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Un limitador o recortador es un circuito que, mediante el uso de resistencias y diodos, permite eliminar tensiones que no nos interesen para que no lleguen a un determinado punto de un circuito. Mediante un limitador podemos conseguir que a un determinado circuito le lleguen únicamente tensiones positivas o solamente negativas, no obstante esto también puede hacerse con un solo diodo formando un rectificador de media onda, de forma que nos vamos a centrar en un tipo de limitador que no permite que a un circuito lleguen tensiones que podrían ser perjudiciales para el mismo.

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Un limitador o recortador es un circuito que, mediante el uso de resistencias y diodos, permite eliminar tensiones que no nos interesen para que no lleguen a un determinado punto de un circuito. Mediante un limitador podemos conseguir que a un determinado circuito le lleguen únicamente tensiones positivas o solamente negativas, no obstante esto también puede hacerse con un solo diodo formando un rectificador de media onda, de forma que nos vamos a centrar en un tipo de limitador que no permite que a un circuito lleguen tensiones que podrían ser perjudiciales para el mismo.

Imaginemos que en un caso como en el de la figura, no nos interesa que al circuito que estamos protegiendo (en este caso el elemento que vamos a proteger es la resistencia de carga RL) le lleguen tensiones superiores a 0.7 V, tanto positivos como negativos. Montando los dos diodos y la resistencia limitadora como se ve en la figura, nosotros conseguimos que cualquier tensión que exceda de 0.7 V o disminuya de -0.7 V, se vea recortada por los diodos. Estos 0.7 V de los que hablamos son la barrera de potencial del diodo. Hay que tener en cuenta que la resistencia limitadora (Rlim) es mucho menor que la resistencia de carga (RL), de este modo la tensión que cae en la resistencia limitadora es prácticamente nula y podemos despreciarla.

Aunque la resistencia limitadora pueda parecer innecesaria, es importante entender que en realidad es parte imprescindible del limitador, ya que si no estuviera conectada, al polarizarse uno de los diodos directamente (los dos diodos no pueden estar polarizados directamente al mismo tiempo), este comenzaría a conducir la corriente eléctrica sin control y se destruiría. Como su propio nombre indica, la resistencia limitadora tiene como función limitar la corriente que atraviesa los diodos.

De este modo, si la tensión de entrada supera por cualquier motivo los 0.7 V el diodo D1 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión. De igual forma, cuando la tensión de entrada disminuya de -0.7 V, el diodo D2 quedará polarizado directamente y recortará el exceso de tensión que podría dañar nuestra carga.

Muchas veces no nos interesa que los diodos limiten las tensiones de entrada a los 0.7 V o a los -0.7 V. Por ejemplo, puede que lo que estemos buscando es que a la entrada no le lleguen tensiones superiores a los 10 V o inferiores a los -10 V (estas tensiones son aleatorias, nosotros elegimos las que más nos interesen), en ese caso no podemos usar el circuito antes mencionado, ahora necesitamos un limitador polarizado. La única diferencia respecto al anterior limitador es que en este caso vamos a polarizar los diodos con baterías, a fin de que sea necesaria una tensión de entrada mayor que 0.7 V para que los diodos se polaricen directamente.

Si lo que buscamos es que la tensión en la carga no sea mayor de 10 V ni inferior de -10 V, montaremos el siguiente circuito.

Veamos cómo funciona el circuito:

Cuando la tensión de entrada se mantiene dentro de sus límites normales, esto es, entre 10 V y -10 V, ninguno de los diodos hace nada.

En el momento en que la tensión es superior a los 10.7 V (los 10 V de la batería más los 0.7 V de la barrera de potencial del diodo), el diodo D1 queda polarizado directamente y empieza a conducir, de esta forma no permite que la tensión en la carga aumente.

Si la tensión de entrada disminuye de los -10.7 V, en este caso es el diodo D2 el que se polariza directamente y comienza a conducir, no permitiendo que la tensión en la carga disminuya hasta niveles peligrosos.

Hay que destacar que en lugar de baterías, también podrían conectarse diodos zener polarizados inversamente cuya tensión Zener fuera igual a la de las baterías que necesitamos colocar. Además las dos baterías o diodos zener no tienen por qué tener el mismo potencial, todo depende de qué niveles de tensión queramos proteger el circuito. Es muy importante tener en cuenta que, en este último caso, en el que queremos recortar de forma diferente el semiciclo positivo y el negativo, se debe tener la precaución de que la segunda fuente sea mayor que la primera. No puede ser la primera mayor que la segunda, pues, llegado el caso en el que ambos diodos se cierren, cosa que puede ocurrir si (Vi-I.Rlim)>E1 (y por ende si E1>E2, (Vi-I.Rlim)>E2), con lo que ambos diodos están en polarización directa, o cortocircuitados, y la E1 intentará llevar a E2 al potencial que ella posee, con lo que se destruirá la batería.

Ahora estudiaremos más a fondo qué es lo que hace el limitador estudiando las distintas formas de onda de la tensión en la entrada y en la carga, en el caso concreto en el que nuestra carga no soporta tensiones mayores de 10 V o menores de -10 V.

Imaginemos que alimentamos el circuito con una tensión de entrada Vi senoidal de 30 V eficaces, en el dibujo es la línea sinusoidal de color verde. Esta tensión de entrada tiene picos cuyo valor alcanza los 42 y -42 V respectivamente. El caso es que si estos valores de tensión llegaran a la carga esta quedaría dañada o se destruiría.

Para evitar que esto ocurra, conectamos la resistencia limitadora, los diodos y las baterías o diodos zener, como hemos visto antes.

Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D1:

La batería que está conectada al diodo D1 polariza su cátodo a 10 V, considerando el diodo ideal, comenzará a conducir cuando la tensión en su ánodo sea mayor que en su cátodo, esto ocurre sólo cuando la tensión de entrada es superior a 10 V.

Cuando Vi supera los 10 V, se convierte en una tensión peligrosa para la carga RL, no obstante en ese mismo momento la tensión en el ánodo del diodo D1 comienza a ser superior que la tensión en su cátodo, con lo que el diodo D1 queda polarizado directamente y comienza a conducir la corriente eléctrica, a partir de este momento la tensión sobrante de la tensión de entrada Vi se ve recortada y no puede llegar a la carga tal y como se ve en la figura de la derecha.

Estudiemos cuando comienza a conducir el diodo D2:

Este caso es igual al anterior. La batería polariza el ánodo de D2 a -10 V. Cuando la tensión de entrada Vi es más baja de lo que la carga puede soportar (en nuestro caso menor que -10 V), el cátodo del diodo D2 queda a un potencial menor que -10 V, con lo que el diodo se polariza directamente y recorta en este caso, las tensiones negativas de entrada que podrían resultar perjudiciales para la carga, tal y como se aprecia en la gráfica.

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Limitador - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Un limitador o recortador es un circuito que, mediante el uso de resistencias y diodos, permite eliminar tensiones que no nos interesen para que no lleguen a un determinado punto de un circuito.

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Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido, bloqueando el paso si la corriente circula en sentido contrario, no solo sirve para la circulación de corriente eléctrica, sino que este la controla y resiste. Esto hace que el diodo tenga dos posibles posiciones: una a favor de la corriente (polarización directa) y otra en contra de la corriente.

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Este aviso fue puesto el 16 de agosto de 2016.

Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido,​ bloqueando el paso si la corriente circula en sentido contrario, no solo sirve para la circulación de corriente eléctrica sino que este la controla y resiste. Esto hace que el diodo tenga dos posibles posiciones: una a favor de la corriente ( polarización directa) y otra en contra de la corriente ( polarización inversa).​

Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo.

De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua.​ Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

Los primeros diodos eran válvulas o tubos de vacío, también llamados válvulas termoiónicas constituidos por dos electrodos rodeados de vacío en un tubo de cristal, con un aspecto similar al de las lámparas incandescentes. El invento fue desarrollado en 1904 por John Ambrose Fleming, empleado de la empresa Marconi, basándose en observaciones realizadas por Thomas Alva Edison.

Al igual que las lámparas incandescentes, los tubos de vacío tienen un filamento (el cátodo) a través del cual circula la corriente, calentándolo por efecto Joule. El filamento está tratado con óxido de bario, de modo que al calentarse emite electrones al vacío circundante los cuales son conducidos electrostáticamente hacia una placa, curvada por un muelle doble, cargada positivamente (el ánodo), produciéndose así la conducción. Evidentemente, si el cátodo no se calienta, no podrá ceder electrones. Por esa razón, los circuitos que utilizaban válvulas de vacío requerían un tiempo para que las válvulas se calentaran antes de poder funcionar y las válvulas se quemaban con mucha facilidad.

Diodo de vacío, usado comúnmente hasta la invención del diodo semiconductor, este último también llamado diodo de estado sólido.

Aunque el diodo semiconductor de estado sólido se popularizó antes del diodo termoiónico, ambos se desarrollaron al mismo tiempo.

En 1873 Frederick Guthrie descubrió el principio de operación de los diodos térmicos. Guthrie descubrió que un electroscopio cargado positivamente podía descargarse al acercarse una pieza de metal caliente, sin necesidad de que este lo tocara. No sucedía lo mismo con un electroscopio cargado negativamente, lo cual indicaba que el flujo de corriente era posible solamente en una dirección.

Independientemente, el 13 de febrero de 1880, Thomas A. Edison redescubre el principio. Edison investigaba por qué los filamentos de carbón de las bombillas se quemaban al final del terminal positivo. Él había construido una bombilla con un filamento adicional y una con una lámina metálica dentro de la lámpara eléctricamente aislada del filamento. Al usar este dispositivo, confirmó que una corriente fluía del filamento incandescente a través del vacío a la lámina metálica, pero esto solo sucedía cuando la lámina estaba conectada positivamente.

Edison diseñó un circuito que reemplazaba la bombilla por un resistor con un voltímetro de CC, y obtuvo una patente para este invento en 1884. El circuito aparentemente no tenía uso práctico para esa época, por lo cual, la patente era probablemente para precaución, en caso de que alguien encontrara un uso al llamado efecto Edison.

Aproximadamente 20 años después, John Ambrose Fleming (científico asesor de Marconi Company y antiguo empleado de Edison) se dio cuenta de que el efecto Edison podría usarse como un radio detector de precisión. Fleming patentó el primer diodo termoiónico en Gran Bretaña el 16 de noviembre de 1904.

En 1874 el científico alemán Karl Ferdinand Braun descubrió la propiedad que poseen los cristales semiconductores de conducir la corriente eléctrica en una sola dirección . Braun patentó el rectificador de cristal en 1899. Los rectificadores de óxido de cobre y selenio fueron desarrollados para aplicaciones de alta potencia en la década de los 1930.

El científico indio Jagdish Chandra Bose fue el primero en usar un cristal semiconductor para detectar ondas de radio en 1894. El detector de cristal semiconductor fue desarrollado en un dispositivo práctico para la recepción de señales inalámbricas por Greenleaf Whittier Pickard, quién inventó un detector de cristal de silicio en 1903 y recibió una patente de ello el 20 de noviembre de 1906. Otros experimentos probaron con gran variedad de sustancias, entre las cuales se usó ampliamente el mineral galena. Otras sustancias ofrecieron un rendimiento ligeramente mayor, pero la galena fue el que más se usó porque tenía la ventaja de ser barato y fácil de obtener. Al principio de la era de la radio, el detector de cristal semiconductor consistía de un cable ajustable (el muy nombrado bigote de gato) el cual se podía mover manualmente a través del cristal para así obtener una señal óptima. Este dispositivo problemático fue rápidamente superado por los diodos termoiónicos, aunque el detector de cristal semiconductor volvió a usarse frecuentemente con la llegada de los económicos diodos de germanio en la década de 1950.

En la época de su invención, estos dispositivos fueron conocidos como rectificadores. En 1919, William Henry Eccles acuñó el término diodo del griego dia, que significa separado, y ode (de ὅδος), que significa 'camino'.

Diodos termoiónicos y de estado gaseoso

Los diodos termoiónicos son dispositivos de válvula termoiónica (también conocida como tubo de vacío), que consisten en un arreglo de electrodos empacados en un vidrio al vacío. Los primeros modelos eran muy parecidos a la lámpara incandescente.

En los diodos de válvula termoiónica, una corriente a través del filamento que se va a calentar calienta indirectamente el cátodo, otro electrodo interno tratado con una mezcla de Bario y óxido de estroncio, los cuales son óxidos alcalinotérreos; se eligen estas sustancias porque tienen una pequeña función de trabajo (algunas válvulas usan calentamiento directo, donde un filamento de tungsteno actúa como calentador y como cátodo). El calentamiento causa emisión termoiónica de electrones en el vacío. En polarización directa, el ánodo estaba cargado positivamente por lo cual atraía electrones. Sin embargo, los electrones no eran fácilmente transportados de la superficie del ánodo que no estaba caliente cuando la válvula termoiónica estaba en polarización inversa. Además, cualquier corriente en este caso es insignificante.

En la mayor parte del siglo xx, los diodos de válvula termoiónica se usaron en aplicaciones de señales análogas, rectificadores y potencia. Actualmente, los diodos de válvula solamente se usan en aplicaciones exclusivas como rectificadores en guitarras eléctricas, amplificadores de audio, así como equipo especializado de alta tensión.

Formación de la región de agotamiento, en la gráfica z.c.e.

Un diodo semiconductor moderno está hecho de cristal semiconductor como el silicio con impurezas en él para crear una región que contenga portadores de carga negativa (electrones), llamada semiconductor de tipo n, y una región en el otro lado que contenga portadores de carga positiva (huecos), llamada semiconductor tipo p. Las terminales del diodo se unen a cada región. El límite dentro del cristal de estas dos regiones, llamado una unión PN, es donde la importancia del diodo toma su lugar. El cristal conduce una corriente de electrones del lado n (llamado cátodo), pero no en la dirección opuesta; es decir, cuando una corriente convencional fluye del ánodo al cátodo (opuesto al flujo de los electrones).

Al unir ambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p (J e). Al establecerse una corriente de difusión, aparecen cargas fijas en una zona a ambos lados de la unión, zona que recibe el nombre de región de agotamiento.

A medida que progresa el proceso de difusión, la región de agotamiento va incrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sin embargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zona p, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n con una determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones y terminará deteniéndolos.

Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entre las zonas p y n. Esta diferencia de potencial (V D) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 V para los cristales de germanio.​

La anchura de la región de agotamiento una vez alcanzado el equilibrio, suele ser del orden de 0,5 micras pero cuando uno de los cristales está mucho más dopado que el otro, la zona de carga espacial es mucho mayor.

Cuando se somete al diodo a una diferencia de tensión externa, se dice que el diodo está polarizado, pudiendo ser la polarización directa o inversa.

En este caso, la batería disminuye la barrera de potencial de la zona de carga espacial, permitiendo el paso de la corriente de electrones a través de la unión; es decir, el diodo polarizado directamente conduce la electricidad.

Para que un diodo esté polarizado directamente, se debe conectar el polo positivo de la batería al ánodo del diodo y el polo negativo al cátodo. En estas condiciones podemos observar que:

El polo negativo de la batería repele los electrones libres del cristal n, con lo que estos electrones se dirigen hacia la unión p-n.

El polo positivo de la batería atrae a los electrones de valencia del cristal p, esto es equivalente a decir que empuja a los huecos hacia la unión p-n.

Cuando la diferencia de potencial entre los bornes de la batería es mayor que la diferencia de potencial en la zona de carga espacial, los electrones libres del cristal n, adquieren la energía suficiente para saltar a los huecos del cristal p, los cuales previamente se han desplazado hacia la unión p-n.

Una vez que un electrón libre de la zona n salta a la zona p atravesando la zona de carga espacial, cae en uno de los múltiples huecos de la zona p convirtiéndose en electrón de valencia. Una vez ocurrido esto el electrón es atraído por el polo positivo de la batería y se desplaza de átomo en átomo hasta llegar al final del cristal p, desde el cual se introduce en el hilo conductor y llega hasta la batería.

De este modo, con la batería cediendo electrones libres a la zona n y atrayendo electrones de valencia de la zona p, aparece a través del diodo una corriente eléctrica constante hasta el final.

En este caso, el polo negativo de la batería se conecta a la zona p y el polo positivo a la zona n, lo que hace aumentar la zona de carga espacial, y la tensión en dicha zona hasta que se alcanza el valor de la tensión de la batería, tal y como se explica a continuación:

El polo positivo de la batería atrae a los electrones libres de la zona n, los cuales salen del cristal n y se introducen en el conductor dentro del cual se desplazan hasta llegar a la batería. A medida que los electrones libres abandonan la zona n, los átomos pentavalentes que antes eran neutros, al verse desprendidos de su electrón en el orbital de conducción, adquieren estabilidad (8 electrones en la capa de valencia, ver semiconductor y átomo) y una carga eléctrica neta de +1, con lo que se convierten en iones positivos.

El polo negativo de la batería cede electrones libres a los átomos trivalentes de la zona p. Recordemos que estos átomos solo tienen 3 electrones de valencia, con lo que una vez que han formado los enlaces covalentes con los átomos de silicio, tienen solamente 7 electrones de valencia, siendo el electrón que falta el denominado hueco. El caso es que cuando los electrones libres cedidos por la batería entran en la zona p, caen dentro de estos huecos con lo que los átomos trivalentes adquieren estabilidad (8 electrones en su orbital de valencia) y una carga eléctrica neta de -1, convirtiéndose así en iones negativos.

Este proceso se repite una y otra vez hasta que la zona de carga espacial adquiere el mismo potencial eléctrico que la batería.

En esta situación, el diodo no debería conducir la corriente; sin embargo, debido al efecto de la temperatura se formarán pares electrón-hueco (ver semiconductor) a ambos lados de la unión produciendo una pequeña corriente (del orden de 1 μ A) denominada corriente inversa de saturación. Además, existe también una denominada corriente superficial de fugas la cual, como su propio nombre indica, conduce una pequeña corriente por la superficie del diodo; ya que en la superficie, los átomos de silicio no están rodeados de suficientes átomos para realizar los cuatro enlaces covalentes necesarios para obtener estabilidad. Esto hace que los átomos de la superficie del diodo, tanto de la zona n como de la p, tengan huecos en su orbital de valencia con lo que los electrones circulan sin dificultad a través de ellos. No obstante, al igual que la corriente inversa de saturación, la corriente superficial de fuga es usualmente despreciable.

Tensión umbral, de codo o de partida (Vγ ).
La tensión umbral (también llamada barrera de potencial) de polarización directa coincide en valor con la tensión de la zona de carga espacial del diodo no polarizado. Al polarizar directamente el diodo, la barrera de potencial inicial se va reduciendo, incrementando la corriente ligeramente, alrededor del 1 % de la nominal. Sin embargo, cuando la tensión externa supera la tensión umbral, la barrera de potencial desaparece, de forma que para pequeños incrementos de tensión se producen grandes variaciones de la intensidad de corriente.

Corriente máxima (Imax ).
Es la intensidad de corriente máxima que puede conducir el diodo sin fundirse por el efecto Joule. Dado que es función de la cantidad de calor que puede disipar el diodo, depende sobre todo del diseño del mismo.

Corriente inversa de saturación (Is ).
Es la pequeña corriente que se establece al polarizar inversamente el diodo por la formación de pares electrón-hueco debido a la temperatura, admitiéndose que se duplica por cada incremento de 10 °C en la temperatura.

Corriente superficial de fugas.
Es la pequeña corriente que circula por la superficie del diodo (ver polarización inversa), esta corriente es función de la tensión aplicada al diodo, con lo que al aumentar la tensión, aumenta la corriente superficial de fugas.

Tensión de ruptura (Vr ).
Es la tensión inversa máxima que el diodo puede soportar antes de darse el efecto avalancha.

Teóricamente, al polarizar inversamente el diodo, este conducirá la corriente inversa de saturación; en la realidad, a partir de un determinado valor de la tensión, en el diodo normal o de unión abrupta la ruptura se debe al efecto avalancha; no obstante hay otro tipo de diodos, como los Zener, en los que la ruptura puede deberse a dos efectos:

Efecto avalancha (diodos poco dopados). En polarización inversa se generan pares electrón-hueco que provocan la corriente inversa de saturación; si la tensión inversa es elevada los electrones se aceleran incrementando su energía cinética de forma que al chocar con electrones de valencia pueden provocar su salto a la banda de conducción. Estos electrones liberados, a su vez, se aceleran por efecto de la tensión, chocando con más electrones de valencia y liberándolos a su vez. El resultado es una avalancha de electrones que provoca una corriente grande. Este fenómeno se produce para valores de la tensión superiores a 6 V.

Efecto Zener (diodos muy dopados). Cuanto más dopado está el material, menor es la anchura de la zona de carga. Puesto que el campo eléctrico E puede expresarse como cociente de la tensión V entre la distancia d; cuando el diodo esté muy dopado, y por tanto d sea pequeño, el campo eléctrico será grande, del orden de 3·10⁵ V/cm. En estas condiciones, el propio campo puede ser capaz de arrancar electrones de valencia incrementándose la corriente. Este efecto se produce para tensiones de 4 V o menores.

Para tensiones inversas entre 4 y 6 V la ruptura de estos diodos especiales, como los Zener, se puede producir por ambos efectos.

El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que relaciona la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es:

Donde:

I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo

VD es la diferencia de tensión entre sus extremos.

IS es la corriente de saturación (aproximadamente )

n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio).

El Voltaje térmico VT es aproximadamente 25.85 mV en 300 K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente, muy usada en los programas de simulación de circuitos. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:

Donde k es la constante de Boltzmann, T es la temperatura absoluta de la unión pn, y q es la magnitud de la carga de un electrón (la carga elemental).

La ecuación de diodo ideal de Shockley o la ley de diodo se deriva de asumir que solo los procesos que le dan corriente al diodo son por el flujo (debido al campo eléctrico), difusión, y la recombinación térmica. También asume que la corriente de recombinación en la región de agotamiento es insignificante. Esto significa que la ecuación de Shockley no tiene en cuenta los procesos relacionados con la región de ruptura e inducción por fotones. Adicionalmente, no describe la estabilización de la curva I-V en polarización activa debido a la resistencia interna.

Bajo voltajes negativos, la exponencial en la ecuación del diodo es insignificante. y la corriente es una constante negativa del valor de I s. La región de ruptura no está modelada en la ecuación de diodo de Shockley.

Para voltajes grandes, en la región de polarización directa, se puede eliminar el 1 de la ecuación, quedando como resultado:

Con objeto de evitar el uso de exponenciales, en ocasiones se emplean modelos aún más simples, que modelan las zonas de funcionamiento del diodo por tramos rectos; son los llamados modelos de continua o de Ram-señal. El más simple de todos es el diodo ideal.

Varios diodos semiconductores, abajo: un puente rectificador. En la mayoría de los diodos, el terminal cátodo se indica pintando una franja blanca o negra.

Existen varios tipos de diodos, que pueden diferir en su aspecto físico, impurezas, uso de electrodos, que tienen características eléctricas particulares usados para una aplicación especial en un circuito. El funcionamiento de estos diodos es fundamentado por principios de la mecánica cuántica y teoría de bandas.

Los diodos normales, los cuales operan como se describía más arriba, se hacen generalmente de silicio dopado o germanio. Antes del desarrollo de estos diodos rectificadores de silicio, se usaba el óxido cuproso y el selenio: su baja eficiencia le dio una caída de tensión muy alta (desde 1,4 a 1,7 V) y requerían de una gran disipación de calor mucho más grande que un diodo de silicio. La gran mayoría de los diodos pn se encuentran en circuitos integrados CMOS, que incluyen dos diodos por pin y muchos otros diodos internos.

Diodo avalancha (TVS): Diodos que conducen en dirección contraria cuando el voltaje en inverso supera el voltaje de ruptura, también se conocen como diodos TVS. Electricámente son similares a los diodos Zener, pero funciona bajo otro fenómeno, el efecto avalancha. Esto sucede cuando el campo eléctrico inverso que atraviesa la unión p-n produce una onda de ionización, similar a una avalancha, produciendo una corriente. Los diodos avalancha están diseñados para operar en un voltaje inverso definido sin que se destruya. La diferencia entre el diodo avalancha (el cual tiene un voltaje de reversa de aproximadamente 6,2 voltios) y el diodo zener es que el ancho del canal del primero excede la "libre asociación" de los electrones, por lo que se producen colisiones entre ellos en el camino. La única diferencia práctica es que los dos tienen coeficientes de temperatura de polaridades opuestas (la disipación de calor máxima es mayor en un diodo zener, es por ello que estos se emplean principalmente en circuitos reguladores de tensión). Este tipo de diodos se emplean para eliminar voltajes y corrientes transitorios que pudieran provocar un mal funcionamiento de un bus de datos que conecte dos dispositivos sensibles a voltajes transitorios.

Diodo de Silicio: Suelen tener un tamaño milimétrico y, alineados, constituyen detectores multicanal que permiten obtener espectros en milisegundos. Son menos sensibles que los fotomultiplicadores. Es un semiconductor de tipo p (con huecos) en contacto con un semiconductor de tipo n (electrones). La radiación comunica la energía para liberar los electrones que se desplazan hacia los huecos, estableciendo una corriente eléctrica proporcional a la potencia radiante.

Diodo de cristal: Es un diodo de punta (ver diodo de punta). El diodo consiste en un hilo de metal afilado en su punta presionado contra un cristal semiconductor, (de ahí la denominación de "diodo de cristal"), generalmente un cristal de galena o de un cristal de carborundo (carburo de silicio), u otros cristales semiconductores. El hilo de metal forma el ánodo y el cristal semiconductor forma el cátodo. Los diodos de cristal tienen una gran aplicación en las radio de galena. Los diodos de cristal están obsoletos, pero todavía pueden conseguirse diodos de cristal de germanio de algunos fabricantes. Al hilo de metal en inglés le llaman "cat whisker", y de ahí se ha traducido literalmente al español como "bigote de gato".

Diodo de corriente constante: Realmente es un JFET, con su compuerta conectada a la fuente, y funciona como un limitador de corriente de dos terminales análogo al diodo Zener, el cual limita el voltaje. Permiten una corriente a través de ellos para alcanzar un valor adecuado y así estabilizarse en un valor específico. También suele llamarse CLDs (por sus siglas en inglés) o diodo regulador de corriente.

Diodo túnel o Esaki: Tienen una región de operación que produce una resistencia negativa debido al efecto túnel, permitiendo amplificar señales y circuitos muy simples que poseen dos estados. Debido a la alta concentración de carga, los diodos túnel son muy rápidos, pueden usarse en temperaturas muy bajas, campos magnéticos de gran magnitud y en entornos con radiación alta. Por estas propiedades, suelen usarse en viajes espaciales.

Diodo Gunn: Similar al diodo túnel son construidos de materiales como GaAs o InP que produce una resistencia negativa. Bajo condiciones apropiadas, las formas de dominio del dipolo y propagación a través del diodo, permitiendo osciladores de ondas microondas de alta frecuencia.

Diodo emisor de luz o LED del acrónimo inglés, light-emitting diode: Es un diodo formado por un semiconductor con huecos en su banda de energía, tal como arseniuro de galio, los portadores de carga que cruzan la unión emiten fotones cuando se recombinan con los portadores mayoritarios en el otro lado. Dependiendo del material, la longitud de onda que se pueden producir varía desde el infrarrojo hasta longitudes de onda cercanas al ultravioleta. El potencial que admiten estos diodos dependen de la longitud de onda que ellos emiten: 2.1V corresponde al rojo, 4.0V al violeta. Los primeros ledes fueron rojos y amarillos. Los ledes blancos son en realidad combinaciones de tres ledes de diferente color o un led azul revestido con un centelleador amarillo. Los ledes también pueden usarse como fotodiodos de baja eficiencia en aplicaciones de señales. Un led puede usarse con un fotodiodo o fototransistor para formar un optoacoplador.

Diodo láser: Cuando la estructura de un led se introduce en una cavidad resonante formada al pulir las caras de los extremos, se puede formar un láser. Los diodos láser se usan frecuentemente en dispositivos de almacenamiento ópticos y para la comunicación óptica de alta velocidad.

Diodo térmico: Este término también se usa para los diodos convencionales usados para monitorear la temperatura a la variación de voltaje con la temperatura, y para refrigeradores termoeléctricos para la refrigeración termoeléctrica. Los refrigeradores termoeléctricos se hacen de semiconductores, aunque ellos no tienen ninguna unión de rectificación, aprovechan el comportamiento distinto de portadores de carga de los semiconductores tipo P y N para transportar el calor.

