Fundamentos de la Electricidad: Componentes, Variables y Aplicaciones

Fundamentos de la Electricidad

Generalidades sobre la Electricidad

La electricidad es una fuente secundaria de energía, lo que significa que proviene de la transformación de otras fuentes de energía primaria. En el contexto nacional, las principales fuentes primarias para la generación de energía eléctrica son:

• Hidráulica: 51%
• Gas: 34%
• Carbón: 9%
• Petróleo u otros: 6%

La energía eléctrica representa aproximadamente el 17% del total de las fuentes energéticas en el país, distribuyéndose de la siguiente manera:

• Petróleo: 38%
• Gas: 26%
• Leña: 13%
• Carbón: 6%
• Electricidad: 17%

A pesar de su porcentaje en la matriz energética, la electricidad es fundamental en todos los procesos productivos modernos, incluyendo la industria, minería, sector residencial, servicios públicos, etc. Es impensable prescindir de ella en la actualidad.

En Chile, la cobertura de los servicios de energía eléctrica alcanza aproximadamente el 99% en zonas urbanas y el 90% en zonas rurales.

Etapas del Sistema Eléctrico

El sistema eléctrico, en general, se compone de tres etapas principales:

1. Generación: Centros donde se ubican las centrales generadoras de electricidad. Estas centrales suelen estar alejadas de los centros de consumo debido a la necesidad de fuentes energéticas de gran volumen o por razones de seguridad.
2. Transmisión: Dado que las generadoras están distantes de los centros urbanos, se requieren líneas de transmisión para transportar la energía. La función de esta etapa es elevar el voltaje de la energía generada y transmitirla a través de redes eléctricas hasta los centros de consumo.
3. Distribución: Las empresas distribuidoras reciben la energía de las transmisoras y la distribuyen a través de redes de distribución hasta el consumidor final.
4. Consumidor Final: Son aquellos que utilizan la energía para un uso final, como un insumo en su proceso productivo o como servicio. La industria de la construcción es un ejemplo de consumidor final.

Variables en la Energía Eléctrica

Voltaje o Diferencia de Potencial

Algunos cuerpos pueden cargarse eléctricamente, adquiriendo un potencial eléctrico determinado. Este potencial les permite atraer o repeler otras cargas en su zona de influencia. Si tenemos dos cuerpos con diferentes cargas eléctricas (y, por ende, con distinto potencial), cualquier carga eléctrica (electrones) que circule entre ellos fluirá desde el cuerpo de mayor potencial al de menor potencial. A esta capacidad de realizar trabajo sobre cargas situadas entre dos potenciales se le denomina voltaje.

En otras palabras, para inducir un flujo de electrones en un cuerpo, es necesario someterlo a un voltaje o diferencia de potencial. El voltaje se representa con la letra "V" y se mide en voltios (V).

Voltaje: Representa el trabajo necesario para mover una cantidad específica de carga eléctrica.

En términos prácticos, la tecnología permite dotar a un cuerpo conductor de un potencial eléctrico, creando así una "fuente de voltaje".

Fuentes de Voltaje

• Voltaje Continuo: Mantiene una polaridad constante en el tiempo, generando un flujo de cargas siempre en el mismo sentido. Ejemplos comunes son las baterías, pilas y celdas fotovoltaicas, que polarizan dos bornes con diferente polaridad mediante procesos físico-químicos. Cualquier cuerpo sometido a esta diferencia de potencial experimentará una circulación de cargas desde el borne positivo al negativo.
• Voltaje Alterno: El potencial eléctrico de un cuerpo conductor varía en sentido y magnitud. Esta es la fuente de voltaje más utilizada en industrias, residencias y comercios. La diferencia de potencial se obtiene entre cuerpos con distinto potencial o entre un cuerpo con potencial V y otro con potencial 0 (neutro). El voltaje alterno en las redes nacionales chilenas corresponde a una señal sinusoidal con una frecuencia de 50 Hz y un valor máximo de 311,13 voltios.

Corriente Eléctrica

Se define como el flujo de electrones en un cuerpo conductor sometido a una diferencia de potencial (voltaje). Se representa con la letra "I" y se mide en amperios (A). Esencialmente, es la cantidad de cargas que atraviesan la sección transversal de un conductor en una unidad de tiempo.

Para que exista corriente, el cuerpo sometido a la diferencia de potencial debe ser un conductor, es decir, debe tener electrones libres que se liberen fácilmente con la energía proporcionada por el voltaje. Los materiales más comunes con esta característica son el cobre y el aluminio.

Por el contrario, los materiales que requieren un voltaje muy alto para liberar electrones se denominan dieléctricos o aislantes, y se utilizan como aisladores eléctricos.

Circuito Eléctrico

Un circuito eléctrico básico se compone de:

• Fuente de energía: Genera la diferencia de potencial (voltaje) que impulsa el movimiento de las cargas eléctricas.
• Conductores: Unen la fuente de energía con la carga eléctrica, sin afectar sus características. Generalmente son hilos metálicos con baja resistencia eléctrica.
• Carga eléctrica: Elemento que transforma la energía eléctrica en otro tipo de energía (lumínica, calorífica, motriz, etc.).

Condiciones de un Circuito

• Circuito cerrado: La fuente de voltaje está conectada directamente a la carga a través de los conductores. La corriente circula a un nivel controlado, determinado por la carga.
• Circuito abierto: Se interrumpe el conductor (accidental o intencionalmente). Al no haber conexión entre la fuente y la carga, no hay circulación de corriente.
• Cortocircuito: Se unen los bornes de salida de la fuente de voltaje. Es una condición no deseada que puede dañar el circuito, ya que la corriente aumenta a valores muy altos, liberando una gran cantidad de energía calórica.

Las fuentes de voltaje se consideran elementos activos (proveen energía), mientras que las cargas son elementos pasivos (consumen energía).

Componentes de una Carga Eléctrica

Las cargas, donde se produce la transformación de energía, se componen de tres elementos principales:

• Resistencia eléctrica (R): Oposición al paso de la corriente. Es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor. Se mide en ohmios (Ω). La resistencia depende de las características físicas del conductor (conductividad) y su longitud. Un fenómeno importante es la variación de la resistencia con la temperatura.
• Inductancia o bobina (L): Elemento pasivo que almacena energía en forma de campo magnético. Su principal aplicación es en motores eléctricos, donde se utiliza para generar energía cinética. Se mide en henrios (H). La inductancia depende del número de espiras y la intensidad del campo magnético.
• Capacitancia eléctrica (condensadores) (C): Almacena energía en un campo eléctrico.