Sistemas Eléctricos

Significado de los sistemas eléctricos

En primer lugar, definamos qué entendemos exactamente por sistema eléctrico.

Esto puede parecer vago al principio, pero sistemas eléctricos es una etiqueta que puede englobar una gran variedad de objetos cotidianos diferentes. Los teléfonos, los ordenadores y las redes eléctricas son sistemas eléctricos. Las dos magnitudes que siempre veremos en cualquier tipo de sistema eléctrico son la corriente y la tensión, que permiten generar energía eléctrica.

Cuando imaginamos electrones, solemos pensar en objetos circulares muy pequeños que orbitan alrededor del núcleo de un átomo en movimiento uniforme. En realidad, si consideramos los electrones de un trozo de metal, están volando en un movimiento aleatorio a velocidades extremadamente altas. Sin embargo, la corriente en un sistema sólo fluye cuando existe un movimiento neto global de los electrones, en lugar de sólo su movimiento aleatorio.

Tenemos este flujo neto de electrones debido a la diferencia de potencial eléctrico, o tensión entre dos extremos de un alambre. Esto es similar al fenómeno de la ósmosis. Si tuviéramos una solución de agua mezclada con sal, conectada a otra solución de sólo agua pura, separadas por una fina barrera permeable, la diferencia de concentraciones de sal obligaría a la solución salada a difundirse hacia la solución de agua pura. Lo mismo ocurre con los electrones: si los dos extremos de un cable tuvieran diferencias de potencial diferentes, los electrones de un extremo se desplazarían hacia el otro extremo, generando una corriente. Así, podemos definir la tensión de la siguiente manera

Partes de un sistema eléctrico

Ahora que hemos establecido lo que entendemos por un sistema eléctrico, vamos a considerar las distintas partes que componen estos sistemas.

Resistencia

En primer lugar, veamos las resistencias; estos componentes eléctricos tienen una cualidad llamada resistencia. Podemos definir la resistencia de la siguiente manera.

Todos los materiales presentan algún tipo de resistencia. Sin embargo, cuando consideremos los circuitos eléctricos en el futuro, supondremos que componentes como los cables, los amperímetros y los voltímetros tienen resistencia cero, a menos que se indique lo contrario. La ecuación utilizada para calcular la resistencia de una resistencia es

\[ R = \frac{V}{I} ,\]

donde \(R\) es la resistencia medida en ohmios \(\Omega\), \(V\) es la tensión a través de los componentes eléctricos medida en voltios \(\mathrm{V}\), y \(I\) es la corriente que pasa a través del componente medida en amperios \(\mathrm{A}\). Esta ecuación también se conoce como ley de Ohm.

Fig. 2 - Al dibujar circuitos eléctricos, las resistencias se representan como una línea en zig-zag.

Condensador

Otro componente importante de los sistemas eléctricos son los condensadores. Estos componentes se utilizan para almacenar energía potencial eléctrica mediante la separación física de cargas opuestas en placas conductoras, lo que da lugar a la formación de un campo eléctrico entre las dos placas.

Los condensadores pueden tener varias formas. Sin embargo, la que encontramos con más frecuencia al estudiar física es el condensador de placas paralelas. Si nos fijamos en la figura siguiente, podemos ver que la forma de un condensador de placas paralelas está formada por dos placas conductoras con una magnitud de carga \(Q\) en cada placa, separadas por una pequeña distancia \(d\). Cuando un condensador se conecta a una fuente de alimentación, la corriente del circuito crea una acumulación de electrones en un lado del condensador, creando una separación de carga.

Fig. 3 - Estructura de un condensador de placas paralelas.

Para medir la cantidad de energía potencial eléctrica almacenada en un condensador, definimos su capacitancia.

Podemos calcular la energía almacenada en un condensador como

\U_{{text{C}} = \frac{1}{2} Q \Delta V ,\}]

donde \(U_{\text{C}}) es la energía almacenada en el condensador medida en julios \(\mathrm{J}\), \(Q\) es la magnitud de la carga almacenada en cada placa medida en culombios \(\mathrm{C}\), y \(\Delta V\) es la diferencia de potencial a través del condensador medida en voltios \(\mathrm{V}\).