Fotodiodos: Todos los semiconductores están sujetos a portadores de carga ópticos. Generalmente es un efecto no deseado, por lo que muchos de los semiconductores están empacados en materiales que bloquean el paso de la luz. Los fotodiodos tienen la función de ser sensibles a la luz (fotocelda), por lo que están empacados en materiales que permiten el paso de la luz y son por lo general PIN (tipo de diodo más sensible a la luz). Un fotodiodo puede usarse en celdas solares, en fotometría o en comunicación óptica. Varios fotodiodos pueden empacarse en un dispositivo como un arreglo lineal o como un arreglo de dos dimensiones. Estos arreglos no deben confundirse con los dispositivos de carga acoplada.

Diodo de punta de contacto: Funcionan igual que los diodos semiconductores de unión mencionado anteriormente aunque su construcción es más simple. Se fabrica una sección de semiconductor tipo n, y se hace un conductor terminado en punta aguda con un metal del grupo 3 (generalmente acero-wolframio), de manera que haga contacto con el semiconductor. Algo del metal migra hacia el semiconductor para hacer una pequeña región de tipo p cerca del contacto. El muy usado 1N34 (de fabricación alemana) aún se usa en receptores de radio como diodo detector y ocasionalmente en dispositivos analógicos especializados.

Un diodo PIN tiene una sección central sin doparse o en otras palabras una capa intrínseca formando una estructura p-intrínseca-n. Son usados como interruptores de alta frecuencia y atenuadores. También son usados como detectores de radiación ionizante de gran volumen y como fotodetectores. Los diodos PIN también se usan en la electrónica de potencia y su capa central puede soportar altos voltajes. Además, la estructura del PIN puede encontrarse en dispositivos semiconductores de potencia, tales como IGBTs, MOSFETs de potencia y tiristores.

Diodo Schottky: El diodo Schottky están construidos de un metal a un contacto de semiconductor. Tiene una tensión de ruptura mucho menor que los diodos pn. Su tensión de ruptura en corrientes de 1mA está en el rango de 0.15V a 0.45V, lo cual los hace útiles en aplicaciones de fijación y prevención de saturación en un transistor. También se pueden usar como rectificadores con bajas pérdidas aunque su corriente de fuga es mucho más alta que la de otros diodos. Los diodos Schottky son portadores de carga mayoritarios por lo que no sufren de problemas de almacenamiento de los portadores de carga minoritarios que ralentizan la mayoría de los demás diodos (por lo que este tipo de diodos tiene una recuperación inversa más rápida que los diodos de unión pn). Tienden a tener una capacitancia de unión mucho más baja que los diodos pn que funcionan como interruptores veloces y se usan para circuitos de alta velocidad como fuentes conmutadas, mezclador de frecuencias y detectores.

El stabistor (también llamado Diodo de Referencia en Directa) es un tipo especial de diodo de silicio cuyas características de tensión en directa son extremadamente estables. Estos dispositivos están diseñados especialmente para aplicaciones de estabilización en bajas tensiones donde se requiera mantener la tensión muy estable dentro de un amplio rango de corriente y temperatura.

Diodo Varicap: El diodo Varicap conocido como diodo de capacidad variable o varactor, es un diodo que aprovecha determinadas técnicas constructivas para comportarse, ante variaciones de la tensión aplicada, como un condensador variable. Polarizado en inversa, este dispositivo electrónico presenta características que son de suma utilidad en circuitos sintonizados (L-C),​ donde son necesarios los cambios de capacidad.

Bibliografía

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Diodo - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Este aviso fue puesto el 16 de agosto de 2016. Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido,​ bloqueando el paso si la corriente circula en sentido contrario, no solo sirve para la circulación de corriente eléctrica sino que este la controla y resiste.

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En la electricidad, se denomina fusible a un dispositivo constituido por un soporte adecuado y un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda cuando la intensidad de corriente supere un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

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En la electricidad, se denomina fusible a un componente constituido por un soporte adecuado y un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda (por efecto Joule) cuando la intensidad de corriente supere (por un cortocircuito o un exceso de carga) un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

El fusible eléctrico, denominado inicialmente aparato de energía y de protección contra sobrecarga de corriente eléctrica por fusión, es el componente más antiguo de protección contra posibles fallos en circuitos eléctricos, apareciendo las primeras citas bibliográficas en el año 1774, momento en el que se le empleaba para proteger a condensadores de daños frente a corrientes de descarga de valor excesivo. Durante la década de 1880 es cuando se reconoce su potencial como dispositivo protector de los sistemas eléctricos, que estaban recién comenzando a difundirse. Desde ese momento, hasta la actualidad, los numerosos desarrollos y la aparición de nuevos diseños de fusibles han avanzado al paso de la tecnología, y es que, a pesar de su aparente simplicidad, este dispositivo posee en la actualidad un muy elevado nivel tecnológico, tanto en lo que se refiere a los materiales usados como a las metodologías de fabricación. El fusible coexiste con otros dispositivos protectores, dentro de un marco de cambios tecnológicos muy acelerados que lo hacen aparecer como pasado de moda u obsoleto, lo que no es así.

Este concepto se entiende con mayor facilidad cuando se describe el campo de aplicación actual, cuyos parámetros nominales poseen rangos muy amplios. Las tensiones de trabajo van desde unos pocos voltios hasta 132 kV; las corrientes nominales, desde unos pocos mili amperios hasta 6 kA, y las capacidades de ruptura alcanzan en algunos casos los 200 kA.

La producción anual de fusibles supera los 30 millones de unidades. Una industria de tamaño medio puede tener instalados algunos centenares de fusibles y en un automóvil moderno pueden encontrarse en uso entre 40 y 60 fusibles. La mayoría de los equipos electrónicos poseen al menos un fusible. Sus tamaños pueden ser tan pequeños como la cabeza de un fósforo de madera, y en el otro extremo, o sea para aplicaciones de alta tensión y con alta potencia de corto circuito, se encuentran fusibles cuyo peso ronda los 20 kilogramos.

Las estadísticas de producción a nivel mundial indican el crecimiento constante del mercado. Para algunos tipos de fusibles el crecimiento es muy elevado, como es el caso de los dispositivos para circuitos electrónicos de baja potencia y los elementos para uso en automóviles. En cambio, para los fusibles tradicionales (baja y media tensión, y alta capacidad de ruptura) se estima un crecimiento con menor velocidad, del orden del crecimiento de los sistemas eléctricos, que ronda el 3 % anual.

El principio de funcionamiento del fusible es muy simple: se basa en intercalar un elemento más débil en el circuito, de manera tal que cuando la corriente alcance niveles que podrían dañar a los componentes del mismo, el fusible se funda e interrumpa la circulación de la corriente. Que el elemento fusible o eslabón débil del circuito alcance la fusión no implica necesariamente que se interrumpa la corriente, siendo esta diferencia la clave para entender la tecnología involucrada en el aparentemente simple fusible.

A lo largo de los años han ido apareciendo fusibles para aplicaciones específicas, tales como proteger líneas, motores, transformadores de potencia, transformadores de tensión, condensadores, semiconductores de potencia, conductores aislados (cables), componentes electrónicos, circuitos impresos, circuitos integrados, etc. Estos tipos tan diversos de fusibles poseen características de selección muy distintas, lo que hace compleja su correcta selección.

Este rango tan amplio requiere que el usuario de fusibles posea un importante nivel de conocimientos, que no es fácil de adquirir por la falta de material informativo de fácil acceso.

Hay que considerar otro factor importante, que es la existencia de fusibles respondiendo a normalizaciones de diversos países. Cuando se habla de los sistemas de distribución de energía eléctrica, se emplean en nuestro medio fusibles de alta potencia respondiendo fundamentalmente a normas europeas, pero para la distribución de media tensión y baja potencia, se emplean elementos afines a la normalización norteamericana.

La normalización europea, en la actualidad prácticamente se ha unificado en las normas IEC (International Electrotechnical Commission), pero en nuestro medio todavía hay infinidad de dispositivos instalados cuyo origen proviene de tiempos anteriores a la unificación. La situación se empeora mucho cuando se hace referencia a los fusibles instalados en equipos, ya sean industriales, electrodomésticos o electrónicos, pues los dispositivos responden a las normas del país de origen del equipamiento.

El abanico de posibilidades de fusibles para equipos de baja tensión es prácticamente ilimitado, pudiendo afirmarse que cada país del mundo está representado con algún fusible. Frente a esta situación, la reposición del fusible es muy difícil de lograr, por lo que debe recurrirse al reemplazo por el dispositivo de características tan parecidas como sea posible, lo que nuevamente requiere de un buen nivel de conocimientos por parte del usuario.

El fusible fue el primer componente de protección usado en los sistemas eléctricos desde hace más de 212 años, cuyo desarrollo puede dividirse para su estudio en doce etapas. La historia de los fusibles y la primera etapa de su desarrollo comienza en el año 1674, momento en el cual se publican los resultados de la extensa investigación llevada a cabo por Rave. Estos experimentos consistían en el estudio del efecto de la electricidad sobre las plantas, animales y voluntarios humanos, para lo cual se producían corrientes elevadas mediante descargas de condensadores (botellas de vidrio recubiertas internamente y externamente con placas metálicas), protegiendo a los elementos con un conductor de baja sección. Posteriormente, fueron apareciendo artículos describiendo muchos experimentos y explicando algunas aplicaciones extremadamente simples, como por ejemplo: la protección de sistemas telegráficos, llegaron a la década de 1880.

Debe recordarse que en esos momentos se trabajaba solamente en corriente continua, por lo que además de la fusión debía producirse la rápida separación de los electrodos a fin de apagar el arco eléctrico. Los primeros diseños de fusibles eran de tipo abierto, por lo que el elemento conductor, cuando fundía era expulsado en forma de gotas, con mayor o menos violencia según la energía de corriente que lo fundía. El riesgo de incendio y de daño personal era muy elevado, con lo que se comenzó a introducir al elemento fusible en tubos de vidrio con ambos extremos abiertos, disminuyendo los riesgos citados, sin anularlos totalmente. Este tipo de fusible, no se podían tapar los extremos del tubo, ya que el resultado cuando operaba en corrientes altas, era su explosión.

En el año 1880, más precisamente el 4 de mayo, [[tio rene |Edison]] presenta la primera patente sobre fusibles, con el número 227226, la cual tiene lugar en Estados Unidos, en la cual se indica que el fusible es el elemento débil del circuito, ya que la presencia de sobrecorrientes peligrosas para el circuito lo harían fundirse y cortar la circulación de corriente. En ese momento, la principal aplicación era en la protección de las costosas lámparas eléctricas, que se dañaba por la sobrecorriente y las sobretensiones que se generaban en la pobreza de los reguladores de tensión usados en esa época. El primer fusible cerrado fue patentado por W. M. Mordey en Inglaterra en el año 1890.

Siguiendo a las primeras patentes, pueden encontrarse infinidad de diseños introduciendo ideas sumamente ingeniosas, muchas de ellas en la dirección de permitir que el fusible fuera reusable, o sea, no debiera descartarse después de haber operado.

Ya en ese momento se entendió que unas de las claves de uso del fusible radicaba en su elevada confiabilidad, elemento que se ve seriamente perjudicado con los agregados necesarios para permitir que el fusible fuera re-usable. De tiempo en tiempo, aún en la actualidad, surgen ideas nuevas para alcanzar ese objetivo, pero su aplicabilidad es baja o nula, por lo cual, el elemento fusible sigue siendo descartable o de una sola operación.

Se puede considerar que la segunda etapa comienza en el año 1906, con la publicación del libro del investigador alemán Meyer, en la cual se presenta un análisis del proceso de fusión, mucho más científico que en los artículos previos. Durante esta etapa, los investigadores dedicaron sus esfuerzos principalmente a la predicción de la relación entre el material y dimensiones de elemento fusible con el tiempo tardado por el mismo en alcanzar la fusión. Se comienza a entender el comportamiento térmico del fusible, la conducción axial y radial, el efecto de los terminales, etc. En ese momento se definió el principal parámetro de trabajo del fusible para esa época, la corriente mínima de fusión. En esa publicación se presenta la denominada constante de Meyer, valor que permite determinar el tiempo de fusión de un fusible por la densidad de corriente que lo atraviesa y en función del material empleado, bajo condiciones adiabáticas (sin intercambio de calor). En forma analítica, la constante de Meyer es el valor de la integral de la densidad de corriente elevada al cuadrado, la cual almacena en el elemento una cantidad de calor suficiente para provocar la fusión, integral que recibió el nombre de energía específica.

La idea en esa etapa de desarrollo, era en que si el elemento alcanzaba la fusión, eventualmente interrumpiría la sobrecorriente. Al poco tiempo se reconoció que cumplir con el primer requisito no siempre significaba el cumplimiento del segundo. En esa etapa, las energías liberadas por los sistemas eléctricos en casos de fallas comenzaron a superar a la capacidad del fusible para su interrupción, por lo que comenzó a ser común la explosión del fusible. El bajo nivel de conocimientos del momento sobre el proceso de interrupción, no permitía reconocer donde radicaba el problema. Era normal encontrar en los manuales de instrucciones sobre el manejo de fusibles, indicaciones que hoy parecen ridículas, como que

"el operario debía aproximarse al fusible de costado para reducir el perfil expuesto a la explosión, con el brazo izquierdo cubierto con una manga de cuero, el cual debía desplazarse hacia arriba hasta cubrir los ojos y recién operar con la mano derecha enguantada", o que "el operario solo puede operar fusibles cuando está acompañado por otro trabajador".

En esta etapa del desarrollo, los sistemas eléctricos comenzaron a migrar de corriente continua a corriente alterna, por lo que se construyen líneas de distribución de longitud importante y se empieza a elevar la tensión de trabajo, ya teniéndose sistemas con algunas decenas de kilovoltios. En esa altura de desarrollo se disponía fusibles abiertos, capaces de funcionar desde unos pocos voltios hasta los 70 kV, recibiendo el nombre de fusible de expulsión, poseyendo muy poca capacidad de interrupción de corriente.

Los dispositivos de alta tensión se instalaban en lugares solitarios y en puntos elevados del poste, para reducir el riesgo de daño por los elementos expulsados. Esto significaba que solo podía emplearse fusibles en esas tensiones para corrientes muy bajas quedando relegados a los sistemas de distribución de baja potencia y rurales.

Para la protección y operación de estos sistemas de mayor tensión, existían interruptores basados en la extinción en aceite, naciendo la idea de emplear una combinación de interruptor en aceite y fusible, denominado fusible líquido o de aceite. El elemento fusible, tensionado por un resorte, se encuentra dentro que el fusible se debilita por la temperatura alcanzada, el resorte lo corta y desplaza, alargando el arco eléctrico que se apaga en aceite. Este dispositivo, en uso durante varios años, permitía potencias de interrupción mucho mayores que las de expulsión.

La gran variedad de diseños disponibles comercialmente y las diferencias en los criterios de diseño y aplicación, condujeron a la necesidad de normalizar, momento en el cual se comienza a trabajar en las normal específicas a fin de poder garantizar uniformidad e intercambiabilidad entre fabricantes. Se aprueban normas sobre fusibles en Norteamérica, Alemania e Inglaterra, que eran los países que lideraban el desarrollo.

Se exploró la idea de colocar el elemento fusible inmerso en material de relleno, probándose con las siguientes substancias: tiza, mármol, ladrillo molido, arena, mica, carborudurm y amianto, sin alcanzar resultados concluyentes.

La tercera etapa se considera que se inicia con el nacimiento del dispositivo denominado Fusible de potencia o fusible con material exterior con relleno, que fue introducido por investigadores alemanes durante la década de 1940. Durante esa etapa, se efectuaron extensos estudios sobre el fenómeno de extinción del arco eléctrico y la influencia del relleno, determinando que el mejor elemento extintor era y todavía lo es hoy, la arena de cuarzo. La idea del empleo de la arena de cuarzo nace de su ya difundido uso para el apagado de incendios.

A continuación se presentó la cuarta etapa denominada la era oscura del fusible, que fue el período en el cual se desencadenó la Segunda Guerra Mundial. En esta etapa, se produjo un rápido incremento de las energías de falla de los ya importantes sistemas eléctricos, que superó en muy corto tiempo a los desarrollos pendientes a suministrar al fusible la capacidad de ruptura para manejaras. Además, contemporáneamente se introdujo el interruptor automático magneto térmico, que como competidor amenazó seriamente, al en ese momento atrasado fusible. Esta situación se mantuvo hasta aproximadamente el año 1945, es decir, hasta finales de la Segunda Guerra Mundial, momento en el que comenzaron a aparecer nuevos e ingeniosos diseños de fusibles, con una importante variedad en distintos tipos y aplicaciones.

La introducción de innovaciones importantes para mejorar el comportamiento del fusible marcó el inicio de la quinta etapa. Tales innovaciones son, fundamentalmente: el agregado del denominado efecto, uso de elemento fusible con reducciones de sección distribuidas, utilización de material extintor como relleno, etcétera. Tales características pusieron nuevamente al fusible en condiciones de competir con el recién llegado interruptor magnetotérmico, superándolo el fusible en lo que se refiere a capacidad de ruptura y fiabilidad. El fusible de elevada capacidad de interrupción, alcanzó niveles de tensión del orden de los 60 kV, con lo que se introdujo en el campo en el que hasta ese momento era casi exclusivo para los interruptores. Desde ese momento y hasta la actualidad, el fusible es el dispositivo con mayor capacidad volumétrica en el manejo de energía de fallas, lo que se logra con la rápida intervención, fenómenos que se denominan limitación, que significa que el fusible anula la corriente sin esperar su paso natural por cero.

Este período coincidió con la gran expansión mundial que le siguió al final de la guerra, creciendo el tamaño y la demanda de los sistemas eléctricos, dando lugar al nacimiento de grandes empresas fabricantes de fusibles, fundamentalmente en Europa y Norteamérica.

La sexta etapa se originó con la introducción del semiconductor de estado sólido, que tuvo lugar en los comienzos de la década del 1950, si bien los semiconductores con potencias recientemente importantes vieron la luz durante la década de 1970. Los semiconductores de potencia poseen característica de operación totalmente diferentes a los sistemas eléctricos. Basada tal diferencia, fundamentalmente, en su elevada densidad de energía bajo condiciones de funcionamiento nominal y su reducida capacidad térmica. En otras palabras, los semiconductores de potencia, manejaban elevados valores de energía en muy pequeño volumen, pero poseían muy baja capacidad para soportar sobrecorrientes del tipo corto-circuito. Estas características requerían de un nuevo tipo de dispositivos protectores.

El fusible resulta muy superior a los restantes dispositivos protectores para esta tarea, función que todavía hoy sigue liderando. La adaptación del fusible tradicional, para cumplir con esta nueva función no fue rápidamente lograda, ya que inicialmente los fabricantes pre-existentes de fusibles no fueron capaces de desarrollar el fusible adecuado. Ante esta dificultad, las fábricas de semiconductores de potencia crearon sus propias divisiones de desarrollo de fusibles específicos para sus semiconductores. No obstante, en un breve espacio de tiempo los fabricantes de fusibles pudieron entender los requerimientos del semiconductor, armonizando parámetros y características, haciéndose cargo de la fabricación de los mismos. Las fábricas de fusibles pertenecientes a los fabricantes de semiconductores fueron lentamente desapareciendo, al haber tomando nuevamente los expertos el negocio en sus manos.

Desde ese momento, hasta aproximadamente la década del 1990, la velocidad del desarrollo de fusibles se redujo en gran medida, fundamentalmente debido a la fuerte posición de estos dispositivos en los sistemas eléctricos. En ese período, no se produjo ninguna innovación excepcional en el desarrollo de los fusibles, salvo la habilidad de realizar estudios analíticos muchos más precisos empleando el poder de las computadoras y técnicas de análisis tales como las de elementos finitos, diferencias finitas, Transmission Line Network, etcétera. Tales estudios analíticos, permitieron comprender mejor el funcionamiento y facilitaron la optimización de las dimensiones y materiales empleados en los dispositivos. Además no debe olvidarse la política comercial sumamente agresiva y muchas veces con poco fundamento técnico de los fabricantes de interruptores termo-magnéticos de baja tensión, que son presentados como la panacea de los dispositivos de protección.

En la década del 1990 se inicia la séptima etapa de desarrollo de fusibles, que se puede considerar como generada por el denominado Fusible Delgado. Uno de los campos de aplicación más difícil del fusibles es para corrientes nominales bajas, del orden desde las fracciones de amperes hasta no más de 10 A. Para operar adecuadamente con estas corrientes nominales, el elemento fusible debe poseer dimensiones tan pequeñas, que lo vuelven inmanejable en el armado, desde el punto de vista mecánico. Aparece así el denominado Fusible en Sustrato, que consiste en el material conductor depositado sobre una placa de aislante, similar a los circuitos impresos ampliamente desarrollados para el armado de los dispositivos electrónicos. Se emplean varias técnicas de deposición del material conductor, como es la fotográfica y ataque por ácido empleada en los circuitos impresos, deposición en vacío usada en las plateados de materiales no conductores, máscara permeable aplicada en el etiquetado, etc. Como sustrato se utiliza alúmina, ailicio, mica, etc. En la actualidad se encuentran en desarrollo, fusibles de dimensiones aun menores, denominados fusibles litográficos, ya que se obtienen por el conocido método de offset, empleando sustrato muy delgado y flexible. La necesidad de fusibles de bajo tamaño es cada vez mayor, por la miniaturización de la electrónica, pudiendo afirmar que cada equipo electrónico moderno posee en la actualidad uno o más fusibles, como por ejemplo los teléfonos móviles, las cámaras fotográficas digitales, filmadoras, etc. Otro campo de muy alto desarrollo actual fusible para automotores, debido al agregado cada vez mayor de electrónica y electricidad en el automóvil. Éste, totalmente eléctrico o simplemente híbrido, contiene muchísimos circuitos eléctricos y con ellos un gran número de fusibles. El próximo desarrollo que se espera de fusibles, que daría lugar a la próxima etapa, es el agregado de capacidad o habilidad de toma de decisiones o de adaptación, que haría que su operación sea modificada por condiciones de trabajo independientemente de la magnitud de la corriente. Dando así lugar al denominado fusible inteligente, del que ya se están produciendo algunos avances todavía incipientes y muy protegidos por sus posibilidades de ser patentados.

Características nominales: Términos generales para designar cada una de las magnitudes características que definen en conjunto las condiciones de funcionamiento para las que ha sido diseñado el dispositivo y a partir de las cuales se determinan las condiciones de ensayo.

Corriente presunta de un circuito: Corriente que fluiría en un circuito si el cortacircuito fuera reemplazado por una lámina de impedancia despreciable, sin ningún otro camino ni en el circuito ni en la fuente.

Corriente presunta de ruptura: La corriente presunta correspondiente al instante de iniciación del arco durante la operación de ruptura.

Capacidad de ruptura: Corriente presunta de ruptura que un fusible es capaz de interrumpir en las condiciones prescritas.

Corriente de ruptura límite El valor máximo instantáneo alcanzado por la corriente durante la operación de ruptura del fusible, cuando opera en forma de evitar que la corriente alcance el valor máximo al que llegaría en ausencia del cortacircuito.

Tiempo de pre-arco: Lapso entre el comienzo de la circulación de una corriente suficiente como para fundir a los elementos fusibles y el instante en que se inicia el arco.

Tiempo de operación: Suma del tiempo de pre-arco y el tiempo de arco.

Integral de Joule (I² t): La integral del cuadrado de la corriente presunta de ruptura.

Tiempo virtual: I² t dividido por el cuadrado de la corriente presunta de ruptura.

Tensión de restablecimiento: Tensión que aparece entre bornes de un cortacircuito después de la ruptura de la corriente.

Tensión de ruptura: Valor máximo de la tensión, expresado en valor de cresta, que aparece entre los bornes del cortacircuito durante la operación del fusible.

Los fusibles pueden clasificarse empleando diversas características constructivas u operativas, existiendo numerosos antecedentes con distintos criterios. Por ejemplo si se dividen sobre la base de su propiedad de ser reutilizables, se pueden clasificar en:

Descartable, no es posible reutilizarlos una vez que actúan, deben reemplazarse.

Renovable, se pueden reutilizar más de una vez sin necesidad de reemplazarlos (por ejemplo los fusibles reseteables de TE Connectivity: PolySwitch[1] ​).

Inteligente, se reutiliza solo la porción no usada.

Fusibles de pólvora de baja tensión en un poste en plena calle.

Tres fusibles de rosca para proteger la instalación eléctrica de una residencia.

Se pueden clasificar según su tamaño y en función de su clase de servicio.

Cartuchos cilíndricos:

Tipo CI00, de 8,5 × 31,5 mm, para fusibles de 1 a 25 A.

Tipo CI0, de 10 × 38 mm, para fusibles de 2 a 32 A.

Tipo CI1, de 14 × 51 mm, para fusibles de 4 a 40 A.

Tipo CI2, de 22 × 58 mm, para fusibles de 10 a 100 A.

Fusibles tipo D:

Tamaño de 25 A, para fusibles de 2 a 25 A.

Tamaño de 63 A, para fusibles de 35 y 50 A.

Tamaño de 100 A, para fusibles de 80 y 100 A.

Fusibles tipo D0:

Tipo D01, para fusibles de 2 a 16 A.

Tipo D02, para fusibles de 2 a 63 A.

Tipo D03, para fusibles de 80 y 100 A.

Fusible D02, 63 A.

Fusibles tipo de cuchillas o también llamados NH de alto poder de ruptura (APR):

Tipo CU0, para fusibles desde 50 hasta 1250 A.

Tipo CU1, para fusibles desde 160 hasta 250 A.

Tipo CU2, para fusibles desde 250 hasta 400 A.

Tipo CU3, para fusibles desde 500 y 630 A.

Tipo CU4, para fusibles desde 800 hasta 1250 A.

Otra denominación de los fusibles de cuchillas o NH:

Tamaño 00 (000), 35 a 100 A

Tamaño 0 (00), 35 a 160 A

Tamaño 1, 80 a 250 A

Tamaño 2, 125 a 400 A

Tamaño 3, 315 a 630 A

Tamaño 4, 500 a 1000 A

Tamaño 4a, 500 a 1250 A

En cuanto a la clase de servicio, los fusibles vienen designados mediante dos letras; la primera nos indica la función que va a desempeñar, la segunda el objeto a proteger:

Primera letra. Función.

Categoría "g" (general purpose fuses) fusibles de uso general.

Categoría "a" (accompanied fuses) fusibles de acompañamiento.

Segunda letra. Objeto a proteger.

Objeto "I": Cables y conductores.

Objeto "M": Aparatos de conexión.

Objeto "R": Semiconductores.

Objeto "B": Instalaciones de minería.

Objeto "Tr": Transformadores.

La combinación de ambas letras nos da múltiples tipos de fusibles, pero tan solo pondré los más habituales o utilizados:

Tipo gF: Fusible de fusión rápida. Protege contra sobrecargas y cortocircuitos.

Tipo gT: Fusible de fusión lenta. Protege contra sobrecargas sostenidas y cortocircuitos.

Tipo gB: Fusibles para la protección de líneas muy largas.

Tipo aD: Fusibles de acompañamiento de disyuntor.

Tipo gG/gL: Norma CEI 269-1, 2, 2-1. Es un cartucho limitador de la corriente empleado fundamentalmente en la protección de circuitos sin puntas de corriente importantes, tales como circuitos de alumbrado, calefacción, etc.

Tipo gI: Fusible de uso general. Protege contra sobrecargas y cortocircuitos, suele utilizarse para la protección de líneas aunque se podría utilizar en la protección de motores.

Tipo gR: Semiconductores.

Tipo gII: Fusible de uso general con tiempo de fusión retardado.

Tipo aM: Fusibles de acompañamiento de motor, es decir, para protección de motores contra cortocircuitos y por tanto deberán ser protegido el motor contra sobrecargas con un dispositivo como podría ser el relé térmico.

En general cuando se funde un fusible por la causa que sea el resto de los fusibles que no han fundido muy posiblemente hayan perdido las características de fábrica al ser atravesados por corrientes y tensiones que no son las nominales, es por eso que en un sistema trifásico cuando funde un fusible lo correcto es cambiar los tres así como en un sistema monofásico lo correcto es cambiar ambos fusibles cuando uno de ellos ha fundido.

Fusible NH con su maneta de extracción.

Al cambiar los fusibles NH utilizar siempre la maneta y NO utilizar los alicates universales para retirar estos fusibles y menos con tensión.

Los fusibles de cuchillas o los de cartucho pueden llevar percutor y/o indicador de fusión, el percutor es un dispositivo mecánico que funciona cuando funde el fusible que hace moverse un percutor que generalmente acciona un contacto que señaliza la fusión del fusible y/o actuar una alarma.

