De lo contrario ya tendremos que recurrir a las pilas secundarias o acumuladores, siendo su mayor exponente a día de hoy los acumuladores de iones de Litio.

MAGNETISMO

Y por fin llegamos al fenómeno responsable en gran medida de la mayor parte de la energía eléctrica que producimos.

Pues bien, el magnetismo se produce en un conductor (o sea un material que facilita el paso de los electrones) cuando éste se mueve a través de un campo magnético.

Espectro magnético. Distribución de la limadura de hierro en un imán. A.Guillemin- Fondo Antiguo de la Biblioteca de la Universidad de Sevilla

O bien al revés, cuando un campo magnético se mueve a través del conductor, de tal manera que el conductor corte las líneas de campo magnético.

Debido a las propiedades del magnetismo es el método más común para producir la electricidad que se utiliza como corriente eléctrica. Esto es debido a que la fuente de la electricidad (o sea la energía) tiene que ser capaz de mantener una carga grande para asegurar el fluido continuo y poder alimentar todos los equipos, luces o máquinas de nuestra vida y uso cotidiano.

Si bien el frotamiento, la presión, el calor y la luz son fuentes de electricidad, su uso se limita a aplicaciones menores (esperemos que la luz como fuente de electricidad mejore sus expectativas, poco a poco).

Principalmente, casi toda la corriente eléctrica que se utiliza, excepto para equipos de emergencia o dispositivos portátiles, por lo general tiene su origen en una dínamo o alternador instalado en una planta eléctrica o un generador de cualquier tipo.

Es decir, no nos confundamos, no importa como sea accionada, sea por una turbina de vapor, fuerza hidráulica, una reacción nuclear o un motor de combustión interna. La corriente eléctrica que produce es el resultado de la acción de los alambres conductores y los imanes que están dentro de las dinamos o alternadores que hay en las instalaciones o equipos destinados a la generación de electricidad.

¿Cómo se produce esa electricidad? Comprendiendo el magnetismo

Como hemos comentado al principio, cuando los alambres de un material conductor se desplazan junto a un imán o el imán se desplaza junto a estos alambres, se produce electricidad en éstos debido al magnetismo existente en el material magnético, así que vamos a entender un poco mejor el magnetismo, pues puede que os resulte en un principio un concepto un tanto abstracto y extraño pero que realmente es sencillo si lo explicamos con claridad y es fundamental para explicar una infinidad de fenómenos y aplicaciones tanto en electricidad como en electrónica.

La historia de nuestra relación con el magnetismo se remonta a los tiempos de los antiguos griegos, que descubrieron cierta clase de piedra, cerca de la ciudad de Magnesia, en Asia Menor, que tenía la propiedad de atraer las piezas de hierro.

Esta piedra que descubrieron era en realidad un tipo de material llamado magnetita, a cuyas propiedades de atracción se les denominó “magnetismo”. Y a las rocas que contienen esta capacidad de atracción se les denomina imanes naturales.

Lo cierto es que los imanes naturales tuvieron poco uso hasta que se descubrió que, si se los dejaba girar libremente, uno de sus polos se orientaba siempre hacia el Norte. Paro lograrlo, los chinos por ejemplo lo sujetaban con un fino cordel, llamándolos piedras guía, mientras que los marinos los hacían flotar en un recipiente con agua.

Cuando se acercaba un imán natural a un trozo de hierro, se descubrió que éste a su vez, también adquiría magnetismo luego de estar en contacto con un imán natural. Con el tiempo y el descubrimiento de la electricidad se descubrió también que los imanes artificiales también podían crearse mediante esta.

A día de hoy los mejores imanes, considerados fuertes, son los que están compuestos de aleaciones de acero que contienen cobalto y níquel.

Moviendo un imán junto a un conductor

Uno de los dos métodos que os hemos comentado por los cuales el magnetismo produce electricidad, es mediante el movimiento de un imán frente a un conductor estacionario. Si se conecta un instrumento de medición muy sensible (por ejemplo un polímetro, en la posición de corriente continua baja) en los extremos de un conductor fijo y se hace pasar entonces un imán cerca del conductor, las cifras se moverán, indicando que se ha producido electricidad en el conductor.

Si repetimos el movimiento y observamos atentamente el instrumento de medida, veremos que las cifras se mueven cuando el imán pasa cerca del conductor. Pero colocando el imán cerca del conductor y dejándolo en reposo, no observaremos ninguna variación en los dígitos del instrumento, que se mantendrá a cero.