Inductor

Por último, un inductor es un componente eléctrico que utiliza la corriente de un circuito para generar un campo magnético. Es posible que hayas encontrado el término inducción en objetos cotidianos como una placa de inducción. Estos objetos utilizan el fenómeno de la inducción electromagnética para generar calor.

Un ejemplo de inductor eléctrico es un transformador; éstos permiten reducir grandes tensiones de las redes eléctricas a tensiones más pequeñas que pueden utilizarse en objetos cotidianos de los hogares. Por otra parte, el proceso también puede invertirse para permitir que tensiones menores se transformen en tensiones mayores. Así pues, los transformadores son muy útiles cuando se transporta energía a través de sistemas eléctricos que pueden requerir una magnitud de tensión significativamente diferente.

Fig. 4 - Estructura de un transformador reductor.

La ecuación de un transformador es la siguiente

\[ \frac {V_{texto{p}} {V_{texto{s}} = \frac {N_{texto{p}} {N_{texto{s}} ,\]

donde \(V_{texto{p}}) y \(V_{texto{s}}) son la tensión a través del conductor primario y secundario respectivamente, medida en voltios \(\mathrm{V}}. En el lado derecho, \(N_{texto{p}}) y \(N_{texto{s}}) son el número de espiras en los lados primario y secundario, respectivamente.

Ejemplos de sistemas eléctricos

Consideremos ahora un ejemplo de sistema eléctrico, un circuito de tu casa que se utiliza para tomar energía de las líneas eléctricas principales y encender las luces de tu casa. Lo representamos en la figura siguiente como un diagrama de circuito.

Fig. 5 - El transformador reductor toma energía eléctrica de la red eléctrica y la suministra a las bombillas de una casa.

Aquí tenemos un transformador reductor que convierte la energía de la red eléctrica en tensiones seguras para uso doméstico. Luego actúa como fuente de energía para las tres bombillas conectadas en paralelo. El encendido o apagado de las bombillas depende del interruptor conectado al circuito: cuando está cerrado, todas las bombillas reciben energía, y cuando está abierto, las bombillas están apagadas. Éste es un ejemplo de sistema eléctrico que puede encontrarse en muchos hogares domésticos.

Sistemas de energía eléctrica

Por último, un sistema de energía eléctrica es un tipo específico de sistema de energía que se utiliza para transportar energía eléctrica y actúa como fuente de alimentación de otros sistemas eléctricos. Ya hemos visto un ejemplo de sistema de energía eléctrica en forma de red eléctrica nacional que se utiliza para transportar energía eléctrica desde una central eléctrica hasta los hogares de todo el país.

Un aspecto importante de los sistemas de energía eléctrica es el suministro de energía que luego se convierte en energía eléctrica. Algunos ejemplos de fuentes de energía son

• Combustibles fósiles como el carbón, el gas y el petróleo

• Turbinas eólicas

• Energía nuclear

• Paneles solares

• Energía geotérmica

• Energía hidráulica

Todas estas fuentes de energía generan energía a su manera. Sin embargo, la conversión en energía eléctrica es similar en todos los casos. La inducción electromagnética es un factor clave en la conversión en energía eléctrica, ya que permite inducir una fuerza electromotriz mediante el movimiento de un campo magnético. Los dispositivos llamados generadores utilizan la energía aprovechada de estas diversas fuentes de energía para mover o hacer girar un electroimán. Así, se crea un campo magnético cambiante alrededor del electroimán, de modo que podemos recuperar energía eléctrica cuando se coloca junto a un conductor.

Sistemas de electricidad solar

Por último, veamos un ejemplo concreto de sistemas de energía eléctrica, los sistemas de electricidad solar. Para recoger la energía solar, disponemos de células fotovoltaicas que se colocan en zonas que reciben luz solar directa. Estos dispositivos están formados por el material semiconductor silicio. Debido a la estructura del silicio, los electrones del material están ligados muy débilmente a su átomo, por lo que es fácil que se desprendan. Cuando se proyecta luz sobre las células, los fotones que componen los rayos de luz interactúan con los electrones en órbita, desplazándolos de su sitio. Estos electrones libres se comportan entonces como una corriente, transportando energía eléctrica entre las células y hasta nuestros hogares.

Fig. 6 - Los paneles solares son ejemplos de sistemas eléctricos.