Fusible utilizado en instalaciones ferroviarias, el punto rojo que se ve arriba es el percutor que en caso de fundir sobresaldría, encima de este percutor se alojaría el contacto que acciona la señal de fusible fundido. Foto viatger.

El indicador de fusión es una especie de círculo que salta cuando el fusible ha fundido, el color indica el amperaje según la siguiente tabla:

Existen muchos tipos de fusibles, vamos a repasar los más importantes:

Fusibles cilíndricos de vidrio que se suelen utilizar como protectores en receptores como electrodomésticos, radios, fuentes de alimentación, centralitas detectoras de incendios, etc.

Cuando se cambian estos fusibles se deben sustituir por otro de las mismas características, no tan solo se debe mirar la tensión y amperaje que soporta además se debe tener en cuenta la letra que lleva antes del amperaje porque según cual sea la letra (F, FF, T, etc.) el fusible es más o menos rápido en su fusión. Ejemplo: si sustituimos un fusible de tipo T o TT por otro igual pero de apertura más rápida (F ó FF), el resultado será normalmente la fusión inmediata en el momento de energizar el equipo que incorpora el fusible, sin que haya avería alguna.

Tabla fusibles de vidrio. Letras indicadoras del comportamiento a la fusión del fusible.

La norma o estándar IEC 60127 indica cinco tipos de fusibles, en función de la característica tiempo/corriente, definiendo cada tipo de acuerdo con el tiempo requerido para cortar diez veces la corriente nominal:

FF = ( Fast, fast) muy rápido. Tiempo de actuación inferior a 1 ms

F = ( Fast) rápido. Tiempo de actuación entre 1 y 10 ms

M= retardo medio

T= retardado ( Slow Blow). Tiempo de actuación entre 10 y 100 ms

TT= ultra retardado o muy lento. Tiempo de actuación entre 100 ms y 1 segundo

Fusibles para vehículos. En los fusibles para vehículos normalmente viene indicado en el manual de entretenimiento del coche cuales son los amperajes que deben ir en cada circuito no obstante el amperaje se indica mediante un código de colores:

Fusibles para semiconductores.

Fusible de expulsión para alta tensión.

Diferentes representaciones del fusible según diversas normas.

Fusible de 10 A plano para modelo Metrópoli, aunque quedan aún instalados se tiende a su sustitución. Foto viatger.

Diversos tipos de fusibles utilizados en instalaciones ferroviarias. Foto viatger.

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Fusible - Wikipedia, la enciclopedia libre

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En la electricidad, se denomina fusible a un componente constituido por un soporte adecuado y un filamento o lámina de un metal o aleación de bajo punto de fusión que se intercala en un punto determinado de una instalación eléctrica para que se funda (por efecto Joule) cuando la intensidad de corriente supere (por un cortocircuito o un exceso de carga) un determinado valor que pudiera hacer peligrar la integridad de los conductores de la instalación con el consiguiente riesgo de incendio o destrucción de otros elementos.

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Es la unidad derivada del Sistema Internacional para el potencial eléctrico, la fuerza electromotriz y la tensión eléctrica. Recibe su nombre en honor a Alessandro Volta.

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Es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el sistema internacional de unidades y recibió ese nombre en honor al matemático y físico francés André-Marie Ampère.

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Amperio - Wikipedia, la enciclopedia libre

# data[].attributes.attachment_link.description
El amperio​ o ampere​ (símbolo A) es la unidad de intensidad de corriente eléctrica. Forma parte de las unidades básicas en el sistema internacional de unidades y fue nombrado en honor al matemático y físico francés André-Marie Ampère (1775-1836).

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Un cortocircuito es una falla producida en un dispositivo o en una línea eléctrica cuando dos conductores que poseen polaridades distintas entran en contacto, por lo general, por problemas en su cobertura aislante, como por ejemplo al quedar sumergidos en un medio conductor, como puede ser el agua, o por entrar en contacto de manera accidental por vientos fuertes o por rotura de las sujeciones. Esta circunstancia provoca la pérdida de la resistencia y equilibrio del circuito.

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Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

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Se denomina transformador a un elemento eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

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Transformador

Pequeño transformador eléctrico

Tipo

Pasivo

Principio de funcionamiento

Inducción electromagnética

Invención

Zipernowsky, Bláthy y Deri ( 1884)

Primera producción

En 1886

Símbolo electrónico

Terminales

Dos terminales para el bobinado primario y dos para el bobinado secundario o tres si tiene tap o toma central

Se denomina transformador a un elemento 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.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la inducción electromagnética. Está constituido por dos 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. También existen transformadores con más devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el secundario.

El funcionamiento de los transformadores se basa en el fenómeno de la inducción electromagnética, cuya explicación matemática se resume en las ecuaciones de Maxwell.

Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario o inductor, producida esta por la corriente eléctrica que lo atraviesa, se produce la inducción de un flujo magnético en el núcleo de hierro. Según la ley de Faraday, si dicho flujo magnético es variable, aparece una fuerza electromotriz en el devanado secundario o inducido. De este modo, el circuito eléctrico primario y el circuito eléctrico secundario quedan acoplados mediante un campo magnético.

La tensión inducida en el devanado secundario depende directamente de la relación entre el número de espiras del devanado primario y secundario y de la tensión del devanado primario. Dicha relación se denomina relación de transformación.

Se considera un transformador ideal aquel en el que no hay pérdidas de ningún tipo. En la práctica no es realizable, pero es útil para comprender el funcionamiento de los transformadores reales. Estas son las condiciones que deben considerarse para un transformador ideal:

Los devanados primario y secundario tienen resistencia cero.

El flujo producido por los enlaces del devanado primario con el devanado secundario sin ningún flujo de fuga.

Se desprecian las pérdidas del transformador, es decir, las pérdidas del núcleo y del cobre.​

En un transformador ideal, debido a la inducción electromagnética, las tensiones en los devanados son proporcionales a la variación del flujo magnético que las atraviesa y al número de espiras del devanado. Puesto que el acoplamiento magnético de los devanados se considera perfecto, se deduce que la relación entre las tensiones es proporcional a la relación entre el número de espiras de los devanados. De este modo:

Se denomina relación de transformación a la relación de tensiones entre el primario y el secundario. También se puede expresar en función del número de espiras de los devanados.

Del mismo modo, al no considerarse ningún tipo de pérdidas, la potencia de entrada en el primario es igual a la potencia de salida en el secundario.

En la práctica, un transformador ideal no es físicamente realizable. Los transformadores reales se diferencian de los ideales en los siguientes aspectos:

Los arrollamientos o devanados tienen resistencia eléctrica y capacidades parásitas.

En el interior del núcleo hay corrientes parásitas o corrientes de Foucault.

El ciclo de magnetización y desmagnetización del núcleo consume energía debido a la histéresis magnética.

El acoplamiento magnético de los devanados no es perfecto, que se traduce en una inductancia o flujo de dispersión.

La permeabilidad magnética del núcleo depende de la frecuencia.

La saturación magnética del núcleo provoca que la inductividad de los devanados no sea constante.

El núcleo varía ligeramente su geometría debido a la magnetostricción.

La resistencia de los devanados, la histéresis del núcleo y las corrientes parásitas producen pérdidas de energía. Las pérdidas de energía debidas a la resistencia eléctrica de los arrollamientos se denominan pérdidas en el cobre. Las pérdidas por el efecto de la histéresis y por las corrientes parásitas se denominan pérdidas en el hierro.

Las pérdidas en el cobre dependen cuadráticamente de la corriente de carga del transformador, es decir, del cuadrado de la intensidad de cada arrollamiento. Las pérdidas en el hierro son prácticamente independientes del nivel de carga del transformador, pero proporcionales al cuadrado de la densidad de flujo magnético del núcleo. Así mismo, las pérdidas por histéresis son proporcionales a la frecuencia eléctrica, mientras que las corrientes parásitas son proporcionales al cuadrado de la frecuencia.

El flujo magnético de dispersión provoca que la tensión en el secundario sea algo menor que en un transformador ideal.

La saturación magnética limita la frecuencia mínima de funcionamiento o, dicho de otro modo, dada una frecuencia y un número de espiras, limita la tensión máxima posible del primario. Si se sobrepasan dichos límites y se satura el núcleo, aparecen grandes corrientes en el primario con poco o ningún efecto en la tensión del secundario. La saturación magnética se puede evitar incrementando el número de espiras en el primario (y por consiguiente también en el secundario) a cambio de un mayor volumen físico y mayores pérdidas en el cobre. La saturación magnética juega también un papel importante en la corriente de inserción; debido a corrientes en el primario varias veces la nominal, la saturación evita una sobrecarga en el secundario.

La corriente de inserción o corriente transitoria de magnetización es una corriente transitoria que se produce en el momento de conectar el transformador a la red. Su magnitud puede ser de 10 veces la corriente nominal hasta 100 veces en casos raros.​

El núcleo de un transformador es la zona por la que circula el campo magnético entre los devanados primario y secundario. Dependiendo de la finalidad del transformador, puede tener varias formas y estar constituido por diferentes materiales.

El núcleo está formado habitualmente por varias chapas u hojas de metal (generalmente material ferromagnético) que están apiladas una junto a la otra, sin soldar, similar a las hojas de un libro. La función del núcleo es mantener el flujo magnético confinado dentro de él y evitar que este fluya por el aire favoreciendo las pérdidas en el núcleo y reduciendo la eficiencia. La configuración por láminas del núcleo laminado se realiza para reducir las corrientes de Foucault y, consiguientemente, reducir las pérdidas de energía en el núcleo.

Algunos transformadores no tienen núcleo y se les denomina transformadores sin núcleo o con núcleo de aire. Un núcleo de aire es esencialmente un núcleo sin pérdidas por histéresis o corrientes de Foucault. Sin embargo, la inductancia de dispersión es muy alta, siendo inapropiados para la transmisión de potencia. Por el contrario, tienen un ancho de banda muy alto y se emplean frecuentemente en aplicaciones de radiocomunicación. Dentro del concepto de transformadores de núcleo de aire entran también los sistemas de carga inalámbrica y las bobinas de Tesla.

Alrededor de cada columna se arrolla un devanado. Una culata superior y una culata inferior cierran el circuito magnético del núcleo.

Además de las columnas, dos culatas laterales sin devanados se disponen a los lados. Evitan los flujos de dispersión.

El núcleo consiste en un anillo (toroide), normalmente de compuestos artificiales de ferrita, sobre el que se bobinan el primario y el secundario. Son más voluminosos, pero el flujo magnético queda confinado en el núcleo, teniendo flujos de dispersión muy reducidos y bajas pérdidas por corrientes de Foucault.

El núcleo está formado por una chapa de hierro de grano orientado, enrollada sobre sí misma, siempre en el mismo sentido, en lugar de las láminas de hierro dulce separadas habituales. Presenta pérdidas muy reducidas, pero es caro. La chapa de hierro de grano orientado puede ser también utilizada en transformadores orientados (chapa en E), reduciendo sus pérdidas.

En aplicaciones de alta frecuencia se emplean bobinados sobre un carrete sin núcleo o con un pequeño cilindro de ferrita que se introduce más o menos en el carrete, para ajustar su inductancia.

Las bobinas son generalmente de cobre enrollado en el núcleo. Según el número de espiras (vueltas) alrededor de una pierna inducirá un voltaje mayor. Se juega entonces con el número de vueltas en el primario versus las del secundario. En un transformador trifásico el número de vueltas del primario y secundario debería ser igual para todas las fases.

El devanado primario y secundario se suelen arrollar uno dentro del otro. La razón es reducir al máximo la inductancia de dispersión y aprovechar al máximo el núcleo magnético disponible. Entre los arrollamientos es necesario una capa aislante, puesto que ambos funcionan a tensiones diferentes. Para evitar tener espesores de capa aislante demasiado gruesos, lo más habitual es encontrar el devanado de baja tensión arrollado sobre el núcleo y el devanado de alta tensión arrollado sobre el devanado de baja tensión.

Debido a que las diferentes partes eléctricas de un transformador se encuentran a distintas tensiones, es necesario aislarlas entre sí para evitar la aparición de arcos eléctricos y consecuente degradación de los componentes. Existen varios tipos de aislamiento en un mismo transformador.

Aislamiento entre arrollamiento y núcleo - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.

Aislamiento entre distintos arrollamientos - En transformadores de alta tensión suele ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral.

Aislamiento entre espiras no consecutivas de un mismo arrollamiento - Dos espiras diferentes de un transformador tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas. En transformadores de alta tensión puede ser una lámina de papel impregnada en aceite mineral o una capa de laca sobre el cobre.

Aislamiento entre espiras consecutivas de un mismo arrollamiento - Incluso dos espiras consecutivas tienen distintos niveles de tensión y deben ser aisladas entre sí. Una fina capa de laca sobre el cobre suele hacer esta función.

Dependiendo del tamaño y finalidad del transformador, también puede tener los siguientes componentes.

El cambiador de tomas o derivaciones es un dispositivo electromecánico que puede ser accionado manualmente para cambiar la relación de transformación en un transformador. Típicamente, son cinco pasos o tomas: uno de ellos es neutral (representa la relación de transformación nominal) y los otros alteran la relación de transformación en más o menos el 2,5 % y más o menos el 5 % respectivamente. Esto ayuda, por ejemplo, a corregir la tensión en el secundario si esta cae demasiado en alguna barra del sistema.

Es un dispositivo mecánico que nivela el aumento de presión del transformador que pueden hacerlo explotar. Sin embargo, existen varios equipos que explotan a pesar de tener este dispositivo. Existen el relé de presión súbita para presiones transitorias y el relé de sobrepresión para presiones más permanentes.

Este accesorio indica la diferencia de presión entre el gas atrapado entre el aceite del transformador y su cuba y la presión atmosférica. Se utiliza exclusivamente con transformadores de tanque sellado en aceite, tipo de transformadores que se utilizan en instalaciones no mayores a 7500 kVA.

La presión en el gas atrapado entre el aceite y la cuba, sufre expansión o contracción debido a las variaciones de volumen en el líquido aislante, variaciones de temperatura ambiente o en la carga propia del transformador. Presiones altas negativas o positivas pueden indicar condiciones anormales en los transformadores, como fuga de gas o ingreso de elementos a la cuba.

Este accesorio es normalmente equipado con alarmas, que permiten detectar valores extremos de presión positiva o negativa.

Permitir presiones extremas en el gas que queda entre el aceite y la cuba puede causar deformaciones o ruptura en la cuba.

Las alarmas de este dispositivo se vinculan normalmente a otros dispositivos de protección de los transformadores como válvulas de alivio.​

En transformadores de un cierto tamaño y de refrigeración primaria en baño de aceite, se utiliza un depósito de expansión para absorber el aumento de volumen producido por el calentamiento del refrigerante.

En transformadores de gran tamaño y refrigeración en baño de aceite, se utiliza un relé de Buchholz para detectar fallos del dieléctrico (material aislante entre los arrollamientos). Este tipo de fallos generan un arco eléctrico en el interior del transformador que descomponen el aceite. Producto de dicha descomposición química, se generan gases que se acumulan en el relé de Buchholz, provocando el descenso del nivel de aceite. Un interruptor conectado al nivel de aceite dispara las protecciones y alarmas pertinentes.

Con el advenimiento de la electrónica y de la gran difusión que han tenido los microprocesadores, se encuentran hoy en el mercado distintos dispositivos que permiten realizar la protección de transformadores.

Hay dispositivos que incorporan funciones de protección especialmente diseñadas para transformadores, y que, adicionalmente, monitorean cambio en las protecciones electromecánicas incluidas en éstos; este monitoreo se da por medio de contactos digitales y se sensa su cambio de abierto a cerrado, dando como consecuencia la apertura de los interruptores asociados al transformador, el bloqueo de su cierre o alarmas.

Dentro de las funciones incorporadas en estos dispositivos de protección, se encuentran:

1. Sobreexcitación (ANSI 24)

2. Sobretemperatura (ANSI 49)

3. Protección diferencial de transformador (ANSI 87T)

4. Bloqueo de protecciones por detección de corriente inrush

Contiene las conexiones eléctricas para el control, relés de protección eléctrica, señales de control de válvulas de sobrepresión hacia dispositivos de protección.

Caracterización de un transformador

Para los cálculos de circuitos o líneas con transformadores, se utiliza un circuito equivalente que represente el comportamiento del transformador real. Para la mayoría de los casos, es suficiente con que dicho circuito equivalente represente el transformador en régimen permanente. Para el análisis de transitorios el circuito equivalente en régimen permanente no es suficiente y, por lo tanto, es necesario realizar ensayos adicionales que lleven a un circuito equivalente más complejo.

Los ensayos más comunes son:

Ensayo de vacío

Ensayo de cortocircuito

Ensayo de aislamiento

El ensayo de vacío permite determinar la impedancia de vacío o impedancia de excitación del transformador y la relación de transformación. La impedancia de vacío representa tanto la inductancia de magnetización del núcleo como las pérdidas en el hierro. Ambas se suelen considerar independientes del nivel de carga del transformador.

El ensayo de cortocircuito permite determinar la impedancia de cortocircuito o impedancia en serie del transformador. La impedancia de cortocircuito representa las pérdidas en el cobre de los devanados, así como la inductancia de dispersión y otras inductancias parásitas. Dependen del nivel de carga del transformador.

Se utiliza un megóhmetro o megger para medir la resistencia eléctrica entre dos partes aisladas del transformador. Sirve para medir el estado del dieléctrico o aislante entre fases o entre una fase y el chasis del transformador. La medida suele dar valores en el orden de los megaohmios, valor que se ve reducido si el aislante está deteriorado.

Transformador trifásico

Los transformadores trifásicos son muy importantes ya que están presentes en muchas partes del sistema eléctrico. Este tipo de transformadores se ocupa de la elevación y reducción de la tensión en diversas partes del sistema eléctrico: En generación cerca de los generadores para elevar la insuficiente tensión de estos, así como también en las líneas de transmisión y, por último, en distribución en donde se distribuye la energía eléctrica a voltajes menores hacia casas, comercios e industrias. Todos los transformadores desde el generador hasta la entrada a nuestros hogares o industrias son transformadores trifásicos.

Un transformador trifásico consta de tres fases desplazadas en 120 grados eléctricos, en sistemas equilibrados tienen igual magnitud. Una fase consiste en un polo positivo y negativo por el que circula una corriente alterna.

Se pueden hacer transformadores trifásicos de tres formas distintas:

1. Conectando tres transformadores monofásicos

2. Núcleo tipo acorazado

3. Transformador tipo núcleo.

Las diferentes formas de conexión de los bobinados trifásicos de un transformador, recibe el nombre de grupo de conexión. Además de identificar las conexiones de los bobinados primario y secundario (en estrella, en triángulo o en zigzag), el grupo de conexionado indica el desfase entre las tensiones de línea primaria y secundaria, de los sistemas trifásicos vinculados por el transformador. Los grupos de conexionado más comúnmente utilizados en la distribución de energía eléctrica son Dy5 (primario en triángulo, secundario en estrella, desfasaje 150 grados) y Dy11 (triángulo, estrella, 330 grados), Yy0 (estrella, estrella, 0 grados), Yd11 (estrella, triángulo, 330 grados), entre otros. El concepto práctico de grupo de conexionado adquiere relevancia para realizar una operación segura, durante la puesta en paralelo de transformadores.

Los transformadores de la red eléctrica manejan un flujo importante de potencia eléctrica. Debido a las pérdidas en el cobre y en el hierro, los transformadores generan una cantidad importante de calor debido a las pérdidas que hay que evacuar. Hay diferentes tipos de ventilación en un transformador.

La ventilación puede ser por:

Convección natural (N) - El fluido refrigerante se mueve de manera natural.

Convección forzada (F) - El fluido refrigerante se mueve de manera forzada, con una bomba o ventilador.

Convección forzada a través de un refrigerador (D)

El refrigerante al interior del estante del transformador es de varios tipos:

Aceite, o líquidos aislantes con un punto de inflamación ≤ 300ºC (O del inglés Oil).

Líquidos aislantes con un punto de inflamación > 300ºC (K).

Líquidos aislantes con un punto de inflamación no medible (L).

Agua (W, del inglés "Water").

Gas (G, del inglés "Gas").

Aire (A, del inglés "Air").

La nomenclatura que designa la ventilación es del tipo XYXY, donde X indica el tipo de refrigerante, Y indica la ventilación usada, el primer par XY se refiere al circuito primario de refrigeración y el segundo par XY se refiere al circuito secundario. Por ejemplo:

ONAN - Refrigeración primaria con aceite en convección natural y refrigeración secundaria con aire en convección natural.

ONAF - Refrigeración primaria con aceite en convección natural y refrigeración secundaria con aire en convección forzada.

ONWF - Refrigeración primaria con aceite en convección natural y refrigeración secundaria con agua en convección forzada.

OFAF - Refrigeración primaria con aceite en convección forzada y refrigeración secundaria con aire en convección forzada.

Cuando el calor que se genera en los transformadores por efecto de las pérdidas no se evacua convenientemente se puede producir la destrucción de los materiales aislantes de los devanados. Para evacuar este calor se utilizan diferentes métodos de refrigeración en función de la potencia nominal del transformador y la ubicación de este, como por ejemplo:

Si los transformadores son de pequeña potencia (hasta 50 kVA) la refrigeración se realiza aprovechando el aire que los envuelve. Para ello se construye la cubierta con unas aberturas, con el objeto de que el aire pueda circular de una forma natural por los transformadores (ventilación por convección). En el caso de que esta ventilación no fuese suficiente, se añaden ventiladores que fuerzan la refrigeración del transformador.

Si los transformadores son de distribución de media potencia (menos de 200 kVA) se sumergen en aceite mineral o silicona. El aceite transmite el calor del transformador al exterior por convección natural. Además, con el aceite se consigue mejorar el aislamiento de los devanados de alta tensión.

Si los transformadores son de distribución de gran potencia se añaden aletas de refrigeración en la cubierta exterior del transformador. Además se hace circular el aceite caliente desde el interior del transformador hacia dichas aletas con el fin de acelerar el proceso de refrigeración. Para transformadores de más potencia se pueden añadir ventiladores que fuerzan la evacuación de los radiadores externos.

En los transformadores con aceite, este tiende a dilatarse con los aumentos de temperatura, por lo que para evitar sobrepresiones se coloca sobre la cuba de aceite un depósito de expansión de forma cilíndrica a medio llenar y en contacto con el exterior mediante un orificio. Para evitar la entrada de humedad del exterior al depósito, que podría alterar las cualidades del aceite, se coloca una especie de filtro que absorbe la humedad que pudiera entrar del exterior. Este dispositivo se conoce por el nombre de desecador y suele ir dotado de sales absorbentes de la humedad, como por ejemplo el silicagel. Cuando el desecador, con el tiempo, se satura de humedad cambia de color, lo que nos indica que hay que renovar las sustancias de absorción. Con el fin de dotar al sistema de refrigeración por aceite de un sistema de protección adecuado ante una sobrepresión en el circuito, se instala en el mismo el relé Buchholz. Dicho dispositivo se intercala en el circuito de refrigeración entre la cuba y el depósito de expansión. En situaciones de sobrepresiones en el circuito de refrigeración, bien ocasionadas por un cortocircuito o por una falta de aislamiento, el relé Buchholz puede desconectar el transformador o provocar una señal de alarma, dependiendo de la gravedad del incidente. Asimismo actúa en caso de un descenso rápido del nivel de aceite provocado por una fuga de este.

Varios diseños de aplicación específicamente eléctricos requieren una variedad de tipos de transformador. Aunque todos comparten las características básicas de los principios del transformador, en el proceso de fabricación se realizan algunas modificaciones en sus propiedades eléctricas para ciertos requerimientos de instalación o aplicaciones especiales. La gran mayor parte de la energía eléctrica producida ha pasado a través de un transformador a medida que llega al consumidor final. ​

En el proceso de transmisión de energía eléctrica, los transformadores permiten la transmisión de potencia eléctrica a altas tensiones, el cual reduce las pérdidas debido al calentamiento de los cables. Esto permite la viabilidad económica a las plantas de generación que se encuentran a distancia de los consumidores eléctricos. ​

En muchos dispositivos electrónicos, un transformador se usa para transformar el voltaje del cableado de distribución a valores adecuados para los requerimientos del circuito, ya sea directamente en la frecuencia de la potencia o a través de una fuente conmutada.

Los transformadores de señales y audio se usan para acoplar etapas de amplificadores y para acoplar dispositivos como micrófonos y grabadoras a la entrada de los amplificadores. Los transformadores de audio permiten que los circuitos de telefonía lleven una conversación a dos canales a través de un par de cables. Un transformador de balun convierte una señal que está referenciada a tierra a una señal que tiene tensiones balanceadas a tierra, ya sea entre cables externos o circuitos internos. Los transformadores de aislamiento reducen la fuga de corriente entre el circuito secundario y son usados en equipos médicos y en obras de construcción. Los transformadores resonantes son usados para acoplar entre etapas de receptores de radio, o en bobinas de Tesla de alta tensión.

El fenómeno de inducción electromagnética en el que se basa el funcionamiento del transformador fue descubierto por Michael Faraday en 1831, se basa fundamentalmente en que cualquier variación de flujo magnético que atraviesa un circuito cerrado genera una corriente inducida, y en que la corriente inducida solo permanece mientras se produce el cambio de flujo magnético.

La primera "bobina de inducción" fue inventada por el sacerdote Nicholas Joseph Callan en la Universidad de Maynooth en Irlanda en 1836. Callan fue uno de los primeros investigadores en darse cuenta de que cuantas más espiras hay en el secundario, en relación con el bobinado primario, más grande es el aumento de la tensión eléctrica.

Los científicos e investigadores basaron sus esfuerzos en evolucionar las bobinas de inducción para obtener mayores tensiones en las baterías. En lugar de corriente alterna (CA), su acción se basó en un "do&break" mecanismo vibrador que regularmente interrumpía el flujo de la corriente directa (DC) de las baterías.

Entre la década de 1830 y la década de 1870, los esfuerzos para construir mejores bobinas de inducción, en su mayoría por ensayo y error, revelaron lentamente los principios básicos de los transformadores. Un diseño práctico y eficaz no apareció hasta la década de 1880, cuando el transformador tendría un papel decisivo en la guerra de las Corrientes, en la que los sistemas de distribución de corriente alterna triunfaron sobre sus homólogos de corriente continua, una posición dominante que mantienen desde entonces.

En 1876, el ingeniero ruso Pavel Yablochkov inventó un sistema de iluminación basado en un conjunto de bobinas de inducción en el cual el bobinado primario se conectaba a una fuente de corriente alterna y los devanados secundarios podían conectarse a varias lámparas de arco, de su propio diseño. Las bobinas utilizadas en el sistema se comportaban como transformadores primitivos. La patente alegó que el sistema podría, "proporcionar suministro por separado a varios puntos de iluminación con diferentes intensidades luminosas procedentes de una sola fuente de energía eléctrica".

En 1878, los ingenieros de la empresa Ganz en Hungría asignaron parte de sus recursos de ingeniería para la fabricación de aparatos de iluminación eléctrica para Austria y Hungría. En 1883, realizaron más de cincuenta instalaciones para dicho fin. Ofrecía un sistema que constaba de dos lámparas incandescentes y de arco, generadores y otros accesorios.

En 1882, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs expusieron por primera vez un dispositivo con un núcleo de hierro llamado "generador secundario" en Londres, luego vendieron la idea a la compañía estadounidense Westinghouse Electric. También este sistema fue expuesto en Turín, Italia en 1884, donde fue adoptado para el sistema de alumbrado eléctrico.

Entre 1884 y 1885, los ingenieros húngaros Miksa Déri, Ottó Titusz Bláthy y Károly Zipernowsky, de la compañía Ganz, de ese país, crearon en Budapest el modelo "DBZ" de transformador de corriente alterna, basado en un diseño de Gaulard y Gibbs (Gaulard y Gibbs solo diseñaron un modelo de núcleo abierto). Descubrieron la fórmula matemática de los transformadores:

donde es la tensión en el secundario y es el número de espiras en el secundario; y se corresponden al primario.

Su solicitud de patente hizo el primer uso de la palabra transformador, que había sido acuñada por Ottó Titusz Bláthy.

En 1885, George Westinghouse compró las patentes del DBZ y las de Gaulard y Gibbs. Él le encomendó a William Stanley la construcción de un transformador de tipo ZBD para uso comercial. Este diseño se utilizó por primera vez comercialmente en 1886.