Sin embargo, si se cambia de posición del imán, los dígitos volverán a variar, demostrando que el imán y el conductor no son capaces de producir electricidad por sí solos y que es necesario que el imán se mueva junto al conductor.

Este movimiento es necesario ya que el campo magnético que rodea a un imán solo produce corriente eléctrica en el conductor cuando el campo magnético se desplaza transversalmente respecto al conductor. Así que cuando el imán y su campo están sin movimiento, el campo magnético no se desplaza a través del conductor y por tanto no producirá movimiento de electrones.

Moviendo un conductor hacia adelante y hacia atrás junto a un imán

Si movemos un conductor junto a un imán en reposo, también observaremos una variación de los dígitos, pero igualmente sólo se producirá mientras el conductor se esté moviendo a través del campo magnético.

Ahora bien, para emplear el magnetismo para producir electricidad, podemos mover un campo magnético a través de un conductor o mover éste a través de un campo magnético, es indiferente en el fondo.

Sin embargo, si queremos obtener una fuente continua de electricidad tendremos que conseguir mantener en movimiento permanente el conductor o en el campo magnético.

Para que dicho movimiento sea permanente habrá que desplazar continuamente hacia delante y hacia atrás al conductor o al campo magnético, lo cual a nivel práctico es un poco engorroso y complicado, pero hay una manera más práctica para conseguir nuestro objetivo: que el conductor se mueva circularmente a través del campo magnético.

Este método de producir electricidad, donde el conductor se traslada circularmente junto a los imanes constituye el principio de la dínamo eléctrica, siendo la principal fuente de la electricidad que empleamos como corriente eléctrica.

CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS

Como hemos visto el magnetismo produce electricidad, pero con electricidad se puede producir igualmente un campo magnético.

El campo electromagnético como su propio nombre indica, es un campo magnético producido por el paso de la corriente eléctrica en un conductor. De esto deducimos un detalle importante: siempre que hay un flujo de corriente, existe un campo magnético en torno al conductor y la dirección del campo dependerá del sentido de la corriente eléctrica.

Para conocer el sentido del campo magnético debemos saber que es el contrario al de las agujas del reloj.

Campo Magnético producido por una espira

Así que si deseamos crear un campo electromagnético solo tenemos que coger un trozo de material conductor (un alambre de cobre por ejemplo) y hacer pasar la corriente eléctrica.

Pero si se queremos aumentar la potencia del campo magnético lo enrollaremos en espiras formando una bobina, así que los campos individuales de cada vuelta estarán en serie, formando un fuerte campo magnético dentro y fuera de la bobina.

De este modo la bobina actúa como una barra imantada poderosa, cuyo polo norte sería el extremo desde el cual salgan las líneas de fuerza.

Según agregamos más vueltas a una bobina, se aumenta el número de líneas de fuerza, haciendo que actúe como imán más fuerte. El aumento de la corriente también reforzará el campo magnético.

Campo magnético producido por una bobina

Así que para conseguir un electroimán muy potente, habrá que construirlo con muchas vueltas y que transporte toda la corriente que permita la sección de dicho alambre.

Para poder comparar las bobinas que tengan el mismo núcleo o núcleos similares se utiliza una unidad a tal efecto que se denomina amper-vuelta. Esta unidad es el producto de la intensidad de corriente en amperios por el número de vueltas de alambre.

Para poder aumentar todavía más la densidad de flujo eléctrico se inserta en la bobina un núcleo de hierro, porque un núcleo de hierro ofrece mucha menos

reluctancia (oposición) a las líneas de fuerza que el aire, mejorando la bobina.

Así pues la oposición al flujo magnético que presenta un material, se denomina reluctancia. Mientras menor sea la reluctancia que presente el material, mayor será el flujo magnético que se genere.

Más adelante cuando tratemos en profundidad los campos magnéticos, la inducción eléctrica o la corriente alterna, analizaremos más en profundidad estos términos pero, para hacernos una noción de las formas de obtener energía es suficiente.

A partir de este mes y comenzando ya con este artículo retomamos pues nuestro curso básico de electrónica y electricidad, así que ya podéis ir sacando vuestro soldador y el multímetro para la navidad.

​Inflexion Point Doctor

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