El primer sistema comercial de corriente alterna con fines de distribución de la energía eléctrica que usaba transformadores se puso en operación en 1886 en Great Barington, Massachusetts, en los Estados Unidos de América. En ese mismo año, la electricidad se transmitió a 2000 voltios en corriente alterna a una distancia de 30 kilómetros, en una línea construida en Cerchi, Italia. A partir de esta pequeña aplicación inicial, la industria eléctrica en el mundo ha recorrido en tal forma, que en la actualidad es factor de desarrollo de los pueblos, formando parte importante en esta industria el transformador. El aparato que aquí se describe es una aplicación, entre tantas, derivada de la inicial bobina de Ruhmkorff o carrete de Ruhmkorff, que consistía en dos bobinas concéntricas. A una bobina, llamada primario, se le aplicaba una corriente continua proveniente de una batería, conmutada por medio de un ruptor movido por el magnetismo generado en un núcleo de hierro central por la propia energía de la batería. El campo magnético así creado variaba al compás de las interrupciones, y en el otro bobinado, llamado secundario y con muchas más espiras, se inducía una corriente de escaso valor pero con una fuerza eléctrica capaz de saltar entre las puntas de un chispómetro conectado a sus extremos.

También da origen a las antiguas bobinas de ignición del automóvil Ford T, que poseía una por cada bujía, comandadas por un distribuidor que mandaba la corriente a través de cada una de las bobinas en la secuencia correcta.

Véase también

Transformadores - Convertidores: Enciclopedia CEAC. ISBN 84-329-6004-7

Transformadores: Ing. Francisco Singer. Editorial H.A.S.A.

Kuznetsov: 'Fundamentos de Electrotecnia,' Editorial Mir

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Transformador - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Puedes avisar al redactor principal pegando lo siguiente en su página de discusión: {{sust:Aviso referencias|Transformador}} ~~~~ Uso de esta plantilla: {{Referencias|t={{sust:CURRENTTIMESTAMP}}}} Transformador Pequeño transformador eléctrico Tipo Pasivo Principio de funcionamiento Inducción electromagnética Invención Zipernowsky, Bláthy y Deri ( 1884) Primera producción En 1886 Símbolo electrónico Terminales Dos terminales para el bobinado primario y dos para el bobinado secundario o tres si tiene tap o toma central Se denomina transformador a un elemento eléctrico que permite aumentar o disminuir la tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia.

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Un aislante eléctrico es un material incapaz de transmitir electricidad, o lo que es lo mismo, cualquier material capaz de impedir o disminuir el flujo de la corriente eléctrica.

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Te explicamos qué es un aislante eléctrico, su uso en la industria y diversos ejemplos. Además, materiales conductores y semiconductores.

¿Qué es un aislante eléctrico?

Un aislante eléctrico es un material incapaz de transmitir electricidad, o lo que es lo mismo, cualquier material capaz de impedir o disminuir el flujo de la corriente eléctrica. Los aislantes eléctricos son fundamentales en la industria y en el manejo de la corriente, ya que se usan para impedir cortocircuitos y reducir la peligrosidad de la transmisión, al imposibilitar que las cargas eléctricas fluyan libremente.

Un aislante eléctrico es un material con baja o nula conductividad eléctrica. Esto significa que las cargas eléctricas de sus átomos ( electrones) no pueden desplazarse libremente, de modo que estos materiales ejercen una determinada resistencia al paso de la corriente a través de ellos. Un aislante es exactamente lo opuesto a un material conductor.

Sin embargo, no existen aislantes absolutos o perfectos, capaces de impedir por completo la corriente. Algunos son más eficientes que otros, pero siempre hay un mínimo margen de transmisión, de modo que si se incrementa la tensión de la corriente eléctrica lo suficiente, cualquier material aislante se convertirá en conductor y permitirá el flujo eléctrico. Al límite de dicha resistencia de los aislantes se lo conoce como tensión de ruptura.

Los aislantes no deben confundirse con los semiconductores, materiales que permiten o impiden el tránsito eléctrico dependiendo de las condiciones físicas en que se encuentren.

Ver además: Carga eléctrica

Aplicaciones de los aislantes eléctricos

Los materiales aislantes son útiles en la industria eléctrica para:

Recubrir el cableado. Los hilos metálicos conductores se envuelven en material aislante para impedir que se toquen entre sí y alteren el circuito y, a la vez, proteger a la gente del contacto directo con los cables eléctricos.

Conducir la carga hacia su destino deseado. Los aislantes impiden la dispersión de la carga eléctrica a lo largo del tránsito. Por ejemplo, en las torres y soportes eléctricos.

Elaborar materiales de protección para usuarios y operadores de la industria eléctrica. Estos materiales permiten aislar los cuerpos de los usuarios del posible contacto con la corriente.

Ejemplos de materiales aislantes

Algunos materiales aislantes son:

Materiales conductores

A diferencia de los aislantes, los materiales conductores son aquellos más propicios para la transmisión de cargas eléctricas, dadas las propiedades químicas de sus átomos.

Un conductor generalmente permitirá la rápida propagación de la energía eléctrica a través de sus átomos, movilizando sus electrones y sin cambiar su naturaleza química. Son ejemplos de materiales conductores la mayoría de los metales o el agua.

Materiales semiconductores

Por su parte, los semiconductores son materiales capaces de conducir o resistir la electricidad, dependiendo de las condiciones físicas en que se encuentren (generalmente la temperatura ambiental, la presión, la radiación incidente y/o la naturaleza del campo eléctrico o magnético al que estén sometidos).

Estos materiales pueden ser muy diversos y distintos entre sí, pero actúan en distinto grado como conductores y aislantes al mismo tiempo. Son ejemplos de materiales semiconductores: el silicio (Si), el germanio (Ge), el azufre (S), el cadmio (Cd) y algunos otros elementos de la tabla periódica.

Más en: Semiconductores

Referencias

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Aislante Eléctrico - Concepto, aplicaciones y ejemplos

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Te explicamos qué es un aislante eléctrico, su uso en la industria y diversos ejemplos. Además, materiales conductores y semiconductores. Un aislante eléctrico es un material incapaz de transmitir electricidad, o lo que es lo mismo, cualquier material capaz de impedir o disminuir el flujo de la corriente eléctrica .

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Un condensador eléctrico  es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.

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La potencia eléctrica es la proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado.

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La energía eléctrica de alta tensión se transmite por líneas sobre torres.

La potencia eléctrica es la proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt (W).

Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz ( lámpara incandescente), movimiento ( motor eléctrico), sonido ( altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías.

La tensión eléctrica se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico entre dos puntos del campo eléctrico.

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es,

(1)

donde I es el valor instantáneo de la intensidad de corriente y U es el valor instantáneo de la tensión. Si I se expresa en amperios y U en voltios(V), P estará expresada en vatios(W). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, U y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como,

(2)

recordando que a mayor resistencia, menor corriente por ser dos magnitudes proporcionalmente inversas.

Potencia en sistemas monofásicos

Cuando se trata de corriente alterna (AC) sinusoidal, el promedio de potencia eléctrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadráticos medios, de la diferencia de potencial entre los terminales y de la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.

Si a un circuito se aplica una tensión sinusoidal con velocidad angular y valor de pico de forma

Esto provocará, en el caso de un circuito de carácter inductivo (caso más común), una corriente desfasada un ángulo respecto de la tensión aplicada:

Donde, para el caso puramente resistivo, se puede tomar el ángulo de desfase como cero.

La potencia instantánea vendrá dada como el producto de las expresiones anteriores:

Mediante trigonometría, la expresión anterior puede transformarse en la siguiente:

Y sustituyendo los valores del pico por los eficaces:

Se obtiene así para la potencia un valor constante, y otro variable con el tiempo, . Al primer valor se le denomina potencia activa y al segundo potencia fluctuante o reactiva.

Figura 1.- Componentes activa y reactiva de la intensidad; supuestos inductivo (izquierda) y capacitivo (derecha).

Consideremos un circuito de C. A. en el que la corriente y la tensión tienen un desfase φ. Se define componente activa de la intensidad, , al componente de ésta que está en fase con la tensión, y componente reactiva, , a la que está en cuadratura con ella (véase Figura 1). Sus valores son:

El producto de la intensidad, I, y las de sus componentes activa, , y reactiva, , por la tensión, U, da como resultado las potencias aparente (S), activa (P) y reactiva (Q), respectivamente:

Figura 2.- Relación entre potencia activa, aparente y reactiva.

La potencia compleja de un circuito eléctrico de corriente alterna (cuya magnitud se conoce como potencia aparente y se identifica con la letra S), es la suma (vectorial) de la potencia que disipa dicho circuito y se transforma en calor o trabajo (conocida como potencia promedio, activa o real, que se designa con la letra P y se mide en vatios (W)) y la potencia utilizada para la formación de los campos eléctrico y magnético de sus componentes, que fluctuará entre estos componentes y la fuente de energía (conocida como potencia reactiva, que se identifica con la letra Q y se mide en voltiamperios reactivos (var)). Esto significa que la potencia aparente representa la potencia total desarrollada en un circuito con impedancia Z. La relación entre todas las potencias aludidas es:

Esta potencia aparente ( S) no es realmente la "útil", salvo cuando el factor de potencia es la unidad (cos φ=1), y señala que la red de alimentación de un circuito no solo ha de satisfacer la energía consumida por los elementos resistivos, sino que también ha de contarse con la que van a "almacenar" las bobinas y condensadores. Se mide en voltiamperios (VA), aunque para aludir a grandes cantidades de potencia aparente lo más frecuente es utilizar como unidad de medida el kilovoltiamperio (kVA).

La fórmula de la potencia aparente es:

Potencia activa, Potencia media consumida o potencia absorbida

Es la potencia capaz de transformar la energía eléctrica en trabajo. Los diferentes dispositivos eléctricos existentes convierten la energía eléctrica en otras formas de energía tales como: mecánica, lumínica, térmica, química, etc. Esta potencia es, por lo tanto, la realmente consumida por los circuitos y, en consecuencia, cuando se habla de demanda eléctrica, es esta potencia la que se utiliza para determinar dicha demanda.

Se designa con la letra P y se mide en vatios -watt- (W) o kilovatios -kilowatt- (kW). De acuerdo con su expresión, la ley de Ohm y el triángulo de impedancias:

Resultado que indica que la potencia activa se debe a los elementos resistivos.

Esta potencia no se consume ni se genera en el sentido estricto (el uso de los términos "potencia reactiva generada" y/o "potencia reactiva consumida" es una convención) y en circuitos lineales solo aparece cuando existen bobinas o condensadores. Por ende, es toda aquella potencia desarrollada en circuitos inductivos.

Considérese el caso ideal de que un circuito pasivo contenga exclusivamente, un elemento inductivo (R = 0; Xc = 0 y Xl ≠ o) al cual se aplica una tensión senoidal de la forma u(t) = Umáx * sen w*t. En dicho caso ideal se supone a la bobina como carente de resistencia y capacidad, de modo que solo opondrá su reactancia inductiva a las variaciones de la intensidad del circuito. En dicha condición, al aplicar una tensión alterna a la bobina la onda de la intensidad de corriente correspondiente resultará con el máximo ángulo de desfasaje (90°). La onda representativa de dicho circuito es senoidal, de frecuencia doble a la de red, con su eje de simetría coincidiendo con el de abscisas, y por ende con alternancias que encierran áreas positivas y negativas de idéntico valor.

La suma algebraica de dichas sumas positivas y negativas da una potencia resultante nula, fenómeno que se explica conceptualmente considerando que durante las alternancias positivas el circuito toma energía de la red para crear el campo magnético en la bobina; mientras en las alternancias negativas el circuito la devuelve, y a dicha devolución se debe la desaparición temporaria del campo magnético. Esta energía que va y vuelve de la red constantemente no produce trabajo y recibe el nombre de "energía oscilante", correspondiendo a la potencia que varía entre cero y el valor (Umáx*Imáx)/2 tanto en sentido positivo como en negativo.

Por dicha razón, para la condición indicada resulta que P = 0 y por existir como único factor de oposición la reactancia inductiva de la bobina, la intensidad eficaz del circuito vale:

El desfasaje angular de la corriente (I) respecto de la tensión (U) es de 90º, tal como se puede apreciar en este diagrama de un circuito inductivo puro. Nótese como la sinusoide correspondiente a la Potencia (P = U*I) es positiva en las partes en que tanto I como U son positivas o negativas, y cómo es negativa en las partes en que ya sea U o I es positiva y la otra negativa.

En circuitos inductivos puros, pese a que no existe potencia activa alguna igual se manifiesta la denominada "Potencia reactiva" de carácter inductivo que vale:

Siendo φ = 90° (Dado que la corriente atrasa con respecto de la tensión)

La potencia reactiva tiene un valor medio nulo, por lo que no produce trabajo y se dice que es una potencia desvatada (no produce vatios), se mide en voltiamperios reactivos (var) y se designa con la letra Q.

A partir de su expresión,

Lo que reafirma en que esta potencia se debe únicamente a los elementos reactivos.

Conceptualmente, la potencia reactiva es una potencia "de ida y vuelta"; es decir, cuando hay elementos que almacenan energía (condensadores y bobinas), estos están permanentemente almacenando y devolviendo la energía. El problema es que en "el viaje" se pierde algo. En un símil, como si un autobús de 50 plazas siempre estuvieran ocupadas 30 y sólo 20 personas suben y bajan. El autobús resulta de 20 plazas, pero consume como uno de 50. Esas pérdidas del viaje son las que deben evitarse compensando la potencia reactiva inductiva con la capacitiva, lo más cercano al consumo. Así lograremos que no viaje esa energía y no se pierda en el camino nada. A eso se llama compensación del factor de potencia, que debe ser lo más cercano a 1 que se pueda.

Es toda aquella potencia desarrollada en un circuito capacitivo. Considerando el caso ideal de que un circuito pasivo contenga únicamente un condensador (R = 0; Xl = 0; Xc ≠ 0) al que se aplica una tensión senoidal de la forma U(t) = Umáx*sen w*t, la onda correspondiente a la corriente I, que permanentemente carga y descarga al capacitor resultará 90° adelantada en relación con la onda de tensión aplicada.

Por dicha razón también en este caso el valor de la potencia posee como curva representativa a una onda senoidal de valor oscilante entre los valores cero y (Umáx*Imáx)/2 en sentido positivo y negativo.

Las alternancias de dicha onda encierran áreas positivas correspondientes a los períodos en que las placas del capacitor reciben la carga de la red; significando los períodos negativos el momento de descarga del capacitor, que es cuando se devuelve a la red la totalidad de la energía recibida. En esta potencia también la suma algebraica de las áreas positivas y negativas es nula dado que dicha áreas son de igual y opuesto valor. La potencia activa vale cero, y por existir como único factor de oposición la reactancia capacitiva del circuito la intensidad eficaz que recorre al mismo vale:

Siendo φ = 90° (La tensión atrasa respecto de la corriente)

Diagrama de un circuito puramente capacitivo en el cual la tensión atrasa 90° respecto de la corriente.

En los circuitos capacitivos puros no existe potencia activa, pero si existe la potencia reactiva de carácter capacitivo que vale:

NOTA: Según las convenciones actuales, se considera a esta Potencia Reactiva Capacitiva con un valor negativo (<0) para todas las operaciones relacionadas con las operaciones matemáticas al trabajar con potencias en corriente alterna.

Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan con corriente alterna, es necesario tener en cuenta también el valor del factor de potencia o coseno de phi ( ) que poseen. En ese caso se encuentran los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, es decir, aquellos aparatos que para funcionar utilizan una o más bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motores eléctricos, o también con los aparatos de aire acondicionado o los tubos fluorescentes.

Las cargas reactivas o inductivas, que poseen los motores eléctricos, tienen un factor de potencia menor que "1" (generalmente su valor varía entre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en cuestión y de la red de suministro eléctrico disminuye cuando el factor se aleja mucho de la unidad, traduciéndose en un mayor gasto de energía y en un mayor desembolso económico.

Potencia en sistemas trifásicos

La representación matemática de la potencia activa en un sistema trifásico equilibrado (las tres tensiones de fase tienen idéntico valor y las tres intensidades de fase también coinciden) está dada por la ecuación:

Siendo la intensidad de línea y la tensión de línea (no deben emplearse para esta ecuación los valores de fase). Para reactiva y aparente:

Estuvieron dirigidas a explicar los efectos de las componentes armónicas sobre los sistemas eléctricos y los efectos de las asimetrías en la potencia eléctrica . Actualmente, se demuestra la existencia de una potencia de distorsión como resultado de lo anterior que resulta ortogonal al resto de las potencias.

Potencia_de_asimetría

El término de potencia puede ser una cantidad fija que la compañía distribuidora eléctrica cobra al usuario en la factura eléctrica por la potencia contratada, con independencia de la energía consumida. El término de facturación de potencia resulta de multiplicar la potencia a facturar en cada período tarifario por el término de potencia correspondiente. Existe una modalidad en la que la limitación de potencia desaparece durante el horario nocturno.

El término de potencia no existe en todos los países. Así, en Europa solo existe en algunos países del sur, siendo inexistente en los del norte.

Su existencia puede ser un lastre para el despliegue del vehículo eléctrico.

Referencias

1.¨IEEE Power Engineering Society. "IEEE Standard Definitions of the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions", USA, 2000.

2.¨León, V. "Optimización energética de las instalaciones eléctricas industriales y domésticas, España, 2002.

Enlaces externos

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Potencia eléctrica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La potencia eléctrica es la proporción por unidad de tiempo, o ritmo, con la cual la energía eléctrica es transferida por un circuito eléctrico, es decir, la cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio o watt (W).

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Un panel solar, placa o módulo solares es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para su aprovechamiento.

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Dos tipos diferentes de paneles solares: fotovoltaicos (arriba) y térmicos (abajo) instalados sobre tejado.

Un panel solar, placa solar o módulo solar es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para su aprovechamiento. El término comprende a los colectores solares, utilizados usualmente para producir agua caliente doméstica mediante energía solar térmica, y a los paneles fotovoltaicos, utilizados para generar electricidad mediante energía solar fotovoltaica.

Colector solar térmico

Un calentador solar de agua usa la energía del sol para calentar un líquido, el cual transfiere el calor hacia un depósito acumulador de calor. En una casa hacia un aparato intercambiador de energía donde cede el calor y luego circula de vuelta hacia el panel para ser recalentado. Es una manera simple y efectiva de aprovechar la energía solar.

Panel solar fotovoltaico

Descripción

Los paneles fotovoltaicos o placas fotovoltaicas, están formados por numerosas celdas que convierten la luz en electricidad. Las celdas a veces son llamadas células fotovoltaicas. Estas celdas dependen del efecto fotovoltaico porque la energía lumínica produce cargas positiva y negativa en dos semiconductores próximos de diferente tipo, produciendo así un campo eléctrico capaz de generar una corriente.

Los materiales para celdas solares suelen ser silicio cristalino o arseniuro de galio. Los cristales de arseniuro de galio se fabrican especialmente para uso fotovoltaico, mientras que los cristales de silicio están disponibles en lingotes normalizados, más baratos, producidos principalmente para el consumo de la industria microelectrónica. El silicio policristalino tiene una menor eficacia de conversión, pero también menor coste.

Cuando se expone a luz solar directa, una celda de silicio de 6 cm de diámetro puede producir una corriente de alrededor 0,5 A a 0,5 V (equivalente a un promedio de 90 W/m², en un campo de normalmente 50-150 W/m², dependiendo del brillo solar y la eficencia de la celda). El arseniuro de galio es más eficaz que el silicio, pero también más costoso.

Las células de silicio más empleadas en los paneles fotovoltaicos se puede dividir en tres subcategorías:

Las células de silicio monocristalino están constituidas por un único cristal de silicio. Este tipo de células presenta un color azul oscuro uniforme.

Las células de silicio policristalino (también llamado multicristalino) están constituidas por un conjunto de cristales de silicio, lo que explica que su rendimiento sea algo inferior al de las células monocristalinas. Se caracterizan por un color azul más intenso.

Las células de silicio amorfo. Son menos eficientes que las células de silicio cristalino pero también más baratas. Este tipo de células es, por ejemplo, el que se emplea en aplicaciones solares como relojes o calculadoras.

Los lingotes cristalinos se cortan en discos finos como una oblea, pulidos para eliminar posibles daños causados por el corte. Se introducen dopantes -impurezas añadidas para modificar las propiedades conductoras- en las obleas, y se depositan conductores metálicos en cada superficie: una fina rejilla en el lado donde da la luz solar y usualmente una hoja plana en el otro. Los paneles solares se construyen con estas celdas agrupadas en forma apropiada. Para protegerlos de daños, causados por radiación o por el manejo de éstos, en la superficie frontal se los cubre con una cubierta de vidrio y se pegan sobre un sustrato -el cual puede ser un panel rígido o una manta blanda-. Se hacen conexiones eléctricas en serie-paralelo para fijar el voltaje total de salida. El pegamento y el sustrato deben ser conductores térmicos, ya que las celdas se calientan al absorber la energía infrarroja que no se convierte en electricidad. Debido a que el calentamiento de las celdas reduce la eficacia de operación es deseable minimizarlo. Los ensamblajes resultantes se llaman paneles solares.

Las estructuras para anclar los paneles solares son generalmente de aluminio con tornillería de acero inoxidable para asegurar una máxima ligereza y una mayor durabilidad en el tiempo. Las estructuras tienen medidas estándar para la superficie, orientación e inclinación -tanto en horizontal, como en vertical-.

La estructura suele estar compuesta de ángulos de aluminio, carril de fijación, triángulo, tornillos de anclaje (triángulo-ángulo), tornillo allen (generalmente de tuerca cuadrada, para la fijación del módulo) y pinza zeta -para la fijación del módulo y cuyas dimensiones dependen del espesor del módulo-.​

Uso de la energía

Deben su aparición a la industria aeroespacial, y se han convertido en el medio más fiable de suministrar energía eléctrica a un satélite o a una sonda en las órbitas interiores del Sistema Solar, gracias a la mayor irradiación solar sin el impedimento de la atmósfera y a su alta relación potencia a peso.

En el ámbito terrestre, este tipo de energía se usa para alimentar innumerables aparatos autónomos, para abastecer refugios o casas aisladas de la red eléctrica y para producir electricidad a gran escala a través de redes de distribución. Debido a la creciente demanda de energías renovables, la fabricación de células solares e instalaciones fotovoltaicas ha avanzado considerablemente en los últimos años.​ ​

Entre los años 2001 y 2012 se ha producido un crecimiento exponencial de la producción de energía fotovoltaica, doblándose aproximadamente cada dos años.​ Si esta tendencia continúa, la energía fotovoltaica cubriría el 10 % del consumo energético mundial en 2018, alcanzando una producción aproximada de 2200 TWh,​ y podría llegar a proporcionar el 100 % de las necesidades energéticas actuales en torno al año 2027.​

Experimentalmente también han sido usados para dar energía a vehículos solares, por ejemplo en el World Solar Challenge a través de Australia o la Carrera Solar Atacama en América. Muchos barcos​ ​ y vehículos terrestres los usan para cargar sus baterías de forma autónoma, lejos de la red eléctrica.

Programas de incentivos económicos, primero, y posteriormente sistemas de autoconsumo fotovoltaico y balance neto sin subsidios, han apoyado la instalación de la fotovoltaica en un gran número de países, contribuyendo a evitar la emisión de una mayor cantidad de gases de efecto invernadero.​

Los diez mayores productores mundiales de paneles fotovoltaicos (por producción en MW) en 2015 fueron:​

Potencia mundial instalada

La potencia de un módulo solar se mide en W p ( Watt peak, vatio pico), o más concretamente, en sus respectivos múltiplos: kW p o MW p. Se trata de la potencia eléctrica generada en condiciones estándares para la incidencia de luz.

Históricamente, Estados Unidos lideró la instalación de energía fotovoltaica desde sus inicios hasta 1996, cuando su capacidad instalada alcanzaba los 77 MW, más que cualquier otro país hasta la fecha. En los años posteriores, fueron superados por Japón, que mantuvo el liderato hasta que a su vez Alemania la sobrepasó en 2005, manteniendo el liderato desde entonces. A comienzos de 2016, Alemania se aproximaba a los 40 GW instalados.​ Sin embargo, por esas fechas China, uno de los países donde la fotovoltaica está experimentando un crecimiento más vertiginoso superó a Alemania, convirtiéndose desde entonces en el mayor productor de energía fotovoltaica del mundo.​ Se espera que multiplique su potencia instalada actual hasta los 150 GW en 2020.​​​

A finales de 2015, se estimaba que hay instalados en todo el mundo cerca de 230 GW de potencia fotovoltaica.​

Grandes plantas

En Europa y en el resto del mundo se han construido un gran número de centrales fotovoltaicas a gran escala.​ A finales de 2016, las plantas fotovoltaicas más grandes del mundo eran, por este orden:​

El coste de los paneles fotovoltaicos se ha reducido de forma constante desde que se fabricaron las primeras células solares comerciales​ y su coste medio de generación eléctrica ya es competitivo con las fuentes de energía convencionales en un creciente número de regiones geográficas, alcanzando la paridad de red.​​

Hasta 2005 el problema más importante con los paneles fotovoltaicos era el costo, que estaba bajando hasta 3 o 4 $/W. El precio del silicio usado para la mayor parte de los paneles tuvo una breve tendencia al alza en 2008, lo que hizo que los fabricantes comenzaran a utilizar otros materiales y paneles de silicio más delgados para bajar los costes de producción. Debido a economías de escala, los paneles solares se hacen menos costosos según se usen y fabriquen más. A medida que ha aumentado la producción, los precios han continuado bajando y todas las previsiones indican que lo seguirán haciendo en los próximos años.

El coste de las células solares de silicio cristalino ha descendido desde 76,67 $/W p en 1977 hasta aproximadamente 0,36 $/ en 2014.​​ Esta tendencia sigue la llamada " ley de Swanson", una predicción similar a la conocida Ley de Moore, que establece que los precios de los módulos solares descienden un 20 % cada vez que se duplica la capacidad de la industria fotovoltaica.​

La mayor parte de los paneles fotovoltaicos puede ser tratada. Gracias a las innovaciones tecnológicas que se han desarrollado en los últimos años, se puede recuperar hasta el 95 % de ciertos materiales semiconductores y el vidrio, así como grandes cantidades de metales ferrosos y no ferrosos utilizados en los módulos.​ Algunas empresas privadas​ y organizaciones sin fines de lucro, como por ejemplo PV CYCLE en la Unión Europea, están actualmente trabajando en las operaciones de recogida y reciclaje de paneles al final de su vida útil.

Dos de las soluciones de reciclaje más comunes son:

Paneles de silicio: Los marcos de aluminio y las cajas de conexión son desmantelados manualmente al comienzo del proceso. El panel se tritura y las diferentes fracciones se separan - vidrio, plásticos y metales. Es posible recuperar más de 80 % del peso entrante y, por ejemplo, el cristal mixto extraído es fácilmente aceptado por la industria de la espuma de vidrio el aislamiento. Este proceso puede ser realizado por los recicladores de vidrio plano ya que la morfología y composición de un panel fotovoltaico es similar al cristal plano utilizado en la industria de la construcción y del automóvil.

Paneles de otros materiales: Hoy en día contamos con tecnologías específicas para el reciclaje de paneles fotovoltaicos que no contienen silicio, alguna técnicas utilizan baños químicos para separar los diferentes materiales semiconductores. Para los paneles de teluro de cadmio, el proceso de reciclaje empieza por aplastar el módulo y, posteriormente, separar las diferentes partes. Este proceso de reciclaje está diseñado para recuperar hasta un 90 % del vidrio y 95 % de los materiales semiconductores.​ En los últimos años, algunas empresas privadas han puesto en marcha instalaciones de reciclaje a escala comercial.

Desde 2010 se celebra una conferencia anual en Europa que reúne a productores, recicladores e investigadores para debatir el futuro del reciclaje de módulos fotovoltaicos. En 2012 tuvo lugar en Madrid.​​

Véase también

Referencias

1. Bullis, Kevin (23 de junio de 2006). "Large-Scale, Cheap Solar Electricity" (en inglés). Technologyreview.com.

2. Kaminska, Izabella (18 de junio de 2012). "The exponential growth in solar consumption" (en inglés). Financial Times.

3. Renewable Energy Policy Network for the 21st century (REN21), Renewables 2010 Global Status Report, Paris, 2010, pp. 1-80.

4. ↑ "EPIA Global Market Outlook for Photovoltaics 2014-2018" (PDF) (en inglés). Archivado desde el original el 14 de julio de 2014.

5. "PVMA figures show 75 GW of solar PV was installed in 2016" (en inglés). PV Magazine. 19 de enero de 2017.

6. ↑ "La solar fotovoltaica vuelve a reventar su techo". Energías Renovables. 18 de enero de 2016.

7. "China's National Energy Administration: 17.8 GW Of New Solar PV In 2015 (~20% Increase)". CleanTechnica. 19 de marzo de 2015.

8. "GTM Predicts 55 GW Solar PV To Be Installed In 2015" (en inglés). Clean Technica. 17 de junio de 2015.

9. ↑ Lenardic, Denis (9 de enero de 2016). "Large-scale photovoltaic power plants ranking 1 - 50". PV Resources (en inglés).

10. "Sunny Uplands: Alternative energy will no longer be alternative" (en inglés). The Economist. 2012.

11. Lisa Krueger. 1999. "Overview of First Solar's Module Collection and Recycling Program" (pdf). Brookhaven National Laboratory p. 23.

12. Karsten Wambach. 1999. "A Voluntary Take Back Scheme and Industrial Recycling of Photovoltaic Modules" (pdf). Brookhaven National Laboratory p. 37.

13. "First Breakthrough In Solar Photovoltaic Module Recycling, Experts Say". European Photovoltaic Industry Association. Archivado desde el original el 11 de abril de 2013.

14. "3rd International Conference on PV Module Recycling". PV CYCLE. Archivado desde el original el 10 de diciembre de 2012.

Enlaces externos

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Dos tipos diferentes de paneles solares: fotovoltaicos (arriba) y térmicos (abajo) instalados sobre tejado. Un panel solar, placa solar o módulo solar es un dispositivo que capta la energía de la radiación solar para su aprovechamiento.

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El vatihorímetro, contador eléctrico, o contador de electricidad, es un dispositivo que mide el consumo de energía eléctrica de un circuito o un servicio eléctrico, siendo este su objetivo específico.

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Una lámpara solar es un sistema de iluminación compuesto por una lámpara LED, paneles solares, batería eléctrica, controlador de carga y también puede haber un inversor.

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Una lámpara solar es un sistema de iluminación compuesto por una lámpara LED, paneles solares, batería eléctrica, controlador de carga y también puede haber un inversor. La lámpara funciona con electricidad de baterías, cargadas mediante el uso de paneles solares fotovoltaicos. La iluminación doméstica de fuente solar puede reemplazar otras fuentes de luz como velas o lámparas de queroseno.

Las lámparas solares tienen un costo operativo menor que las lámparas de queroseno porque la energía renovable del sol es libre, a diferencia del combustible. Además, las lámparas solares no producen contaminación del aire interior a diferencia de las lámparas de queroseno. Sin embargo, las lámparas solares generalmente tienen un costo inicial más alto y son dependientes del clima. Las lámparas solares para uso en situaciones rurales a menudo tienen la capacidad de proporcionar un suministro de electricidad para otros dispositivos, tal como cargar teléfonos celulares.

Tecnologías con las que se fabrican las lámparas solares

Entre las tecnologías más usadas para la fabricación de lámparas solares, encontramos:

En este tipo de lámparas se diferencian dos elementos: el foco y el sistema de almacenamiento de energía. Estos están unidos por un cable de fibra óptica, lo que permite instalar estas lámparas en interiores, mientras el sistema de almacenamiento de energía está fuera.

Con este sistema se optimiza la captación de la energía solar. Estas lámparas no necesitan seguir la dirección de los rayos del sol, pero sí tienen en cuenta la posición del sol y de las edificaciones para aprovechar al máximo las horas de luz solar.

Bergesen, Joseph D.; Tähkämö, Leena; Gibon, Thomas; Suh, Sangwon (2016). "Potential Long-Term Global Environmental Implications of Efficient Light-Source Technologies". Journal of Industrial Ecology. 20 (2): 263. doi:10.1111/jiec.12342.

Postes solares. Lámparas solares https://postesolares.net/lamparas-solares/

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Lámpara solar - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Una lámpara solar es un sistema de iluminación compuesto por una lámpara LED, paneles solares, batería eléctrica, controlador de carga y también puede haber un inversor. La lámpara funciona con electricidad de baterías, cargadas mediante el uso de paneles solares fotovoltaicos. La iluminación doméstica de fuente solar puede reemplazar otras fuentes de luz como velas o lámparas de queroseno.

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La geotermia es la energía que se obtiene mediante el aprovechamiento del calor del interior de la tierra. Se trata de una energía renovable que elimina la dependencia de los combustibles fósiles, contribuyendo a la reducción de las emisiones de CO2 causantes del efecto invernadero.

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La climatización por geotermia es un sistema cada vez más usado por su rendimiento, seguridad y ahorro económico.

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La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol.

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Colaboradores de los proyectos Wikimedia

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Energía solar - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La energía solar es una energía renovable, obtenida a partir del aprovechamiento de la radiación electromagnética procedente del Sol. La radiación solar que alcanza la Tierra ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad, mediante diferentes tecnologías que han ido evolucionando.

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La energía hidráulica, eólica, solar, biomasa y geotérmica son energías limpias e inagotables. Como energías renovables, juegan un papel fundamental en la transición energética.

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By Ana Caballero

Experta en sostenibilidad

La energía hidráulica, eólica, solar, biomasa y geotérmica son energías limpias e inagotables. Como energías renovables, juegan un papel fundamental en la transición energética. Por lo tanto, es esencial promover su desarrollo para combatir el cambio climático.

Definición: ¿Qué son las energías renovables?

Se dice que una energía es renovable cuando su fuente de energía se basa en la utilización de recursos naturales inagotables, como el sol, el viento, el agua o la biomasa. Las energías renovables, ( renewable energy en inglés), se caracterizan por no utilizar combustibles fósiles, sino recursos naturales capaces de renovarse ilimitadamente.

Además de ser energías inagotables, no producen gases de efecto invernadero (GEI), causantes principales del cambio climático, así como otras emisiones contaminantes, por lo que tienen un impacto ambiental muy escaso. Se puede decir que las energías renovables son fuentes de energía limpias.

Una energía limpia y renovable se llama energía verde. Pero es importante saber que no toda la energía limpia es renovable, como la energía nuclear.

¿Por qué la energía nuclear no es renovable?La energía nuclear es una energía descarbonizada y no contaminante. No emite gases de efecto invernadero a la atmósfera. Sin embargo, el uranio, el combustible utilizado en los reactores nucleares, es un recurso limitado. Por lo tanto, la energía nuclear es una energía limpia pero no renovable.

Al igual que la energía no renovable, la energía renovable puede producir electricidad, calor, gas y combustible (llamados biogás y biocombustible) sin emitir gases de efecto invernadero.

Ventajas e inconvenientes de las energías renovables

La principal ventaja de las energías renovables es su limpieza, no generan impacto al medio ambiente. Pero, !tienen muchas más ventajas!

Para los consumidores que quieren contratar este tipo de suministro, también es importante conocer sus inconvenientes.

Ventajas de las energías renovables

Inconvenientes de las energías renovables

Ayudan a potenciar el autoconsumo y a ahorrar en electricidad;

Combaten el cambio climático;

Son recursos naturales gratuitos e inagotables;

Reducen la dependencia energética frente a otros países.

No hay plazos fijos para su producción, sino dependen de la aparición de fenómenos naturales;

Impacto arquitectónico en las ciudades.

Energías renovables y energías no renovables

La energía no renovable es la energía producida por la combustión de combustibles fósiles. Aunque las reservas de dichos combustibles son enormes, se encuentran en cantidades limitadas.

¿Qué son las energias no renovables y cuáles son?Las energías renovables son energías alternativas más sostenibles a las energías no renovables, como el carbón, el petróleo y sus derivados.

Al ritmo actual de consumo mundial, los recursos fósiles se están agotando. Queda aproximadamente:

Los combustibles fósiles son la causa principal de las emisiones de CO2 en España. Por lo tanto, es imperativo reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles y limitar así nuestras emisiones de gases de efecto invernadero. El apoyo al desarrollo de las energías renovables es esencial en este contexto.

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Energías renovables: ¿qué tipos existen?

Existen varios tipos de energías renovables: la energía solar, la energía eólica, la energía hidroeléctrica, la energía geotérmica y la bioenergía.

Energía solar

Sol

Fotovoltaica, termosolar

Electricidad, calefacción, refrigeración

Energía hidroeléctrica

Agua

Centrales hidroleléctricas

Electricidad

Energía geotérmica

Tierra

Sistemas geotérmicos superficiales y bombas de calor

Electricidad, calefacción y refrgeración

Bioenergía

Biomasa

Combustión de biomasa, plantas de biogás, biocarburantes

Electricidad, calefación y refrigeración, transporte

Energía solar

La energía solar es una energía renovable obtenida a partir de la radiación electromagnética del sol. Se trata de una energía renovable porque se obtiene de una fuente natural e inagotable. Sin embargo, dicha energía no está disponible de forma continua. Es una fuente de energía intermitente que depende de la luz solar.

Hay dos tipos de energía solar:

1. La energía solar fotovoltaica, que corresponde a la electricidad producida por instalaciones solares fotovoltaicas;

2. La energía solar térmica, que corresponde al calor generado por los colectores solares.

La energía solar es una de las fuentes de energía renovables más fáciles de producir, especialmente la solar fotovoltaica.

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Precios de instalación de placas solares.
Autoconsumo compartido.
Empresas instaladoras de autoconsumo.
Subvenciones para instalación de placas solares.
Componentes de placas solares.
Compensación de excedentes.

Energía solar en España: el auge del autoconsumo

En línea con los objetivos de descarbonización en Europa, cada vez es más asequible instalar placas solares en casas, negocios y otros emplazamientos como para bombeo solar en agricultura. Cada vez los paquetes de subvenciones son más generosos y existen muchas políticas enfocadas a promover el uso de esta fuente inagotable de energía que no emite gases de efecto invernadero.

Si quieres saber más sobre autoconsumo, descubre todas nuestras guías de placas solares. Aquí encontrarás toda la información que necesitas sobre precios de instalación, normativa, subvenciones y otros temas de interés para que aproveches al máximo tu instalación fotovoltaica en España.

Energía eólica

La energía eólica se obtiene de la energía cinética del viento producida por el efecto de las corrientes de aire. Como la energía solar, la energía eólica es una energía renovable inagotable pero intermitente porque depende de la fuerza del viento.

Las turbinas eólicas pueden instalarse en tierra o en alta mar. Las turbinas eólicas en tierra son técnicamente más sencillas de instalar, pero las en alta mar son más eficientes en términos de producción de energía.

La energía eólica es una de las energías renovables más utilizada en el mundo.

Energía hidroeléctrica

La energía hidroeléctrica o hidráulica se obtiene de la explotación del agua mediante corrientes marinas, molinos o presas. El movimiento del agua impulsa las turbinas que generan electricidad. Cuanto más alta es la presión del agua, más energía se produce. Por lo tanto, depende de las precipitaciones y del caudal de los ríos.

Energía geotérmica

La energía geotérmica es aquella que aprovecha las altas temperaturas de yacimientos bajo la superficie terrestre para la generación de energía a través del calor.

Bioenergía

La energía de la biomasa consiste en la combustión de residuos orgánicos de origen animal o vegetal. Se usa para crear biogás que, como combustible, genera un gas combustible que se utiliza para producir electricidad.

Esta energía es una de las formas más económicas y ecológicas para generar energía eléctrica en una central térmica.

Energías renovables en España en 2022

La transición energética se caracteriza por:

La importancia del uso de las energías renovables;

La descarbonización del mix energético;

El uso de combustibles menos contaminantes;

El autoconsumo;

Incluir en nuestras vidas el vehículo eléctrico o híbrido...

Los consumos de energía verde en España, aunque permanecen constantemente en aumento, aún siguen siendo una pequeña parte del total.

El consumo final bruto de energía proveniente de fuentes renovables en España se situó en el 17,41 % en 2018, por debajo de la media del 18 % de la Unión Europea y lejos del objetivo del 20 % fijado para 2020.

Según el Ministerio para la transición ecológica y el reto demográfico, el mayor crecimiento con respecto a 2017 en el consumo primario de energías renovables en 2018 se ha registrado en energía hidráulica, un 87,4%, debido a que 2018 fue un año con una alta disponibilidad hidráulica. Se registraron también un aumento del 30,7% en biocombustibles, del 3,6% en energía eólica y del 1,3% en biogases.

Energías renovables en España 2022 Según Red Eléctrica, el porcentaje de energía empleada para generar electricidad procedente de fuentes renovables en España en 2022 ha sido de 42,2%, menos que los dos años anteriores, que fue de un 46,7% en 2021 y un 44% en 2020.

Por su parte, la energía solar fotovoltaica (-7,5%) y la energía solar térmica (-14,6%) registraron descensos respecto a 2017 debido a que 2018 fue un año con una baja radiación solar, alcanzando el consumo primario más bajo desde el año 2013.

Consume energía renovable en tu hogar

Después de la liberalización del mercado de las compañías eléctricas en el año 2014, el consumidor se convirtió en el verdadero protagonista y desde entonces puede elegir entre diferentes modalidades de contratación de energía o elegir la comercializadora energética que más le convenga.

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Además, la preocupación por el medio ambiente está aumentando entre los consumidores. Por eso, cada vez es más frecuente ver cómo las comercializadoras ofrecen a sus clientes tarifas basadas en energía verde. Las grandes compañías energéticas, como Iberdrola, Endesa, Viesgo o EDP ya ofrecen estas tarifas, pero también hay otro tipo de empresas que comercializan con la energía renovable, como Gesternova o Podo.

¿Qué es la energía verde?La energía verde es la forma de denominar a la energía generada a partir del uso de mecanismos sostenibles. Para la obtención de este tipo de energía se recurre a los recursos naturales, por lo que no se perjudica al medio ambiente y es más sostenible.

¡Descubre nuestras guías prácticas sobre la protección del medio ambiente y el desarrollo de la energía verde!

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Energías renovables: ¿Qué son y para qué sirven?

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¿Qué son las energías renovables? ¿Qué tipos existen y cómo funcionan? ¡Te informamos cómo contratar energía renovable!

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La energía química es la forma de energía que se almacena en forma de compuesto químico en un portador de energía y puede liberarse durante las reacciones químicas.

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La energía potencial es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerza o a la existencia de un campo de fuerza en el interior de un cuerpo.

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La energía potencial es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas (e.g. gravitatorio, electrostático, etc.) o a la existencia de un campo de fuerza en el interior de un cuerpo ( energía elástica). La energía potencial de un cuerpo es una consecuencia de que el sistema de fuerzas que actúa sobre el mismo sea conservativo.

Independientemente de la fuerza que la origine, la energía potencial que posee el sistema físico representa la energía "almacenada" en virtud de su posición y/o configuración, por contraposición con la energía cinética que tiene y que representa su energía debido al movimiento. Para un sistema conservativo, la suma de energía cinética y potencial es constante, eso justifica el nombre de fuerzas conservativas, es decir, aquellas que hacen que la energía "se conserve". El concepto de energía potencial también puede usarse para sistemas físicos en los que intervienen fuerzas disipativas, y que por tanto no conservan la energía, solo que en ese caso la energía mecánica total no será constante, y para aplicar el principio de conservación de la energía es necesario contabilizar la disipación de energía.​

La energía potencial interviene como se ha mencionado en el principio de conservación de la energía y su campo de aplicación es muy general. Está presente no solo en la física clásica, sino también de la física relativista y física cuántica. El concepto se ha generalizado también a la física de partículas, donde se han llegado a utilizar potenciales complejos con el objeto de incluir también la energía disipada por el sistema.​

Si bien la energía cinética ( ) de un cuerpo es una propiedad física que depende de su movimiento, la energía potencial ( ), en cambio, es un concepto de energía que va a depender del tipo de interacción que se ejerce sobre el cuerpo, de su posición y de la configuración en el espacio del citado cuerpo o cuerpos sobre los que se aplica. Así en una situación ideal en la que los objetos que constituyen el sistema físico en estudio estén ausentes de fricción, entonces la suma de ambas energías, cinética y potencial, va a representar la energía total del sistema, , y se va a conservar, independientemente de la posición o posiciones que vaya ocupando el sistema en el tiempo.​

La noción de energía potencial se relaciona con el trabajo realizado por las fuerzas sobre el sistema físico para trasladarlo de una posición a otra del espacio. La función energía potencial dependerá de forma importante del tipo de campo de fuerzas o interacción que actúe sobre el sistema. Por ejemplo, la fuerza de gravitación, la electromagnética, responsable de las interacciones eléctrica y magnética, o la elástica (derivada de la electromagnética). Si el trabajo no depende del camino seguido, entonces a la fuerza se le llama conservativa y el trabajo expresa la diferencia de energía potencial del sistema entre la posición de partida (A) y la posición de llegada (B).​

También se utiliza la función potencial en lugar de la energía potencial para representar el trabajo realizado por la unidad básica de la interacción. Si, por ejemplo, la interacción es la gravitatoria, sería la unidad de masa y en el caso de la interacción eléctrica, la unidad de carga.

La función energía potencial y, en especial, la función potencial, tienen gran interés en la física no solo cuando se aplican a las interacciones que son importantes a nuestra escala, como son la gravitatoria, la electromagnética y la elástica (derivada de la electromagnética), sino también cuando se estudia cualquier tipo de fuerza o interacción, incluso en la física cuántica al tratar de resolver la dinámica de un sistema físico mediante la ecuación de Schrödinger.​ Se aplica, por ejemplo, a la física atómica en la obtención de los estados electrónicos del átomo o en la física molecular, para la obtención de los estados electrónicos, de vibración, de vibración-rotación y de rotación de la molécula, así como en la física del estado sólido. También se aplica en la física nuclear.​

En otras formulaciones más generales de la física, la función potencial juega, así mismo, un papel importante. Entre ellas, las formulaciones lagrangiana y hamiltoniana de la mecánica.​

Los coches de una montaña rusa alcanzan su máxima energía potencial gravitacional en la parte más alta del recorrido. Al descender, esta se convierte en energía cinética, llegando a ser máxima al alcanzar el punto más bajo de su trayectoria (y la energía potencial mínima). Luego, al volver a elevarse debido a la inercia del movimiento, el traspaso de energías se invierte. Si se asume una fricción insignificante, la energía total del sistema permanece constante

La energía potencial gravitatoria se define como la energía que poseen los cuerpos por el hecho de poseer masa y estar situados a una determinada distancia mutua. Entre las masas de grandes magnitudes se ejercen fuerzas de atracción, de mayor intensidad cuanto mayores son estas. Aplicado, por ejemplo, al movimiento planetario, la masa mayor es la del sol que crea un campo de fuerzas gravitatorio que actúa sobre las masas menores de los planetas. A su vez, cada planeta crea un campo de fuerzas gravitatorio que actúa sobre las masas menores que estén próximas al planeta, los satélites.​

El trabajo realizado para llevar una masa de prueba m en presencia de otra masa M, fuente del campo gravitatorio, desde un punto A a otro B, es la diferencia de la energía potencial de la masa m en el punto de partida A menos la energía potencial en el punto de llegada B. El citado trabajo no depende del camino seguido sino tan solo de los puntos inicial y final. Al gozar de esta propiedad la fuerza gravitatoria y el campo gravitatorio (la fuerza gravitatoria sobre la unidad de masa), al campo se le llama campo conservativo y tiene pleno sentido obtener el potencial gravitatorio, derivado del campo creado por la masa M, así como la energía potencial gravitatoria derivada de la fuerza gravitatoria entre las masas m y M.

Si se considera una masa M en el origen del sistema de coordenadas como fuente del campo gravitatorio y se elige como referencia el infinito, punto en el que cualquier masa m tiene una energía potencial nula, la energía potencial es el trabajo necesario para llevar la masa m desde el infinito hasta un determinado punto A definido por la coordenada (la distancia del punto A al origen de coordenadas).​

Donde: es la energía potencial gravitatoria de la masa , cuyo valor depende de la distancia entre la masa de prueba y la masa que genera el campo gravitatorio, y se mide en julios ( ). Por otro lado, es la fuerza gravitatoria sobre la masa de prueba situada a una distancia de la masa que crea el campo gravitatorio y se mide en newtons ( ). Además, es la constante de gravitación universal, cuyo valor es . Finalmente, y se miden en kilogramos ( ) es la distancia que separa las dos masas, medida en metros ( )

La ecuación [1] que representa la energía potencial de las masas m y M cuando están separadas una distancia , es aplicable tanto a masas puntuales como a masas con simetría esférica, siendo la distancia entre ellas, la que hay entre los centros de dichas esferas.

La energía potencial que posee una masa situada a una altura sobre la superficie terrestre vale:

Esta expresión es un caso particular de la ecuación anterior [1]. Dicho caso se presenta cuando la masa se encuentra a una altura pequeña sobre la superficie de la tierra. Para demostrarlo, basta con aplicar la expresión [1] y considerar la variación de energía potencial entre las alturas sobre la superficie de la tierra, y y siendo el radio de la tierra.​

En este caso, los productos y son muy pequeños comparados con y, por lo tanto, se pueden despreciar en la ecuación [3].

Llamando

Si se toma como el origen de energías potenciales, por ejemplo, al nivel del mar y llamando :

Del desarrollo anterior se deduce que para la aproximación última es adecuada.

La velocidad de escape es la velocidad mínima necesaria para que un cuerpo de masa salga fuera de la atracción gravitatoria.​

La fuerza de gravitación es conservativa. La energía potencial de una masa es:

Para que el cuerpo escape a la acción del campo gravitatorio la energía total del mismo debe ser positiva o nula, es decir, debe suceder que la energía cinética supere o, al menos iguale, la energía potencial. En el caso umbral estaremos calculando la velocidad de escape.​ Se puede calcular en el caso de la Tierra.

donde es la distancia radial o posición del cuerpo de masa con respecto a la masa que genera el campo gravitatorio ​

Velocidad de escape de la superficie de la Tierra

Si el móvil supera la velocidad de escape abandonaría todavía con más facilidad la acción del campo gravitatorio terrestre.

El potencial gravitatorio se define como la energía potencial por unidad de masa:

Y por tanto se obtiene:

Donde es la energía potencial de la unidad de masa, o potencial, a una distancia de la masa . Las unidades de en el S.I. son .

G es la constante de gravitación universal.

M es la masa del objeto que crea el campo y, por tanto, estará medida en .

Si M es puntual o de geometría esférica, las superficies equipotenciales (superficies de potencial constante) son la familia de esferas definidas por la familia de superficies:

siendo constantes arbitrarias cuyo valor numérico representa el potencial gravitatorio asociado a cada valor de la posición .

Las superficies equipotenciales gravitatorias terrestres son todas las esferas con centro en el de la Tierra.

Montaña Rusa

El dibujo de una montaña rusa en un plano se puede interpretar como la representación de la función energía potencial de un cuerpo en el campo gravitatorio. Cuanto más sube un móvil la montaña rusa, mayor es su energía potencial y menor su energía cinética , y por tanto se desplaza más lento. En los máximos relativos de dicha función (los picos de la montaña rusa) su energía potencial será más elevada que en los puntos de su entorno. Estos puntos se llamarán puntos de equilibrio mecánico inestable, ya que si se deposita en ellos un objeto con por poco que se desplace de ese punto, el objeto siempre tenderá a alejarse. Por otro lado, si lo situamos en los mínimos de la función (los valles de la montaña rusa), el móvil que los abandonase en uno u otro sentido siempre tenderá a volver hacia ellos, son los puntos llamados puntos de equilibrio estable.​ Como la energía mecánica del cuerpo se conserva , en la figura.

En el caso de un péndulo, cuyo movimiento puede alcanzar una altura medida a partir de su posición más baja, también se puede comprobar la ley de conservación de la energía. En los puntos más altos (altura h), donde la energía potencial es máxima, la velocidad del péndulo es nula y el movimiento cambia de sentido. Por otro lado, la posición más baja, que se puede llamar , será aquella con una mayor energía cinética y velocidad máxima pero con una energía potencial mínima. La posición se podrá tomar como origen de la energía potencial (se le puede asociar una energía potencial nula).

El diagrama de energía potencial gravitatoria de los planetas permite determinar la forma de su trayectoria en torno al sol. Para una energía media, que corresponda a la región del pozo de potencial, la trayectoria del planeta es una elipse de radios r1 y r2 (primera ley de Kepler)

La energía potencial gravitatoria influye en la forma de las órbitas de los planetas y otros cuerpos celestes del Sistema Solar.​ El tipo de órbita es una sección cónica y su forma dependerá de la energía mecánica total del cuerpo.​ La energía potencial es negativa o positiva, mientras que la energía cinética es siempre positiva.

La energía total del cuerpo, al ser la suma de ambas, puede ser negativa, positiva o nula. Es fácil reconocer la forma de las órbitas con ayuda del diagrama de energía potencial o el de potencial . La línea verde sirve para indicar en cada caso cuál es el valor de la energía total del planeta o el cuerpo celeste en la animación que sigue. El Sol se encuentra siempre en la posición , y representa el origen de la fuerza gravitatoria.​

Si la energía total es mayor que la que se necesita para que la órbita sea circular, pero aun así permanece negativa, la órbita pasa a ser una elipse exterior a la órbita circular. En este caso, el centro de fuerzas será uno de los focos de dicha elipse.

Si la energía total es menor que la necesaria para describir una órbita circular, no existirá el movimiento al resultar una energía cinética negativa.

Si la energía total llega a ser cero o positiva, la trayectoria deja de ser cerrada y el cuerpo escapará de la atracción gravitatoria ejercida por M. Si , la energía cinética es, en valor absoluto, igual a la energía potencial. Representa la mínima energía necesaria para que el cuerpo escape de dicha atracción alcanzando, entonces, la velocidad de escape y su trayectoria será una parábola con su foco en el centro de fuerzas.​ La trayectoria será, pues, abierta.

Si la energía total es positiva es porque en valores absolutos su energía cinética es mayor que su energía potencial. Por lo tanto, su velocidad excede la velocidad de escape y su trayectoria será una hipérbola, una cónica también abierta.

Esta catapulta hace uso de la energía potencial elástica

La elasticidad es una propiedad de ciertos materiales por la que, una vez deformados, estirados o separados de su posición inicial, pueden recuperar su estado original, o de equilibrio. Las fuerzas restauradoras responsables de la recuperación son las fuerzas elásticas como en el caso de los muelles, las tiras de goma o las cuerdas de instrumentos musicales. Muchas máquinas de guerra de la antigüedad utilizaban este tipo de energía para lanzar objetos a distancia como, por ejemplo, el arco que dispara una flecha, la ballesta o la catapulta. Las vibraciones u oscilaciones de los objetos materiales, ocasionadas por las fuerzas elásticas, son la fuente de las ondas sonoras. Las fuerzas recuperadoras, cuando el objeto recupera su forma original sin apenas amortiguamiento o deformación, son conservativas y se puede derivar una energía potencial elástica, que sumada a la energía cinética, permite obtener la energía mecánica del objeto.​

Un muelle elástico es un ejemplo de cuerpo que recupera su forma original de forma exacta: cuando se estira ejerce una fuerza elástica que tiende a devolverle a su longitud original. Se comprueba experimentalmente que esta fuerza restauradora es proporcional a la longitud estirada del muelle. La forma de expresar esta proporcionalidad entre la fuerza y la cantidad estirada es por medio de la ley de Hooke. El coeficiente de proporcionalidad en esta deformación depende del tipo de material y de la forma geométrica que se considere. Para sólidos, la fuerza elástica se describe generalmente, en términos de la cantidad de deformación, ocasionada por la fuerza de tensión resultante de un estiramiento determinado, llamado módulo de elasticidad o de Young. Para líquidos y gases se expresa por la variación de presión capaz de producir una variación del volumen y se denomina módulo de compresibilidad. Para muelles y cables se emplea una constante elástica k.​

La ley de Hooke describe aproximadamente las propiedades elásticas de los cuerpos y en la que se basan las condiciones elásticas de respuesta, cerca de las condiciones de equilibrio, del material deformable sujeto a un estiramiento o compresión. Tiene numerosas aplicaciones y en todas ellas la fuerza responsable se obtiene con la citada ley de manera aproximada, y el movimiento de respuesta resultante es el del oscilador armónico.​

Una de las propiedades de la elasticidad lineal de un sólido o de un fluido, al estirarse o deformarse, es que dicho estiramiento o deformación es proporcional a la fuerza aplicada. Es decir, se necesitaría una fuerza doble para producir un estiramiento doble. Esa dependencia lineal del desplazamiento con la fuerza aplicada es conocida como la Ley de Hooke.​. Además de sólidos elásticos lineales, existen sólidos elásticos no lineales con un comportamiento más complejo bajo deformación.

Robert Hooke fue un científico inglés tanto teórico como experimental, polemista incansable, con un genio creativo de primer orden, que formó parte del núcleo creador de la Royal Society. En 1660, mientras trabajaba como ayudante de Robert Boyle, formuló lo que hoy se denomina Ley de Elasticidad de Hooke. Si se aplica esta ley a una masa que está sujeta a un muelle, estirándolo una longitud x de su posición de equilibrio, la ley de Hooke establece que el bloque estará entonces sujeto a una fuerza elástica de recuperación de la forma:

siendo k la constante elástica del muelle y x el desplazamiento sufrido respecto de su posición de equilibrio x=0. El signo menos de la ecuación refleja que la fuerza elástica es una fuerza restauradora que tiende siempre a llevar al sólido a su posición de equilibrio, en este caso x=0.​

Si se coloca una masa m sujeta a un extremo del muelle y se separa una distancia x de su posición de equilibrio, x=0, este comenzará a oscilar con un movimiento armónico simple. En este movimiento el bloque posee una energía cinética y una energía potencial. Al ser la fuerza elástica que satisface la ley de Hooke una fuerza conservativa, se puede derivar la función energía potencial, bajo la acción de la fuerza elástica del muelle. Así, el trabajo realizado para estirar el muelle una distancia x desde su posición de equilibrio, oponiéndose a la fuerza del muelle es:​

Este trabajo representa la energía potencial E p que tiene el bloque en la posición x. Para ello se ha convenido en asociar la E p=0 a la posición x=0 (origen de la función potencial). Si ahora se calcula el trabajo para desplazar el bloque de una posición a otra , se comprueba que este solo depende de las posiciones inicial y final:​

En la figura se puede observar la función energía potencial E p( x) como una parábola centrada en x=0, función de la posición x. La recta de pendiente -k, es la fuerza elástica correspondiente . A la vez se representa la cantidad estirada del muelle en función de su posición x. Si con una fuerza F se produce un desplazamiento x, con la fuerza 2F el desplazamiento es también el doble, 2x. La parte negativa del eje x representa el desplazamiento de la masa cuando el muelle está comprimido.

Curva de energía potencial elástica y fuerza correspondiente aplicado a la respuesta de una bola sujeta a un muelle

Propiedades de la curva de energía potencial

Pendiente de la curva :

Si

Si

es un mínimo

La variación de la energía potencial representa un trabajo realizado por una fuerza conservativa. Del mismo modo que la fuerza de atracción entre dos masas es conservativa, también la fuerza eléctrica o fuerza de Coulomb entre dos cargas en reposo es conservativa, siendo de repulsión si tienen el mismo signo y de atracción si son de signo opuesto. Los objetos que se repelen tienen mayor energía potencial cuanto menor es la distancia entre ellos, y si se atraen es mayor su energía potencial cuanto mayor es la distancia entre ellos, como veremos a continuación. Si las cargas tienen velocidades relativas importantes comparadas con velocidad de la luz, una situación descrita por la electrodinámica clásica, las fuerzas electromagnéticas no son conservativas y no existe un potencial electrostático bien definido y deben emplearse los potenciales de Liénard-Wiechert.

El trabajo de una fuerza conservativa es igual a la diferencia entre el valor inicial y el valor final de una función, la energía potencial, dado que solamente dependerá de las posiciones inicial y final y no de la trayectoria seguida. Las fuerzas electrostáticas originadas por cargas eléctricas son conservativas y el trabajo realizado por estas fuerzas no dependerá de la trayectoria seguida:

siendo la función energía potencial y y los valores de la energía potencial en las posiciones A y B.​

Para calcular el trabajo debido a la fuerza eléctrica o electrostática, :

Para trasladar la carga de la posición A a la B se necesita primero expresar el trabajo infinitesimal como el producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento tangente a la trayectoria. Además, la fuerza eléctrica sobre la carga q es , siendo el campo eléctrico debido a la carga Q. De este modo, el trabajo elemental se puede escribir:​

siendo dr es el desplazamiento infinitesimal de la carga q en la dirección radial desde Q y la constante representa la permitividad eléctrica del vacío.

Así, el trabajo debido a la fuerza eléctrica entre las cargas Q y q se puede considerar como el realizado por el campo eléctrico E creado por la carga Q para trasladar la carga q, desde una posición A a otra B, una vez que se ha expresado la fuerza eléctrica en función del campo eléctrico creado por una de ellas, en este caso Q. Y será, entonces:​

Gráfica en la que se puede comprobar como disminuye el valor de Ep(r) al aumentar la separación entre ambas cargas siguiendo la ley

estando la carga fuente Q en el origen de coordenadas. El potencial eléctrico tiene el mismo comportamiento con la distancia r que la energía potencial eléctrica.

El hecho de que la fuerza electrostática sea conservativa significa que la energía cinética más la energía potencial asociada a la partícula de carga q y de masa m es una constante, es decir, su energía total E permanece constante para cualquier posición r adoptada por la partícula dentro de la región donde aparece el campo creado por Q:

Se puede calcular el potencial en un punto P debido a la presencia de un sistema de n cargas puntuales por medio de la superposición del creado por cada carga, sobre una dada, de manera independiente del resto. El potencial es una magnitud escalar a la que se puede aplicar el principio de superposición por ser lineales las ecuaciones de la electrostática.

El potencial creado por una carga a una distancia r viene dado por

El potencial creado por varias cargas en un punto P que distan de cada centro de carga respectivamente, será la superposición de los potenciales que crean cada una de las cargas, por separado, en dicho punto

El potencial debido a una distribución continua de carga se puede calcular transformando la última expresión. Las cargas puntuales pasan a ser elementos de carga infinitesimales dq y la suma pasa a ser una integral

Esta expresión supone que V=0 a una distancia infinita de distribución. No puede, por tanto, utilizarse para obtener el potencial creado por las distribuciones indefinidas de carga como pueden ser la distribución lineal de carga indefinida o el plano indefinido de carga. En toda región del espacio donde existe un campo eléctrico, existe también una energía potencial electrostática expresable como

extendida al volumen del espacio donde reside el campo eléctrico. Y siendo (definición de producto escalar de dos vectores).

Una forma práctica de visualizar en el espacio la energía potencial o el potencial consiste en utilizar la representación gráfica de las superficies equipotenciales o superficies de igual potencial. La definición matemática de superficie equipotencial aplicado a la energía potencial es:

Si una carga eléctrica que se desplaza a lo largo de una superficie equipotencial no experimenta cambios de energía potencial, ni por tanto, del potencial. Es decir,

Las líneas de campo eléctrico son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipotenciales con sentido hacia los potenciales decrecientes.

El trabajo para desplazar una carga entre dos puntos de una misma superficie equipotencial es nulo.

Dos superficies equipotenciales no se pueden cortar.

1.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por una carga positiva. Las (LE) son circunferencias; en tres dimensiones son superficies esféricas

2.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por un campo uniforme. Las (LE) son líneas rectas; en tres dimensiones son planos

3.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por un dipolo eléctrico. En tres dimensiones las (LE) forman superficies equipotenciales

Algunas aplicaciones de la energía potencial en el campo de la electrostática son:

Los condensadores

Un condensador es un dispositivo que almacena la energía en forma de energía potencial electrostática en su interior. Para almacenar la carga eléctrica, creadora del campo eléctrico, utiliza dos superficies conductoras en forma generalmente de láminas o placas separadas por un material dieléctrico (aislante). Estas placas son las que se cargarán eléctricamente cuando se conecte a una fuente de alimentación. Las dos placas se cargarán con la misma cantidad de carga (q) pero con distintos signos, siendo la magnitud de la carga proporcional a la diferencia de potencial aplicada. La constante de proporcionalidad entre la carga adquirida por el condensador y la diferencia de potencial alcanzado entre las dos placas se conoce como capacidad del condensador:

Un condensador cargado con una carga y aislado, representa un sistema que mantiene un campo eléctrico en su interior y, por tanto, almacena, en los lugares donde está presente el campo, una energía electrostática de origen 'potencial'. La expresión de esta energía potencial electrostática se puede representar en tres formas directas equivalentes. En dos de ellas aparece directamente la expresión de la diferencia de potencial entre sus armaduras:​

El generador de Van de Graaff

Un generador Van de Graaff consta de:

Un generador inferior que suministra cargas positivas al dispositivo de Van de Graff y cuyo polo negativo hace el papel de tierra del dispositivo.

Dos poleas, una inferior dotada de un motor de accionamiento, y una superior con una correa de material aislante ajustada a las dos poleas para transmitir el movimiento de la polea inferior a la superior.

Un gran cilindro hueco de material aislante que contiene el mencionado sistema mecánico.

Una gran esfera metálica superior hueca acoplada al cilindro hueco.

Dos peines metálicos de cerdas muy finas destinados a transmitir las cargas desde el generador inferior hasta la esfera metálica hueca del dispositivo de van de Graaff. El primero está enfrentado a la correa a nivel de la polea inferior y está conectado eléctricamente al polo positivo del generador inferior. El segundo está enfrentado a la correa a nivel de la polea superior. El peine metálico superior está conectado eléctricamente al interior de la esfera metálica hueca.

Funcionamiento del generador de Van de Graff

Se pone en marcha el motor que mueve la polea inferior, arrastra en su movimiento a la correa y transmite el movimiento a la polea superior.

El generador inferior suministra cargas positivas al peine inferior. Con ellas se crea un campo eléctrico elevado en las puntas del peine. Por el poder de las puntas del peine inferior, las cargas positivas son depositadas en la superficie exterior de la polea.

Las cargas depositadas sobre la correa viajan hasta la polea superior.

Las cargas positivas que llegan a la altura del peine superior crean un campo eléctrico elevado en las puntas del peine superior. Por el poder de las puntas del peine superior las cargas positivas de la correa son capturadas por el peine y llevadas a la gran esfera metálica.

Las cargas pasan a la cara externa de la esfera metálica superior.

El proceso es continuo de forma que en la esfera superior se llega a acumular una enorme cantidad de carga eléctrica positiva. Entre el electrodo de tierra del generador inferior y la esfera metálica superior se crea una diferencia de potencial de varios millones de voltios, lo cual constituye el objetivo del Van de Graff.

Si se conecta una esfera de prueba a la tierra inferior mediante un cable y se aproxima a la esfera metálica superior, debido a la gran diferencia de potencial existente entre ambas esferas se producirá una gran descarga eléctrica. Como alternativa, en el generador inferior se puede invertir la polaridad, poniendo el electrodo positivo a tierra y el negativo conectado al peine inferior. En estas condiciones las polaridades y las cargas se invierten: la correa arrastra las cargas negativas depositadas por el peine inferior, el peine superior retira las cargas negativas de la correa, la esfera superior adquiere una gran carga negativa y, por tanto, un potencial negativo muy elevado respecto a la tierra.​

Aplicaciones del generador Van de Graaff

La gran diferencia de potencial creada por el generador entre la esfera superior y la tierra inferior se emplea para acelerar partículas cargadas. Las partículas cargadas se producen en una fuente, recorren un tubo acelerador vertical, colocado no lejos de la cinta, e impactan sobre una muestra que hace de blanco. Según se utilice una u otra alternativa se podrán acelerar iones negativos o iones positivos. En resumen, la gran energía potencial electrostática acumulada en el Van de Graaff, de varios millones de electrón-voltios (1 electrón-voltio = 1.6×10 −19 J) se destina a suministrar una gran energía cinética a los iones del acelerador de partículas. El generador de Van de Graaff también se utiliza en Escuelas y Centros de Educación para hacer demostraciones sobre los efectos del alto potencial electrostático alcanzado en su esfera metálica.​

Es una forma de energía potencial relacionada con la organización estructural de los átomos o moléculas. Esta organización puede ser el resultado de enlaces químicos. La energía química de una sustancia puede ser transformada en otras formas de energía mediante una reacción química. Por ejemplo, cuando se quema un combustible la energía química se convierte en calor, de la misma forma que en el metabolismo de los alimentos en un organismo biológico. Los organismos fotoautótrofos pueden convertir energía solar en química mediante un proceso llamado fotosíntesis, y la eléctrica puede ser convertida en energía química mediante reacciones electro-químicas (por ejemplo una batería recargable).

En física nuclear, para desarrollar una teoría de la estabilidad del núlceo atómico, es necesario tener en cuenta tres observaciones. La primera es que el núcleo del átomo está constituido por protones y neutrones y que ambos conjuntamente son considerados como nucleones, dado que como tales nucleones le confieren al núcleo algunos de sus atributos, por ejemplo la existencia del número másico A. La segunda es que la resolución de la interacción a nivel de partículas debe llevarse a cabo empleando los procedimientos de la física cuántica, concretamente por aplicación de la ecuación de Schrödinger donde figura explícitamente la expresión de la energía potencial asociada al fenómeno de la interacción. La tercera es que para analizar la estructura del núcleo y de los nucleones hay que moverse dentro del margen de distancias y dimensiones de los femtometros (donde ).

En la estructura del núcleo intervienen dos tipos de fuerzas, las fuerzas electromagnéticas asociadas a las carga eléctricas de los protones y las fuerzas nucleares de origen cromodinámico.​ Las fuerzas eléctricas pueden ser aproximadas por un potencial electrostático. Sin embargo, las fuerzas nucleares si bien pueden ser aproximadas por el potencial de Yukawa para pares de nucleones, son más complicadas ya que en ellas también intervienen el espín de los nucleones y se ven afectadas por número relativo de protones y neutrones en un núcleo (un exceso de alguno de ellos produce inestabilidad, así como un número atómico elevado, ver radioactividad). Todos estos factores complican asociar una expresión aproximada de energía potencial a las fuerzas nucleares. Las características más sobresalientes a la hora de diseñar una energía potencial para el núcleo pueden ser las siguientes, si bien existen otras:​

Son fuerzas atractivas muy intensas de forma que superan en dos órdenes de magnitud la repulsión electrostática entre los protones.

Actúan por igual entre los nucleones, sean estos protones o neutrones.

Son de corto alcance de forma que un nucleón solo interacciona con sus vecinos inmediatos.

De todo ello se puede deducir que las fuerzas nucleares no acaban de encajar dentro del concepto de fuerzas conservativas. Sin embargo, dada la utilidad de la energía potencial y la necesidad de incorporarla a la ecuación de Schrödinger para resolver los problemas dentro de la física a nivel de partículas, se puede adoptar la existencia de la magnitud seleccionando también los márgenes de distancias donde pueda resultar factible esta hipótesis al introducir modelos prácticos.​

Si se lanzan partículas cargadas positivamente (dotadas de una carga |ze| donde z representa el número de protones que posee la partícula cargada) contra una muestra formada por átomos de número atómico Z (los núcleos de los átomos poseerán la carga ( ), estas tendrán que vencer una barrera de potencial para poder acceder al mismo. La barrera de potencial a franquear será de origen electrostático y se opondrá a la aproximación de las partículas cargadas.

Esta barrera de potencial se encontrará superpuesta a la energía potencial debida a las fuerzas nucleares que, en el caso de una gran aproximación, favorecerá la incorporación de la partícula al núcleo para crear una nueva configuración nuclear . El modelo de energía potencial asociado a las fuerzas nucleares atractivas consistirá así en un pozo rectangular de anchura , donde representa el radio del núcleo, y profundidad . El modelo de barrera asociado a la fuerza electrostática repulsiva será:​

La energía electrostática en la periferia del núcleo de radio caerá bruscamente hasta al entrar en juego las fuerzas nucleares atractivas. Justo en el borde del núcleo la barrera electrostática pasará por su valor máximo:

La existencia de esta barrera implica la necesidad de un aporte de energía cinética que sobrepase el valor anterior por parte de la partícula cargada impactante para poderla franquear y ser incorporada al núcleo. Para proporcionar una energía cinética a las partículas cargadas ze se acudirá a los aceleradores de partículas. Sin embargo, en virtud del efecto túnel, algunas partículas cargadas podrán atravesar la barrera de potencial tanto en sentido entrada al núcleo como en sentido salida del mismo, sin necesidad de ese aporte energético suplementario. Es el caso, por ejemplo, de la desintegración alfa.​

Esta expresión, si bien puede asociarse a la acción de las fuerzas nucleares, adolece de dos defectos. El primero es que al ser una fuerza atractiva muy intensa y que aumenta con la proximidad de los nucleones, se pensaría que podría llegar a colapsarlos. El segundo, que si bien los neutrones, una de las dos clases de nucleón, no exhiben ninguna carga eléctrica, los protones, la otra clase de nucleón, poseen una unidad de carga eléctrica elemental. Estos dos efectos no se toman en consideración, sin embargo, en la expresión de Yukawa.​

El primer efecto fue analizado y resuelto inicialmente por Jastrow (1951). Para ello estudió las interacciones neutrón-protón y protón-protón que impactaban en el margen de las altas energías (del orden de centenares de MeV). Llegó a la conclusión de la existencia de una fuerza repulsiva que surge a partir de un radio algo inferior al radio asociado al nucleón. La fuerza repulsiva crece muy fuertemente al disminuir la distancia entre los dos nucleones en interacción. Este radio inferior determina la existencia de un núcleo esférico impenetrable que protege la integridad del nucleón, el llamado "núcleo duro". En términos de energía potencial, la fuerza repulsiva origina una energía potencial positiva pero de pendiente negativa que disminuye muy fuertemente con r y lo hace con una pendiente superior en valor absoluto a la correspondiente a la de la energía potencial de Yukawa, asociada a la fuerza nuclear atractiva.​

El segundo efecto, es decir la existencia de una fuerza de interacción electromagnética, surge por la existencia de las cargas positivas del núcleo (protones) que será de naturaleza repulsiva entre ellos, también llamada potencial de Coulomb. Esta última, por tanto, se manifestará exclusivamente entre los protones pero no entre los neutrones o entre las parejas neutrón y protón. La energía potencial correspondiente a la interacción electromagnética entre dos protones situados a la distancia r valdrá

Referencias

Eisberg, R; Resnick, R (1992). Física Cuántica: átomos, moléculas, sólidos, núcleos y partículas. Limusa. .

Feynman, Richard; Leighton, Robert B; Sands, Mathew (1987). Física (Lecturas en Física) . Mecánica Cuántica (vol. 3). Addison_Wesley Iberoamericana S. A. .

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French, Anthony Phillip (1974). Mecánica Newtoniana (1ª edición). Barcelona: Reverté. .

Goldstein, Herbert; Poole, Charles P.; Safko, John L. (2001). Classical Mechanics (3 edición). Addison Wesley. .

Puente, Julio; Romo, Nicolás; Pérez, Máximo (2011). Física 2 (1ª edición). Madrid: ediciones SM. .

Resnick, Robert; Halliday, David; Krane, Kenneth S. (2003). Física I I (5ª edición). Italia: Casa Editicce Ambrossiana. .

Segrè, Emilio (1972). Núcleos y partículas. Barcelona: Reverté. .

Thornton, S. T.; Marion, J. B. (2003). Classical Dynamics of Particles and Systems (5ª edición). Thomson. .

Enlaces externos

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Energía potencial - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La energía potencial es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas (e.g. gravitatorio, electrostático, etc.) o a la existencia de un campo de fuerza en el interior de un cuerpo ( energía elástica).

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La energía nuclear o atómica es la que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado que es el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reacciones atómicas.

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Colaboradores de los proyectos Wikimedia

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Energía nuclear - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La energía nuclear o atómica es la que se libera espontánea o artificialmente en las reacciones nucleares. Sin embargo, este término engloba otro significado que es el aprovechamiento de dicha energía para otros fines, tales como la obtención de energía eléctrica, térmica y mecánica a partir de reac…

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La energía mecánica de un cuerpo o de un sistema físico es la suma de su energía cinética y la energía potencial.

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La energía mecánica de un cuerpo o de un sistema físico es la suma de su energía cinética y la energía potencial. Se trata de una magnitud escalar relacionada con el movimiento de los cuerpos y con las fuerzas de origen mecánico, como son la fuerza gravitatoria y la de origen elástico, cuyo principal exponente es la ley de Hooke. Ambas son fuerzas conservativas. La energía mecánica asociada al movimiento de un cuerpo es la energía cinética, que depende de su masa y de su velocidad. En cambio, la energía mecánica de origen potencial o energía potencial, tiene su origen en las fuerzas conservativas, proviene del trabajo realizado por estas y depende de su masa y de su posición. El principio de conservación de la energía relaciona ambas energías y expresa que la suma de ambas energías, la energía potencial y la energía cinética de un cuerpo o un sistema físico, permanece constante. Dicha suma se conoce como la energía mecánica del cuerpo o del sistema físico.

Sin embargo, en los sistemas reales, las fuerzas no conservativas, como las fuerzas de fricción, están presentes y no se verifica la conservación de la energía mecánica de manera rigurosa. No obstante, si la magnitud de las fuerzas de fricción es despreciable con relación a las fuerzas de origen conservativo, la energía mecánica del cuerpo se modifica poco y su conservación se aplica como buena aproximación. Cuando las materias apreciables se multiplican debe aplicarse un principio de conservación de energía más general, donde se incluya el trabajo debido a las fuerzas de fricción. En el cálculo de la energía mecánica de un sistema físico o en la aplicación del principio de conservación de la energía, es determinante conocer el tipo de fuerzas, conservativas o no conservativas, a las que está sujeto el sistema físico, así como el entorno en el que se aplican.

Los humanos han sabido aprovechar la energía mecánica desde tiempos muy tempranos y en muy diversas aplicaciones, comenzando por los inventos de los griegos con las poleas y engranajes o con las máquinas de guerra fenicias y romanas. En el caso de las catapultas romanas, el trabajo de compresión del brazo de la catapulta permite almacenar en la máquina una energía en forma de energía potencial. La mayor parte de esta energía se transmite luego al proyectil que sale disparado con una energía debida al movimiento, la energía cinética. Pero también parte de la energía se transmite al movimiento del brazo de la palanca y al desplazamiento de la honda (ambas en forma de energía cinética) y la otra parte se utiliza en la fricción de las cuerdas y en los engranajes que se calientan.

La energía es una magnitud escalar que representa una integral primera del movimiento y como tal, más fácil de utilizar que la propia fuerza que actúa sobre un móvil. Es un concepto que aparece en todos los campos de la física ( mecánica, electromagnetismo, ondas, etc.) y de la tecnología, sin embargo se expresa de manera diferente en cada uno de ellos según su aplicación concreta. El concepto de energía en la física está directamente relacionado con otras dos magnitudes físicas el trabajo y el calor que intercambian energía con el sistema físico.

La energía satisface un principio de conservación importante de modo que en cualquier proceso físico se conserva. Por ello, el balance de energía antes de realizar un proceso es el mismo que una vez finalizado este (Principio de conservación de la energía en su sentido más general, incluyendo las fuerzas de rozamiento).

La energía mecánica tiene dos contribuciones básicas, la relacionada con el movimiento y con las fuerzas de origen mecánico. La energía asociada al movimiento de un cuerpo es la energía cinética, que depende de su masa y de su velocidad.

Además de la energía cinética, la otra manifestación de la energía mecánica es la energía potencial mecánica relacionada con la naturaleza de las interacciones puestas en juego en el proceso físico que se esté desarrollando. En el caso concreto de la Energía Mecánica se tratará de las fuerzas gravitatorias o de las fuerzas elásticas. En ambos casos, la energía potencial es función de la masa del cuerpo que interviene y de su posición. Un ejemplo básico de energía potencial es la debida al peso de un cuerpo de masa m cerca de la superficie de la Tierra.

La suma de las energías, cinética y potencial de un objeto en una posición determinada del espacio y en un instante dado, es lo que se define como la energía mecánica del objeto material. En el artículo se consideran estas nociones así como las diferentes formas de expresar la energía según la fuerza presente o la aplicación que se realice, a fluidos o sólidos. Otro aspecto a considerar es la fricción entre los cuerpos que interaccionan. En este caso interviene el intercambio de energía en forma de calor, que afecta a la propia formulación del principio de la conservación de la energía.

Además de la energía, el trabajo o el calor, otra magnitud básica es la potencia mecánica para numerosas aplicaciones prácticas en el hogar y en la industria, en las que intervengan la producción y el consumo de energía. Para utilizar y conocer la energía mecánica de un cuerpo, se necesitan conocer las expresiones de la energía cinética en los movimientos de traslación y de rotación así como la energía potencial en el caso gravitatorio o la energía potencial elástica de un resorte. Se pasa a considerar la expresión sencilla de la energía potencial gravitatoria en las proximidades de la superficie terrestre.

Al tratar de la energía mecánica, como se ha explicado, hay que tener en cuenta su origen cinético o potencial, el tipo de movimiento implicado ya sea de rotación o traslación y las principales fuerzas que dan origen a esa energía mecánica. El estudio no estaría completo si no se considera el papel jugado por la energía mecánica cuando intervienen las fuerzas de fricción y la pérdida de energía mecánica producida por éstas. Por un lado, con la generación de calor y por otro, generando un cambio en la estructura de los cuerpos que rozan. En tales circunstancias, se vuelve a considerar la aplicación del principio de conservación de la energía. Para ello es preciso introducir la noción de energía interna. Para considerar mejor estos procesos se introduce la noción de fuerzas conservativas y fuerzas no conservativas.

Otras formulaciones físicas de la energía mecánica y del principio de conservación de la energía son, por un lado, la aplicación a los fluidos en movimiento (Ecuación de Bernouilli). Representa otra forma del principio de conservación de la energía. Y por otro, también se incluye brevemente el papel que juega el concepto de energía en la Termodinámica aplicado a gases. El primer principio de la termodinámica relaciona el calor, el trabajo y la variación de energía interna del sistema, entre sí. Este principio interviene como un caso práctico de aplicación del principio de conservación de la energía. En el caso de intervenir el calor y el trabajo, aparecen, además, limitaciones acerca del aprovechamiento de la transformación del calor en trabajo en máquinas térmicas, lo que se recoge en el segundo principio de la termodinámica. Se trata del Primer Principio de la Termodinámica, que interviene como un caso práctico de aplicación del principio de conservación de la energía. Por último se aplican los conceptos de la energía mecánica en los movimientos oscilatorios cuando no hay fricción (movimiento armónico simple ) y en casos más reales con fricción (movimientos amortiguados).

Algunos dispositivos transforman la energía mecánica en otro tipo de energía. Los grandes generadores eléctricos de las centrales productoras, por ejemplo, transforman la energía mecánica en energía eléctrica. Los motores eléctricos o las turbinas de vapor transforman la energía eléctrica o el calor, respectivamente, en energía mecánica. Y no puede faltar la conversión de la energía eólica que generan los aerogeneradores en energía mecánica de la hélice y esta última en energía eléctrica. ​

La conservación de la energía es una ley que permite realizar un balance de la energía de un sistema físico cuando interacciona con su entorno antes y después de la interacción. El balance de la energía del sistema en todas sus manifestaciones, de origen eléctrico, gravitatorio, químico, etc. no varía, permanece constante. Si bien puede convertirse de una forma de energía en otra. Constituye una ley o principio de conservación que se cumple en la naturaleza y que impone restricciones en la evolución de los sistemas físicos al igual que sucede con otros principios de conservación de la física.

Sin embargo, la energía mecánica por sí misma no siempre se conserva, ya que parte de la energía mecánica puede ser transformada en otra forma de energía no mecánica. Por ejemplo, si un bloque está cayendo por una rampa y hay rozamiento, la energía mecánica inicial del bloque no será igual a la final ya que parte de esa energía mecánica inicial se habrá disipado en forma del calor en la rampa y en el propio bloque, debido al rozamiento del bloque con la rampa. La energía disipada será la diferencia de la energía mecánica inicial menos la energía mecánica final del bloque. Si se incluyen las fuerzas no conservativas de fricción, el principio de conservación de la energía expresa que la suma de la energía mecánica disponible por el bloque antes de su recorrido por la rampa, es igual a la energía mecánica del bloque después de su recorrido más la energía que pierde debido a la fricción. Es decir, el principio de conservación de la energía en su sentido más general, incluye toda la energía disponible del sistema (el bloque), en un instante y una posición dados, incluida la energía intercambiada por el sistema al exterior o con otros cuerpos del entorno. La energía tiene diferentes formas de manifestarse y cada una de ellas presenta una expresión matemática diferente. En primer lugar está la energía mecánica en su expresión de movimiento o energía cinética o bien de origen potencial como la energía gravitacional debida a la fuerza gravitatoria, o la energía elástica debido a las fuerzas de origen elástico de los fluidos y sólidos, pasando por otras formas de energía como la energía eléctrica, energía química, energía radiante, energía nuclear, energía de masa,etc . A su vez la energía puede transformarse en calor o en trabajo y, viceversa, el calor y el trabajo pueden aumentar o disminuir la energía de un sistema.

La noción de energía presenta un gran interés en la práctica por ser una integral primera del movimiento para fuerzas conservativas y por satisfacer el principio de conservación de la energía en sus diferentes manifestaciones, como se verá a lo largo del artículo. Para ello es necesario conocer las formas de energía cinética y potencial, la energía mecánica de un objeto o la energía interna de un sistema así como la energía intercambiada con su entorno. Si, por ejemplo, se considera un móvil que asciende y desciende por una montaña sobre la superficie de la tierra, el principio de conservación de la energía expresa que cualquiera que sea su posición en la montaña, en ausencia de rozamiento, la suma de las energías cinética debida a su velocidad y potencial debida a su altura , se mantiene constante. Esa constante es la energía mecánica del móvil. Si se considera la posición más baja de la montaña la energía mecánica será toda de origen cinético, y si se considera la posición más alta de la montaña donde la energía potencial es máxima y la cinética mínima (si llega con velocidad nula) . Cualquier forma de energía, en general se mide en julios ( ) en el Sistema Internacional de Unidades.

El trabajo es una magnitud física directamente relacionada con la energía de los cuerpos, tiene su misma dimensión y, por tanto, también se mide en julios ( ) en el Sistema Internacional. Cuando sobre un cuerpo actúan fuerzas, éstas realizan un trabajo y las dos magnitudes físicas que intervienen son, el propio desplazamiento realizado por el cuerpo y la fuerza que actúa sobre el mismo. Considerando fuerzas conservativas como la fuerza gravitatoria o la fuerza elástica debida a un muelle, el trabajo realizado por estas fuerzas sobre un cuerpo aumenta su energía cinética , o bien lo contrario, la disminuye. En ambos casos, la causa por la que la del cuerpo ha variado en una cantidad , es debido al trabajo realizado por las fuerzas sobre los objetos materiales. El teorema de la energía cinética especifica la cantidad de que gana o pierde el cuerpo bajo la acción de las fuerzas que actúan sobre el mismo.

Si una fuerza se aplica sobre una partícula que describe una trayectoria curvilínea y es un desplazamiento elemental sobre la curva, el trabajo realizado por la fuerza para trasladar la partícula desde la posición hasta la , es ​

Se define la potencia ( ) como la rapidez con la que se realiza el trabajo. La potencia media ( ) es el trabajo ( ) realizado durante un tiempo ( ) dividido por el valor de dicho tiempo( ).​

La potencia instantánea se define como:

La potencia tiene unidades de energía en la unidad de tiempo y se mide en vatios ( ) en el Sistema Internacional (SI).

Para cualquier fuerza neta que actúe sobre una partícula de masa que se mueve a lo largo de una trayectoria curvilínea cualquiera, se puede demostrar que su trabajo es igual a la variación de la energía cinética de la partícula.

siendo,

Esta relación expresa que: el trabajo realizado por una fuerza F sobre una partícula a lo largo de una curva desde un instante inicial a uno final, es igual a la variación de energía cinética del móvil entre ambos instantes de tiempo, es el Teorema de variación de la energía cinética. Se verifica siempre, con independencia de la naturaleza de la fuerza que puede ser conservativa, no conservativa o puede ser la resultante de fuerzas de diferente naturaleza.

NOTA: justificación de los pasos intermedios para la demostración del teorema de la energía cinética

La energía cinética se presenta con diferentes expresiones dependiendo del tipo de movimiento descrito y la naturaleza del medio material.

De acuerdo con el teorema de la energía cinética, la energía cinética de un bloque de masa que se desplaza por una superficie horizontal con una velocidad es el trabajo realizado por la fuerza para llevar el bloque desde el reposo hasta alcanzar una velocidad determinada. Este cuerpo ha ganado una energía mecánica igual a la energía cinética alcanzada a la velocidad , como consecuencia del trabajo realizado por la fuerza que se aplica hasta alcanzar la citada velocidad. ​

Otra interpretación que se puede dar a la energía cinética es la del trabajo que realiza una fuerza sobre una partícula en movimiento, con una determinada velocidad inicial, oponiéndose a este, hasta detenerla. La energía cinética es una magnitud escalar, por tanto sin dirección ni sentido, como lo es todo tipo de energía, y siempre es mayor o igual que 0 . En esta ocasión, la partícula ha perdido toda su energía mecánica inicial.

Para analizar este tipo de energía en movimiento se puede considerar un péndulo. Si se libera la masa del péndulo desde un extremo de manera que oscile de un lado hacia el otro, va perdiendo altura en su movimiento hasta alcanzar el punto más bajo. La energía potencial se hace mínima en este lugar, a pesar de lo cual, la masa no se detiene y continúa su movimiento. Esto es gracias a una energía distinta, independiente de su trayectoria y del mecanismo que la origina, que le permite subir de nuevo, la energía cinética. A su vez, al alcanzar la altura máxima esta otra forma de energía desaparece, la energía potencial alcanza un máximo y se repite el proceso.

Para obtener una fórmula que exprese la energía asociada al movimiento hay que tener en cuenta que en el punto más bajo debe haber una cantidad de energía que le permita subir, de nuevo, hasta una cierta altura. Como esta energía se encuentra asociada al movimiento recibe el nombre de energía cinética. La energía cinética que alcanza en el punto más bajo es equivalente a su energía potencial máxima, es decir, al peso multiplicado por la altura que puede alcanzar el péndulo en correspondencia con su velocidad: . Si esta fórmula se expresa en función de las variables , velocidad del movimiento, y , aceleración del movimiento, se obtiene: , dado que . Esto es debido a que la energía mecánica del péndulo se conserva y toda la energía potencial que almacena, a una altura máxima , se transforma en energía cinética máxima, debida al movimiento con velocidad en su parte más baja.

El hecho de que el movimiento lleve asociada una energía no tiene nada que ver con que el péndulo se encuentre en un campo gravitatorio. La fórmula deducida anteriormente para la energía cinética es incorrecta para grandes velocidades por la necesidad de realizar una corrección relativista.

Se va a deducir la expresión de la energía cinética de un cuerpo sólido que gira alrededor de un eje con una velocidad angular y está sometido a un par de fuerzas de momento . En lugar de la noción de masa m hay que emplear el momento de inercia del sólido respecto al eje de rotación, en lugar de distancias hay que emplear ángulos y en lugar de aceleraciones lineales hay que emplear aceleraciones angulares .

Si el par de fuerzas fuera constante y el ángulo descrito finito la expresión general se reduciría al producto del par ( ) por el desplazamiento angular :

En un caso general de dinámica de la rotación donde la ley de Newton queda sustituida por el trabajo elemental realizado sería

y la variación de la energía cinética correspondiente quedaría representa por la expresión:

Donde y representan los valores de la velocidad angular y y los de la aceleración angular del sólido en las situaciones 1 y 2, respectivamente. Este es el Teorema de la Energía cinética para un trabajo realizado por un par de fuerzas en un desplazamiento angular. La expresión de la energía cinética de rotación, es, pues,

.

Un ejemplo de interés es el péndulo cónico del longitud , que actúa como un selector de velocidades, a mayor par de fuerzas ejercido sobre el péndulo, mayor velocidad alcanzará, mayor será su energía cinética de rotación y mayor, será, por tanto, la altura alcanzada. Esto es debido a que el ángulo que forma con la vertical aumenta al aumentar la velocidad angular, según la ley

La potencia instantánea desarrollada en el movimiento de rotación, si el par es constante, viene expresada por:

La fuerza gravitatoria (atractiva) que la Tierra ejerce sobre un cuerpo de masa viene dada por la expresión:

donde es la masa de la Tierra, la distancia del cuerpo al centro de la Tierra y G es la constante de gravitación universal la cual tiene un valor aproximadamente igual a 6,6742 × 10 −11 N.m²/kg².

La expresión del trabajo realizado por la fuerza gravitatoria al desplazarse el cuerpo desde la altura hasta la altura será la siguiente:​

Donde es la expresión de la energía potencial gravitatoria. Obsérvese que la energía potencial se anula en el infinito (a distancias muy grandes) y va creciendo en módulo al aproximarse al centro de la Tierra. O sea que se está midiendo el valor de la energía potencial con respecto a un punto muy alejado donde se considera que se encuentra el origen de energías potenciales.

En el supuesto de que la órbita descrita fuera circular, lo cual puede aproximarse bastante a la realidad, la velocidad del satélite sería constante y el movimiento descrito circular uniforme. Llamando a la velocidad, al periodo empleado por el satélite en recorrer la órbita y la altura del mismo medido con relación al centro de la tierra se puede aplicar la segunda ley de Newton, la fuerza que actúa es la gravitatoria, la masa del satélite es y la aceleración es la aceleración centrífuga . por lo tanto la situación de equilibrio dinámico requiere: , de donde despejando se obtiene . ​

De aquí se deduce que la velocidad del satélite no depende de su masa, sino única y exclusivamente de la masa de la Tierra y de la altura medida con respecto al centro de la misma.

En segundo lugar, el período que tarda el satélite en describir una órbita completa se obtiene de la siguiente expresión:

por ello, despejando la T y sustituyendo la expresión de la v, se obtiene:

Se puede observar que cuanto más grande sea la órbita, menor será la velocidad y mayor el período del satélite .

Epitafio de Stevin: El número de bolas de la cadena, que 'cuelgan' en la vertical del plano inclinado, proporciona una idea intuitiva de la energía potencial de la parte de la cadena que yace sobre el plano inclinado. A menor altura h, menos bolas tiene la cadena en la parte vertical y menor será, por tanto, la energía potencial de la cadena que yace en el plano vertical y viceversa (cadena en equilibrio).

La expresión de la energía potencial gravitatoria en las proximidades de la superficie terrestre adquiere una forma sencilla y muy empleada en la práctica. Sin embargo no se toma el infinito como origen de energía potencial, como se ha hecho en el párrafo anterior, sino que resulta mucho más práctico tomar la superficie de la Tierra como origen de energía potencial ( energía potencial cero ). Se va a deducir la expresión de esta energía. Para ello, la posición del cuerpo de masa se mide por la altura que posee medida con respecto al suelo y tomada según la vertical. La condición de proximidad del cuerpo a la superficie terrestre se expresa matemáticamente mediante la condición , donde representa el radio terrestre.

donde es una constante ( obtenida a partir de otras tres constantes ) que presenta dimensiones de aceleración y es la aceleración de la gravedad sobre la superficie de la tierra.

es la expresión bien conocida de la energía potencial debida al peso de una masa cerca de la superficie de la Tierra a una altura por encima de su posición más baja.

Una manera intuitiva de conocer la energía potencial debida al peso de un cuerpo es debida al matemático Simon Stevin. En su epitafio figura una cadena en equilibrio sobre un plano inclinado. El número de bolas que permanecen en la parte vertical del plano proporciona una idea de la energía potencial de las bolas sobre el plano inclinado. Si el plano tuviera más pendiente, mayor sería en número de bolas en la parte vertical y mayor sería la energía potencial de las bolas sobre el plano inclinado. Y viceversa, si la altura va disminuyendo, menor será el número de bolas en la vertical y menor su energía potencial hasta llegar a la altura donde en la vertical no hay ninguna bola y correspondientemente la energía potencial de la cadena sería cero.

Como ya se mencionó en la introducción, el sistema más simple para poder analizar el comportamiento de las fuerzas elásticas es el resorte aplicado a un bloque de pequeñas dimensiones y de masa m. Para mantener un resorte estirado en una longitud más allá de su longitud natural o de equilibrio, hay que aplicar una fuerza cuyo módulo puede expresarse como: , donde es la constante elástica del resorte que se mide en N/m en el SI. Cuando el resorte se encuentra estirado o comprimido, con un extremo fijo y en el otro está sujeta la masa, aparece una fuerza recuperadora sobre esta masa sujeta al muelle igual y de sentido contrario, de manera que y esta fuerza tiende siempre a llevar a la masa a la posición de equilibrio, donde el muelle está en su longitud natural (tanto si se ha estirado como si se ha contraído). Esta expresión establece una relación lineal entre la fuerza elástica y la distancia que se ha comprimido o estirado el muelle, y se conoce como ley de Hooke.

Si se quiere calcular el trabajo de la fuerza elástica realizado sobre la masa sujeta al muelle en el extremo libre, basta estirar la masa una distancia y observar el desplazamiento hacia la posición de equilibrio , producido por la fuerza elástica . El trabajo realizado por la fuerza elástica queda almacenado en el resorte en forma de energía potencial elástica . Se puede calcular este trabajo de la fuerza elástica actuando sobre la masa de manera más intuitiva como el área bajo la recta , con la relación lineal entre la fuerza elástica y la variable , que representa la cantidad estirada o comprimida del muelle. Como la fuerza recuperadora del muelle es conservativa, se puede relacionar este trabajo con la energía potencial disponible para la masa, en función de la distancia y la energía almacenada en el muelle.

Para calcular dicho trabajo, resulta de interés recurrir a la representación gráfica de la ley lineal y calcular el trabajo realizado en contra de la fuerza elástica para trasladar la masa sujeta al muelle, estirándola desde la posición de equilibrio hasta una posición . Por tanto, si se representa en una figura la elongación en el eje horizontal y la fuerza en el eje vertical, la ley de Hooke viene descrita por una recta de pendiente .

El trabajo realizado en contra de la fuerza elástica para trasladar la masa m desde la posición de reposo hasta la posición será: , que gráficamente corresponde con el área del triángulo comprendido entre y . Como se ha comentado, la fuerza elástica es conservativa y su trabajo representa la variación de una energía potencial que almacena el muelle en función de la elongación y de la que dispone la masa m en su movimiento oscilatorio. Esta energía potencial elástica que adquiere la masa sujeta al muelle, cuando está en la posición , es:

El trabajo realizado sobre la masa m, en contra de la fuerza elástica, en un estiramiento de a vendrá dado por la expresión:

Lo que representa el incremento de energía potencial elástica que adquiere la masa m al estirar el muelle de a . Si el resorte se comprime respecto de su longitud natural, en lugar de estirarse, los razonamientos son análogos pero la elongación del muelle respecto de su posición de equilibrio será negativa. De esta forma la masa m oscilará en torno a la posición de equilibrio entre una posición de máximo estiramiento y otra de máxima compresión . La energía potencial elástica será máxima en las posiciones extremas de alargamiento y compresión y será cero en el equilibrio.

Si sobre el cuerpo que actúa la fuerza elástica también actúa la fuerza gravitatoria, por tener una masa , como ambas son conservativas tienen asociadas una energía potencial. La energía potencial total que adquiere entonces el cuerpo, en virtud de su posición, será la suma de las energías potencial gravitatoria y elástica: .​

Se acaba de considerar cómo la energía debida a la fuerza elástica que se manifiesta cuando el resorte está bajo tensión o bajo compresión. Si un pequeño bloque sujeto a un resorte comprimido se coloca en posición horizontal (para que el efecto de la gravedad no afecte al sistema) y se suelta se puede observar su movimiento oscilatorio al estirarse y comprimirse el muelle de forma alternativa, pasando cada vez por la posición de equilibrio. Debido a la resistencia del aire, el bloque al cabo de un cierto tiempo, llega a pararse. Sucede entonces que toda la energía potencial de la cual se disponía el bloque al principio en forma de energía potencial elástica acaba por disiparse al exterior en forma de calor. El calor es, por tanto, otra forma de energía originada por el movimiento de las partículas que componen la estructura interna del material sólido del que está construido el resorte. Esta nueva manifestación de energía representa la agitación térmica de las moléculas de aire del entorno que hace que aumente la temperatura del mismo.

Existen otras muchas formas de energía de las que se hará una breve descripción.La energía eléctrica que está relacionada con el movimiento de las cargas eléctricas; la energía radiante, que es la energía electromagnética que transportan las ondas del espectro electromagnético, de especial interés cuando están en la región del espectro visible. Mención de interés también la energía química que es la que se libera en las reacciones químicas, y la energía nuclear cuyas fuerzas rigen las leyes de las partículas dentro del núcleo.

Cuando se consideran partículas con velocidades muy elevadas (próximas a la velocidad de la luz en el vacío), de acuerdo con la teoría de la relatividad, es preciso modificar las expresiones de la energía cinética de dichas partículas. Considerando una partícula de masa , como en la expresión relativista la masa depende de la velocidad ,su masa de reposo posee ya una energía , donde es la velocidad de la luz en el vacío y la energía total de la partícula es . Además la energía cinética de la partícula relativista se puede calcular en función de su energía total y de su energía en reposo: . Si la velocidad de la partícula es mucho menor que la de la luz la expresión anterior queda reducida a la ya conocida . La expresión de la energía relativista aporta un significado importante, cuando se analiza el principio de conservación de la energía, ya que tiene en cuenta la energía que posee un cuerpo como consecuencia de su masa. Cuando se apela a este principio en su expresión más general, está implícita la equivalencia masa-energía de la Relatividad Especial. Existen muchas formas de energía y la energía debida a la masa se puede considerar como una de ellas. A modo de ejemplo, se presenta un ejemplo de conservación de la energía que tiene en cuenta la energía asociada a la masa de las partículas. Si en un equipo de PET colisionan un positrón y un electrón, ambos con la misma masa en reposo, como resultado de su aniquilación dan lugar a una cantidad determinada de energía radiante equivalente, que se puede medir y calcular en la experiencia. Para ello basta conocer, en el momento de la colisión, la masa de las dos partículas que se aniquilan mutuamente, liberando, de esa forma, la energía debido a la masa que contienen:

James Prescott Joule

El calor es una forma de transferencia de energía entre un sistema y el medio que lo rodea. Al analizar el origen microscópico de esa transferencia de energía, observamos que al recibir calor del exterior las moléculas que constituyen el sistema, se produce un aumento de la energía cinética promedio de las mismas, es decir, un aumento de su energía cinética de agitación térmica y viceversa, una disminución de su energía cinética promedio, significa una transferencia de energía en forma de calor al exterior. Sin embargo, la energía almacenada en un sistema no es calor, como tampoco lo es el trabajo, ambas magnitudes físicas representan una energía en tránsito que es absorbida o cedida por los cuerpos. Además, el calor se suele disipar en los alrededores del sistema, lo que significa una pérdida de la energía por parte de los cuerpos que intervienen en el proceso. En 1845, James Prescott Joule publicó un trabajo "The Mechanical Equivalent of Heat", en el que obtiene un valor numérico concreto para la cantidad de trabajo mecánico que se necesita para producir una unidad de calor, es el equivalente mecánico del calor que permite expresar la unidad de calor, la caloría, en julios.

La unidad del calor en el SI es el julio (J), aunque también se puede expresar en calorías (unidad tradicional para el calor):

1 (caloría) = 4,1840 (julios)

El calor es una forma de intercambio de energía en los sistemas físicos cuando éstos están sujetos a una serie de procesos en los que absorben o ceden energía. Un sistema al absorber calor y aumentar su energía interna, aumenta su temperatura. La noción de temperatura está relacionado con el estado de agitación térmica de las partículas que componen el sistema. Por ello, cuando no hay un intercambio de energía con el exterior, se dice que el sistema está en equilibrio térmico y los objetos que componen el sistema tendrán todos la misma temperatura y e igual a la de los alrededores.

Para que haya equilibrio térmico entre dos sistemas, las energías cinéticas promedio de las partículas de los sistemas que interactúan tienen que ser las mismas. Esto es debido a que la energía cinética promedio del sistema es una medida de su estado de agitación térmica.

- es el número total de partículas

- es la velocidad de la partícula i-esima del sistema

Aplicado a un gas conteniendo N moléculas, la forma aproximada de su energía cinética es: , siendo la velocidad cuadrática media de las molécula del gas. Además, la teoría cinética de gases afirma que la velocidad cuadrática media de las moléculas se puede expresar como: , siendo la constante de Boltzmann y la masa molecular. De modo que la temperatura absoluta del gas se puede expresar en función de la energía cinética del sistema como:

y, por tanto, la temperatura,

,

este es un resultado importante de la teoría cinética: "el promedio de la energía cinética de las moléculas es proporcional a la temperatura absoluta del gas ideal".

Así la temperatura aparece como una cantidad relacionada con la energía cinética promedio de las partículas del sistema. Se puede afirmar que: dos sistemas en equilibrio térmico deben estar a la misma temperatura, y que la energía se puede intercambiar en forma de calor solamente cuando la temperatura de dos sistemas es diferente, transfiriéndose el calor de forma natural desde el cuerpo de mayor al de menor temperatura (sentido de la flecha de un proceso irreversible). El sentido de la flecha (único sentido en el que se realiza el proceso) en los procesos naturales, viene regulado por el segundo principio de la Termodinámica a través de la función entropía. La función entropía del sistema sumada a la de los alrededores que interaccionan con él, siempre aumenta cuando tiene lugar un proceso irreversible.

Trabajo de las fuerzas no conservativas

El trabajo realizado por las fuerzas disipativas, de fricción o no conservativas, se manifiesta como una pérdida de la energía mecánica . Tiene su origen en las fuerzas de fricción entre sólidos, que proporcionan el trabajo mecánico W que da finalmente la pérdida de energía, cuando el cuerpo está en movimiento sobre una superficie poco pulida y se mide su energía mecánica al inicio y al final del recorrido: de forma que y . Este tipo de fuerzas no derivan de una energía potencial a diferencia de las fuerzas conservativas como la gravedad o la fuerza elástica. Si bien las fuerzas disipativas tienen leyes empíricas cuyos efectos se manifiestan en deformaciones de los sólidos y en pérdidas de la energía mecánica, tienen su origen, a nivel molecular de la materia, en las fuerzas electromagnéticas. Así, la pérdida de energía mecánica se intercambia con el exterior en forma de calor. Si consideramos toda la energía disponible incluida la pérdida en forma de calor por el cuerpo sujeto a fuerzas disipativas, ésta debe ser la misma que la energía mecánica inicial. En este sentido se habla de un principio de conservación de la energía más general: La energía total de un sistema aislado permanece constante, que Albert Einstein generalizó en su principio de equivalencia de masa-energía ​

Trabajo de la fuerza de rozamiento

Ley de conservación de la energía cuando aparecen fuerzas de fricción

Debido a la fricción entre sólidos, hay una disipación en forma de calor hacia el exterior de los mismos. Esto es debido a la rugosidad que presentan las superficies comunes de separación que provoca un cambio en la energía mecánica de los sólidos sujetos a fuerzas de fricción, liberándola en forma de calor y también deformando los cuerpos. Si se considera la estructura interna de los dos cuerpos cuyas superficies están sujetas a fricción, puede haber un cambio en su estructura como consecuencia del rozamiento dinámico. En ese caso, la energía asociada al cambio de su estructura o al cambio de la temperatura de los dos cuerpos provoca un cambio o variación en la energía interna del material o materiales implicados que no será considerada. Los cuerpos sujetos a fricción se calientan aumentando su temperatura hasta llegar a una temperatura de equilibrio. Una vez llegan a su temperatura de equilibrio, se inicia la pérdida de energía en forma de calor al exterior de los cuerpos. Lo que siempre se ha de tener en cuenta, por tanto, es la disipación de energía, en forma de calor al exterior, como consecuencia del trabajo de las fuerzas de fricción. En el caso del bloque de masa deslizándose por la superficie rugosa, este trabajo es igual a la disminución de la energía cinética del bloque que al ir disminuyendo su velocidad acaba parándose. Con ayuda del teorema de la energía cinética, TEC, se puede verificar este razonamiento. Si se calcula la variación de energía mecánica del bloque al deslizarse sobre una superficie horizontal poco pulida desde una posición 1 con una velocidad hasta una posición 2 con una velocidad , aplicando el TEC, se obtiene:

El cálculo del trabajo de la fuerza disipativa se obtiene expresando la fuerza de rozamiento del bloque con la superficie como

Por ello se puede afirmar que la disminución (signo negativo) en la energía mecánica es igual al trabajo efectuado por las fuerzas de fricción o de rozamiento. Para analizar la diferencia entre el trabajo realizado por una fuerza disipativa y una conservativa se muestra, a continuación, el resultado del trabajo realizado en un ciclo, en dos ejemplos distintos, uno por la fuerza de fricción y otro por la fuerza conservativa del peso. Cuando se quiere calcular el trabajo total de la fuerza de rozamiento , de ida y vuelta, al desplazarse el cuerpo por una superficie rugosa una distancia , este trabajo total es negativo y en valor absoluto es dos veces el de ida. En efecto, si la fuerza de rozamiento del bloque con la superficie es: , siendo el coeficiente de rozamiento entre ambas superficies y la fuerza normal de presión entre ambas, .

Por tanto, considerando el trabajo de la fuerza de fricción sobre el bloque deslizándose por la superficie rugosa, la energía mecánica del cuerpo no se conservará:

que corresponde a una disminución de la energía mecánica del bloque.

A continuación, se analiza la variación de la energía mecánica de un sistema en movimiento en un ejemplo más general, considerando que el bloque se traslada por un plano inclinado de superficie poco pulida teniendo, en una posición inicial, unas energías cinética y potencial debida al peso después de haber recorrido una distancia sobre la superficie rugosa hasta llegar a una posición final de energías y respectivamente. Si la energía mecánica se escribe como suma de las energías cinética y potencial debida al peso del bloque, , el principio de conservación de la energía se podrá expresar como:

Así, si se tiene en cuenta también la energía disipada al exterior del sistema, el principio de conservación de la energía conduce a un balance de energía en el que la energía mecánica de un sistema sujeto a fuerzas no conservativas, antes de sufrir la interacción con la fuerza disipativa, es igual a la energía mecánica del sistema después de sufrir dicha interacción más la energía disipada al exterior en forma de trabajo de la fuerza disipativa.

La importancia de la ley de la conservación de la energía radica en la capacidad de poder analizar procesos sin entrar a considerar directamente las fuerzas que actúan sobre el sistema ni su movimiento como consecuencia de las mismas. Existen otras leyes de conservación análogas a la de la conservación de la energía para la conservación de otras magnitudes físicas, una de ellas es la conservación del momento lineal y otra es la conservación del momento angular.

En general, estos principios de conservación tienen una lectura distinta en mecánica clásica y en mecánica cuántica debido a la naturaleza continua de la materia a nivel macroscópico y discreta a nivel microscópico. Así, en mecánica cuántica, la energía de un fotón es un múltiplo entero de la constante de Planck, y la energía electromagnética en absorbida y emitida por los cuerpos, de manera análoga, en forma de cuantos.

Caben destacar otras tres leyes de conservación: la conservación de la carga eléctrica, la de los bariones y la de los leptones. La primera se refiere a que el balance de partículas de carga positiva y de carga negativa de un sistema físico es siempre el mismo, incluso aunque estas partículas cargadas interaccionen entre sí. La segunda se refiere a que, al interaccionar entre sí dos núcleos atómicos, siempre el número de bariones después de la interacción será igual al número de bariones antes de la reacción. La conservación de los leptones afirma que lo mismo que sucede con los bariones, también sucede con los leptones, como confirma la experiencia. En mecánica cuántica cuando se analizan las interacciones entre las diferentes partículas fundamentales se observan ciertos tipos de interacción que están permitidas y son comunes, mientras que otras están prohibidas . Las permitidas están relacionadas con las leyes de conservación, invariancias o simetrías de las partículas y que están asociadas a específicos números cuánticos, además del número cuántico bariónico o el leptónico mencionados y recogidos por el modelo estándar.

Y por último se considera el concepto de conservación de la energía teniendo en cuenta la noción de la energía aprovechable. Las leyes que gobiernan la energía útil vienen dadas por la termodinámica e incorporan el concepto de entropía. Se puede producir energía a partir de una gran diversidad de fuentes: sol, lluvia, carbón, etc. Todas ellas son dependientes de la energía recibida del Sol. Esta producción de energía está gobernada por el Primer Principio de la termodinámica (ver más adelante) que es el de conservación de energía aplicada a sistemas de muchas partículas, las moléculas que componen la materia. Sin embargo algunas de estas transformaciones para producir energía útil, presentan ciertas limitaciones, reguladas por el Segundo Principio de la termodinámica.

En la física está muy presente el principio de conservación de la energía para explicar los fenómenos que suceden en la naturaleza y en particular al tratar con el movimiento de fluidos (líquidos y gases). Cuando se trata con fluidos en movimiento por una conducción sobre la superficie de la Tierra y para explicar y calcular cómo se modifica su velocidad al variar su altura o presión, se debe aplicar el principio de Bernouilli (1738). Es un principio de conservación de la energía aplicado al fluido considerado como un continuo, incompresible (con densidad constante) que ignora las pérdidas debidas a la fricción. Aun considerando unas condiciones ideales, la ecuación de Bernouilli es capaz explicar fenómenos tan importantes como, el efecto Venturi, el efecto Magnus o la sustentación aerodinámica.

Si se considera un fluido ideal que circula por una conducción de forma no uniforme y se analiza la variación de energía cinética y la variación de energía potencial de una rebanada del mismo en el tiempo que invierte en pasar de una posición que se llamará 1, a otra posición de la conducción que se llamará 2, la ecuación de conservación de la energía se expresará:

esta suma de variaciones de la energía cinética y de la energía potencial del sistema, es debida al trabajo realizado sobre los dos extremos del tubo por el fluido externo.

Esto es debido a que la variación de energía cinética se escribe como , la variación de energía potencial como , debido al peso de la rebanada de fluido (que tiene la misma masa al pasar de una posición 1 a la otra 2), a la diferencia de alturas entre las dos rebanadas y expresando la masa de la rebanada como .

La ecuación de Bernouilli indica que el trabajo efectuado sobre una unidad de volumen de fluido por el fluido circundante es igual a la suma de los cambios de energía cinética y potencial por unidad de volumen que suceden durante el proceso.

Una forma más práctica de expresar la ecuación es la siguiente:

Se puede observar que todos los términos de la ecuación anterior representan energías por unidad de volumen. También puede interpretarse como una aplicación del principio de conservación de la energía por unidad de volumen a un fluido en movimiento.

El primer principio de la termodinámica es una forma de expresar el principio de conservación de la energía cuando sobre un sistema físico, sólido, líquido o gas, se realizan transferencias de calor y de trabajo desde el exterior del mismo. Más específicamente, suele aplicarse al funcionamiento de las máquinas térmicas, que al ser alimentadas con una cierta cantidad de calor , son capaces de realizar un trabajo mecánico .

El aprovechamiento de la energía que genera una máquina térmica tanto para producir un trabajo mecánico, generar energía eléctrica como para funcionar como máquina frigorífica, debe cumplir, en primer lugar, el citado principio de la conservación de la energía. Tanto el trabajo realizado como el calor tomado del exterior se manifiestan como variaciones de la energía interna del sistema (energía de las moléculas que componen el sistema).

Primer Principio de la Termodinámica: , donde es la variación de la energía interna sufrida por el sistema al intercambiar calor y trabajo con el exterior.

La aplicación del Primer Principio de la Termodinámica presenta algunas restricciones expresadas en el segundo principio de la termodinámica que establecen un límite añadido a la producción máxima de trabajo. El límite impuesto por el Segundo Principio da lugar a la máquina térmica reversible distinguiéndola, a su vez, de la no-reversible, de menor rendimiento.

Para una posible aplicación práctica de estos dos principios podría acudirse a los equipos generadores de energía. En las centrales térmicas se produce el calor por la combustión de un combustible ( carbón, petróleo, gas, etc.). En las centrales nucleares el calor se produce a partir de la energía nuclear. En ambos casos existe un fluido ( agua) que se calienta hasta ser transformado en vapor muy caliente. El vapor mueve una turbina produciendo un trabajo. El vapor residual se ha enfriado y abandona la turbina, pero todavía posee un incremento de energía interna respecto al agua que se calentó. Ese incremento de energía interna no genera trabajo y se elimina al exterior refrigerando el vapor hasta recuperar el agua, la cual queda lista para un nuevo calentamiento.

El razonamiento del párrafo anterior ha consistido en una aplicación del Primer Principio de la Termodinámica. El razonamiento puede continuarse por aplicación del principio de conservación de la energía, observando que el trabajo desarrollado por la turbina es transmitido en la propia central a un alternador. El alternador genera energía eléctrica que es distribuida a los usuarios a través de una red eléctrica. Los usuarios transformarán la energía eléctrica en trabajo, en calor o en otros tipos de energía.

Para analizar el movimiento oscilatorio más sencillo, el M.A.S., se considera el sistema más básico: un pequeño cuerpo de masa que oscila en el extremo de un resorte, de masa despreciable y de constante recuperadora , colocado horizontalmente. Suponiendo que el aire no ofrezca resistencia apreciable al movimiento de la masa sujeta al resorte, la fuerza recuperadora del resorte es la única fuerza horizontal (según la dirección del eje ) que actúa sobre el cuerpo y en primera aproximación obedece a la ley de Hooke , con su posición de equilibrio en . Al ser la fuerza elástica una fuerza conservativa, el sistema masa muelle posee una energía potencial elástica [sección 5.3.3], de forma que la energía mecánica del sistema es constante. La energía cinética del cuerpo es y la energía potencial del resorte, cuando se encuentre estirado o comprimido una distancia , es según se vio en la sección de energía potencial elástica (5.3.3): . Al no haber fuerzas de fricción que efectúen un trabajo, la energía mecánica se conserva y es una constante:

La energía está relacionada con la amplitud, , del movimiento generado. Cuando el desplazamiento de la masa respecto a la posición de equilibrio es máximo, siendo la amplitud del movimiento, la energía potencial es máxima y proporcional a la amplitud al cuadrado, y la energía cinética es cero, puesto que su velocidad es . Por lo tanto, en esa posición, la energía mecánica es solo de origen potencial, . Por lo tanto:

De esta ecuación se puede deducir la expresión de la velocidad para cualquier desplazamiento de x:

Por otro lado, se puede observar que la velocidad máxima se obtiene para . Llamando , se deduce: . De acuerdo con la nueva notación, la masa oscila con una velocidad entre y . La magnitud física descrita por , que se mide en ciclos/s, recibe el nombre de pulsación natural del M.A.S. ​

En los movimientos oscilatorios aparecen inevitablemente las fuerzas de fricción, de forma que la oscilación se va amortiguando con el tiempo y acaba extinguiéndose, dando origen a las oscilaciones amortiguadas. Además de la fuerza recuperadora conservativa propia de los movimientos armónicos , aparece una fuerza amortiguadora que no es conservativa. No resulta difícil comprender la existencia de esta fuerza, pues en la práctica se observa su aparición, por ejemplo en un reloj de péndulo o en una campana. Son sistemas mecánicos donde sus respectivos movimientos de oscilación no perduran eternamente: en ellos aparece una fuerza que actúa contra el movimiento y que lo frena gradualmente. Esto lleva a la conclusión de que la energía mecánica de este tipo de sistemas no es constante, sino que disminuye con el tiempo, debido precisamente al trabajo de esa fuerza no conservativa que amortigua la oscilación. El trabajo de las fuerzas de fricción del sistema oscilante, ya sea debido a la fricción con el aire, ya sea debido a la fricción entre sus propios mecanismos de funcionamiento (fricción entre los engranajes de un reloj), a su eje de sustentación (eje de oscilación de una campana) o a una combinación de todos ellos, en definitiva, consume una energía. Esa energía acaba, en la mayoría de los casos, disipándose al exterior del sistema en forma de calor. La fuerza amortiguadora o de fricción que aparece entre un cuerpo sólido y un fluido dentro del cual se desplaza puede expresarse como: , en la que es la constante de proporcionalidad que refleja la intensidad de la fuerza amortiguadora y la velocidad del cuerpo en la dirección del movimiento. Obsérvese que la fuerza de fricción lleva misma dirección que la velocidad, es proporcional a ella y, además, es de sentido opuesto a la misma. Incorporando la fuerza de fricción, al aplicar la segunda ley de Newton se obtiene:

De esta expresión se pueden deducir otras expresiones, entre ellas la ley del movimiento armónico amortiguado. En particular, resulta de interés la deducción de la pérdida de energía mecánica. Se sabe que, en cualquier instante, la energía mecánica vale:

donde el primer sumando es la energía cinética y el segundo sumando la energía potencial. Si se deriva la expresión respecto al tiempo:

Como la derivada de la velocidad respecto del tiempo es la aceleración, y la derivada de la posición respecto del mismo es la velocidad se deduce:

De [1] se obtiene: . Y finalmente:

Se deduce pues que, sea cual sea el sentido de la velocidad, la energía del sistema oscilatorio disminuye. Las oscilaciones van disminuyendo de amplitud, perdiendo su energía hasta que, al final, acaba parándose. Además, sabiendo que la potencia mecánica es: , y también se puede expresar como: . Esta expresión es la potencia amortiguadora del movimiento o potencia disipativa debida a la fuerza de fricción, que representa la rapidez con la que actúa la fuerza amortiguadora y, por consiguiente, la rapidez con la que se reduce la energía mecánica del sistema a causa de la fricción.​

Algunos tipos de energía mecánica son:

1. Energía hidráulica: se deja caer agua y se aprovecha la energía potencial obtenida. Se utiliza para generar energía eléctrica y para mover molinos de harina.

2. Energía eólica: producida por los vientos generados en la atmósfera terrestre. Se utiliza para generar energía eléctrica, como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para la agricultura. Es un tipo de energía cinética.

3. Energía mareomotriz: producto del movimiento de las mareas y las olas del mar, es un tipo de energía cinética.

Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (2009). Física Universitaria de Sears-Zemansky I (Decimosegunda edición). México: Pearson. .

Young, Hugh D.; Freedman, Roger A. (2009). Física Universitaria de Sears-Zemansky II (Decimosegunda edición). México: Pearson. .

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Energía mecánica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La energía mecánica de un cuerpo o de un sistema físico es la suma de su energía cinética y la energía potencial. Se trata de una magnitud escalar relacionada con el movimiento de los cuerpos y con las fuerzas de origen mecánico, como son la fuerza gravitatoria y la de origen elástico, cuyo principal exponente es la ley de Hooke.

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Energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía es aquella que se obtiene del aprovechamiento de las energías cinéticas y potenciales de la corriente del agua, saltos de agua o mareas.

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Rotor de palas en un pequeño curso de agua.

Energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía es aquella que se obtiene a partir del aprovechamiento de las energías cinéticas y potenciales de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Se puede transformar a diferentes escalas. Existen, desde hace siglos, pequeñas explotaciones en las que la corriente de un río, con una pequeña represa, mueve una rueda de palas o astas y genera un movimiento aplicado generalmente a molinos o batanes.

Generalmente se consideraba como un tipo de energía renovable puesto que no emite productos contaminantes. Otros consideran que produce un gran impacto ambiental debido a la construcción de las presas, que inundan grandes superficies de terreno y modifican el caudal del río y la calidad del agua.​​

Un pistón de agua del Nongshu de Wang Zhen (fl. 1290-1333)

Saint Anthony Falls, Estados Unidos; la energía hidráulica se utilizaba aquí para moler harina.

Molino de mineral impulsado por agua, finales del siglo XIX.

La evidencia sugiere que los fundamentos de la energía hidráulica se remontan a la civilización griega antigua.​ Otras evidencias indican que la rueda hidráulica surgió de forma independiente en China alrededor del mismo periodo.​ Las evidencias de rueda hidráulicas y molinos de agua se remontan al antiguo Cercano Oriente en el siglo IV a. C.​ Además, ciertas evidencias indican el uso de la energía hidráulica mediante máquinas de riego en las civilizaciones antiguas de Sumer y Babilonia.​ Los estudios indican que la rueda hidráulica fue la forma inicial de energía hidráulica y que era impulsada por humanos o animales.​

En el Imperio Romano, los molinos accionados por agua fueron descritos por Vitruvio en el siglo I a. C.​ El molino de Barbegal, situado en la actual Francia, tenía 16 ruedas hidráulicas que procesaban hasta 28 toneladas de grano al día.​ Las norias romanas también se utilizaban para aserrar mármol, como el aserradero de Hierápolis de finales del siglo III d. C.​ Dichos aserraderos tenían una rueda hidráulica que accionaba dos manivelas y bielas para accionar dos sierras. También aparece en dos excavaciones del siglo VI del Imperio bizantino aserraderos descubiertos en Éfeso y Gerasa. El mecanismo de manivela y biela de estos molinos de agua romanos convertía el movimiento rotatorio de la rueda hidráulica en el movimiento lineal de las hojas de sierra.​

En China, durante la dinastía Han (202 a. C. - 220 d. C.), se cree que los martillos y fuelles accionados por agua eran accionados por cucharas de agua.​ Sin embargo, algunos historiadores sugirieron que eran impulsados por ruedas hidráulicas. Esto se debe a que se ha teorizado que las palas de agua no habrían tenido la fuerza motriz suficiente para hacer funcionar los fuelles de un alto horno.​ Muchos textos describen la rueda hidráulica huna; algunos de los más antiguos son el diccionario del año 40 a. C., el texto de Yang Xiong conocido como el del año 15 a. C., así como el Xin Lun, escrito por Huan Tan hacia el año 20 d. C.​ También fue durante esta época cuando el ingeniero Du Shi (c. 31 d. C.) aplicó la fuerza de las ruedas hidráulicas a los pistones- fuelles para forjar el hierro fundido.​

Otro ejemplo del uso temprano de la energía hidráulica se ve en el erosionado. El erosionado es el uso de la fuerza de una ola de agua liberada de un tanque en la extracción de minerales metálicos. El método se utilizó por primera vez en las minas de oro de Dolaucothi en Gales a partir del año 75 de nuestra era. Este método se desarrolló posteriormente en España en minas como Las Médulas. El descabezamiento también fue ampliamente utilizado en Británica en la Medieval y períodos posteriores para extraer minerales de plomo y estaño. Posteriormente evolucionó a minería hidráulica cuando se utilizó durante la fiebre del oro de California en el siglo XIX.​

El Imperio islámico abarcaba una gran región, principalmente en Asia y África, junto con otras zonas circundantes.​ Durante la Edad de Oro del islam y la Revolución agrícola del islam medieval (siglos VIII-XIII), la energía hidroeléctrica fue ampliamente utilizada y desarrollada. Los primeros usos de la energía mareomotriz surgieron junto con los grandes complejos hidráulicos de fábricas.​ En la región se utilizaba una amplia gama de molinos industriales accionados por agua, como batanes, molino de carne, molino de papel, descarilladora, aserradero, molino de barcos, fábrica de sellos, fábrica de acero, fábrica de azúcar y molino de mareas. En el siglo XI, todas las provincias del imperio islámico contaban con estos molinos industriales, desde al-Ándalus y África del Norte hasta el Oriente Medio y Asia Central.​ Los ingenieros musulmanes también utilizaron turbinas de aguas al tiempo que empleaban engranajes en los molinos de agua y en las máquinas elevadoras de agua. También fueron pioneros en el uso de presas como fuente de energía hidráulica, utilizadas para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y a las máquinas de elevación de agua.​

Además, el ingeniero mecánico musulmán Al-Jazari (1136-1206) describió en su libro El libro del conocimiento de los ingenios mecánicos el diseño de 50 aparatos. Muchos de estos dispositivos eran accionados por agua, incluyendo relojes, un dispositivo para servir vino, y cinco dispositivos para elevar el agua de ríos o estanques, donde tres de ellos son accionados por animales y uno puede ser accionado por animales o por agua. Además, incluían una cinta sin fin con cántaros acoplados, un shadoof impulsado por una vaca (una herramienta de riego parecida a una grúa), y un dispositivo alternativo con válvulas abatibles.​

Benoît Fourneyron, el ingeniero francés que desarrolló la primera turbina hidroeléctrica

En el siglo XIX, el ingeniero francés Benoît Fourneyron desarrolló la primera turbina hidroeléctrica. Este dispositivo se implantó en la central comercial de las cataratas del Niágara en 1895 y aún sigue en funcionamiento.​ A principios del siglo XX, el ingeniero inglés William Armstrong construyó y puso en funcionamiento la primera central eléctrica privada que se encontraba en su casa de Cragside en Northumberland, Inglaterra.​ En 1753, el ingeniero francés Bernard Forest de Bélidor publicó su libro, Architecture Hydraulique, que describía las máquinas hidráulicas de eje vertical y horizontal.​

La creciente demanda de la Revolución Industrial impulsaría también el desarrollo.​ Al comienzo de la Revolución Industrial en Gran Bretaña, el agua fue la principal fuente de energía para nuevos inventos como el Richard Arkwright de water frame.​ Aunque la energía hidráulica dio paso a la energía de vapor en muchos de los molinos y fábricas más grandes, se siguió utilizando durante los siglos XVIII y XIX para muchas operaciones menores, como el accionamiento de los fuelles en los pequeños altos hornos (por ejemplo, el horno de Dyfi). Por ejemplo, el horno Dyfi y los molinos, como los construidos en las cataratas de San Antonio, que aprovechan el desnivel de 15 metros del río Misisipi.​

Los avances tecnológicos trasladaron la rueda de agua abierta a una turbina cerrada o motor de agua. En 1848, el ingeniero británico-estadounidense James B. Francis, ingeniero jefe de la compañía Lowell's Locks and Canals, mejoró estos diseños para crear una turbina con una eficiencia del 90 %.​ Aplicó principios científicos y métodos de prueba al problema del diseño de turbinas. Sus métodos de cálculo matemático y gráfico permitieron diseñar con seguridad turbinas de alto rendimiento que se ajustaban exactamente a las condiciones de flujo específicas de un lugar. La turbina de reacción Francis sigue en uso. En la década de 1870, derivado de los usos en la industria minera de California, Lester Allan Pelton desarrolló la turbina de impulso de alta eficiencia rueda Pelton, que utilizaba la energía hidráulica de las corrientes de gran altura características de Sierra Nevada.

La principal aplicación de la energía hidráulica en la actualidad es la obtención de electricidad. Las centrales hidroeléctricas generalmente se ubican en regiones donde existe una combinación adecuada de lluvias y desniveles geológicos favorables a la construcción de represas. La energía hidráulica se obtiene a partir de la energía potencial y cinética de las masas de agua que transportan los ríos, provenientes de la lluvia y del deshielo. En su caída entre dos niveles del cauce, se hace pasar el agua por una turbina hidráulica, la cual transmite la energía a un alternador que la convierte en energía eléctrica.

Otro sistema que se emplea es conducir el agua de un arroyo con gran desnivel, por una tubería cerrada, en cuya base hay una turbina. El agua se recoge en una presa pequeña y la diferencia de altura proporciona la energía potencial necesaria

Otro más consiste en hacer en el río una presa pequeña y desviar parte del caudal por un canal con menor pendiente que el río, de modo que unos kilómetros más adelante habrá ganado una cierta diferencia de nivel con el cauce y se hace caer el agua a él por una tubería, con una turbina especial.

Alto rendimiento energético.

Debido al ciclo del agua es casi inagotable.

Es una energía limpia puesto que no produce emisiones tóxicas durante su funcionamiento.

Además, los embalses que se construyen para generar energía hidráulica:

Permiten el almacenamiento de agua para la realización de actividades recreativas y el abastecimiento de sistemas de riego. Y lo más importante, permiten laminar las crecidas en épocas de lluvias torrenciales, regulando el caudal del río aguas abajo.

Ventajas económicas

La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la eliminación de combustibles. El coste de operar una planta hidráulica es casi inmune a la volatilidad de los precios de los combustibles fósiles como petróleo, el carbón o el gas natural. Además, no hay necesidad de importar combustibles de otros países.

Las plantas hidráulicas también tienden a tener vidas económicas más largas que las plantas eléctricas que utilizan combustibles. Hay plantas hidráulicas que siguen operando después de 50 a 99 años. Los costos de operación son bajos porque las plantas están automatizadas y necesitan pocas personas para su operación normal.

Como las plantas hidráulicas no queman combustibles, no producen directamente dióxido de carbono. Se produce muy poco dióxido de carbono durante el período de construcción de las plantas, pero es poco, especialmente en comparación a las emisiones de una planta equivalente que quema combustibles.

Presa de las Tres Gargantas (en el curso del río Yangtsé en China), la planta hidroeléctrica más grande del mundo. Genera una potencia de 22.5 GW, pero afectó a más de 1 900 000 personas e inundado 630 km².

Desventajas

La construcción de grandes embalses puede inundar importantes extensiones de terreno, obviamente en función de la topografía del terreno aguas arriba de la presa, lo que podría significar pérdida de tierras fértiles y daño al ecosistema, dependiendo del lugar donde se construyan.

Destrucción de la naturaleza. Presas y embalses pueden ser destructivas a los ecosistemas acuáticos. Por ejemplo, estudios han mostrado que las presas en las costas de Norteamérica han reducido las poblaciones de trucha septentrional común que necesitan migrar a ciertos lugares para reproducirse. Hay estudios buscando soluciones a este tipo de problema. Un ejemplo es la invención de un tipo de escalera para los peces.

Cuando las compuertas se abren y cierran repetidas veces, el caudal del río se puede modificar drásticamente causando una alteración en los ecosistemas.​

Se pueden ver afectadas por casos de fenómenos climáticos.

Medidas de mitigación

A lo largo de la segunda mitad del siglo XX se ha visto crecer en forma importante la conciencia ambiental, de la gente, de los gobiernos y de las instituciones internacionales de crédito, que son en última instancia quienes financian los grandes proyectos hidroeléctricos.

Actualmente las medidas de mitigación ambiental forman parte integrante de todos los proyectos financiados por instituciones de crédito multilaterales, y los costos de las medidas de mitigación tienen que incluirse en el costo del proyecto.

Cuota mundial de energías renovables (2008)

Tendencias en los cinco principales países productores de hidroelectricidad

La clasificación de la capacidad hidroeléctrica es por la producción de energía anual real o por la potencia nominal de la capacidad instalada. En 2015, la energía hidroeléctrica generó el 16.6 % de la electricidad total del mundo y el 70 % de toda la electricidad renovable.​ La energía hidroeléctrica se produce en 150 países y la región de Asia y el Pacífico generó el 32 % de la hidroelectricidad global en 2010. China es el mayor productor de energía hidroeléctrica, con 721 teravatios-hora de producción en 2010, lo que representa alrededor del 17 % del uso doméstico de electricidad. Brasil, Canadá, Nueva Zelanda, Noruega, Paraguay, Austria, Suiza y Venezuela tienen una mayoría de la producción interna de energía eléctrica a partir de energía hidroeléctrica. Paraguay produce el 100 % de su electricidad de las represas hidroeléctricas y exporta el 90 % de su producción a Brasil y Argentina. Noruega produce el 98-99 % de su electricidad a partir de fuentes hidroeléctricas.​

Una estación hidroeléctrica rara vez opera a su potencia máxima durante un año completo; la relación entre la potencia promedio anual y la capacidad de capacidad instalada es el factor de capacidad. La capacidad instalada es la suma de todas las clasificaciones de potencia de la placa de identificación del generador.​

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11. "Binge and purge". The Economist. 22 de enero de 2009. "98-99 % of Norway's electricity comes from hydroelectric plants. "

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Energía hidráulica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Energía hidráulica, energía hídrica o hidroenergía es aquella que se obtiene a partir del aprovechamiento de las energías cinéticas y potenciales de la corriente del agua, saltos de agua o mareas. Se puede transformar a diferentes escalas.

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La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire.

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Parque eólico en Texas (Estados Unidos)

La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire.

El término "eólico" proviene del latín aeolicus, o 'perteneciente o relativo a Eolo', dios de los vientos en la mitología griega.​

En la actualidad, la energía eólica se utiliza principalmente para producir electricidad, lo que se consigue mediante aerogeneradores conectados a las grandes redes de distribución de energía eléctrica, entre otras. Los parques eólicos construidos en tierra representan una fuente de energía cada vez más barata y competitiva. Es incluso más barata en muchas regiones que otras fuentes de energía convencionales.​​ Además, se puede proporcionar electricidad en regiones aisladas que no tienen acceso a la red eléctrica mediante instalaciones eólicas de reducido tamaño, o también con energía solar fotovoltaica. Las compañías eléctricas distribuidoras adquieren cada vez en mayor medida el excedente de electricidad producido por pequeñas instalaciones eólicas domésticas.​ El auge de la energía eólica ha provocado también la planificación y construcción de parques eólicos marinos relativamente cerca de las costas. La energía del viento es más estable y fuerte en el mar que en tierra, y los parques marinos tienen un impacto visual menor, aunque los costes de construcción y mantenimiento son considerablemente mayores.

A finales de 2023, la capacidad mundial instalada de energía eólica ascendía a 906 GW, generando alrededor del 7,3 % de la producción de electricidad mundial.​ En 2022, Dinamarca generó el 55,03 % de su electricidad mediante energía eólica​, y más de 80 países en todo el mundo la utilizan de forma creciente para proporcionar energía eléctrica en sus redes de distribución, aumentando su capacidad anualmente con tasas por encima del 20 %. En España la energía eólica superó el 23 % de cobertura del consumo eléctrico de la península en 2022, convirtiéndose en la segunda tecnología con mayor contribución a la cobertura de la demanda.​

La energía eólica es un recurso abundante, renovable y limpio que ayuda a disminuir las emisiones de gases de efecto invernadero al reemplazar fuentes de energía a base de combustibles fósiles. El impacto ambiental de este tipo de energía es, además, generalmente, menos problemático que el de otras fuentes de energía.

La energía del viento es bastante estable y predecible a escala anual, aunque presenta variaciones significativas a escalas de tiempo menores. Al incrementarse la proporción de energía eólica producida en una determinada región o país, se hace imprescindible establecer una serie de mejoras en la red eléctrica local.​​ Diversas técnicas de control energético, como una mayor capacidad de almacenamiento de energía, una distribución geográfica amplia de los aerogeneradores, la disponibilidad de fuentes de energía de respaldo, la posibilidad de exportar o importar energía a regiones vecinas o la reducción de la demanda cuando la producción eólica es menor, pueden ayudar a mitigar en gran medida estos problemas.​ Además, son de extrema importancia las previsiones de producción eólica que permiten a los gestores de la red eléctrica estar preparados y anticiparse frente a las previsibles variaciones en la producción eólica que puedan tener lugar a corto plazo.​​

La energía del viento está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan desde zonas de alta presión atmosférica hacia zonas adyacentes de menor presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión y así poder generar energía.

Los vientos se generan a causa del calentamiento no uniforme de la superficie terrestre debido a la radiación solar; entre el 1 y el 2 % de la energía proveniente del Sol se convierte en viento. Durante el día, los continentes transfieren una mayor cantidad de energía solar al aire que las masas de agua, haciendo que este se caliente y se expanda, por lo que se vuelve menos denso y se eleva. El aire más frío y pesado que proviene de los mares, océanos y grandes lagos se pone en movimiento para ocupar el lugar dejado por el aire caliente.

Parque eólico en Vendsyssel-Thy (Dinamarca)

Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas, nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y los valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 m/s (10 km/h) y los 4 m/s (14,4 km/h), velocidad llamada " cut-in speed", y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada cut-out speed.

La energía del viento se aprovecha mediante el uso de máquinas eólicas o aeromotores capaces de transformar la energía eólica en energía mecánica de rotación utilizable, ya sea para accionar directamente las máquinas operatrices o para la producción de energía eléctrica. En este último caso, el más ampliamente utilizado en la actualidad, el sistema de conversión -que comprende un generador eléctrico con sus sistemas de control y de conexión a la red- es conocido como aerogenerador. En estos la energía eólica mueve una hélice y mediante un sistema mecánico se hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador, que produce energía eléctrica. Para que su instalación resulte rentable, suelen agruparse en concentraciones denominadas parques eólicos.

Una turbina eólica es una máquina que transforma la energía del viento en energía mecánica mediante unas aspas oblicuas unidas a un eje común. El eje giratorio puede conectarse a varios tipos de maquinaria, sea para moler grano ( molinos), bombear agua o generar electricidad. Cuando se usa para producir electricidad se le denomina generador de turbina de viento. Las máquinas movidas por el viento tienen un origen remoto, siendo las más antiguas las que funcionaban como molinos.

La energía eólica es la energía que se obtiene del viento o, dicho de otro modo, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire que puede convertirse en energía mecánica y a partir de ella en electricidad u otras formas útiles de energía en cotidianas actividades humanas.

Molinos del siglo XVI en Consuegra

La energía eólica no es algo nuevo, es una de las energías más antiguas junto a la energía térmica. El viento como fuerza motriz se ha utilizado desde la antigüedad. Así, ha movido a barcos mediante el uso de velas o ha hecho funcionar la maquinaria de los molinos al mover sus aspas. Sin embargo, tras una época en la que se fue abandonando, a partir de los años ochenta del siglo XX este tipo de energía limpia experimentó un renacimiento.

La energía eólica crece de forma imparable ya en el siglo XXI, en algunos países más que en otros, pero sin duda alguna en España existe un gran crecimiento, siendo uno de los primeros países, por debajo de Alemania a nivel europeo o de Estados Unidos a escala mundial. El auge del aumento de parques eólicos se debe a las condiciones favorables de viento, sobre todo en Andalucía que ocupa un puesto principal, entre los que se puede destacar el golfo de Cádiz, ya que el recurso de viento es excepcional.

La referencia más antigua que se tiene es un molino de viento que fue usado para hacer funcionar un órgano en el siglo I.​ Los primeros molinos de uso práctico fueron construidos en Sistán, Afganistán, en el siglo VII. Estos eran molinos de eje vertical con hojas rectangulares.​ Se usaron artefactos para moler trigo o extraer agua hechos con 6 a 8 aspas de molino cubiertas con telas.

Ilustración de un molino medieval (siglo XIV)

Los primeros molinos aparecieron en Europa en el siglo XII en Francia e Inglaterra y fueron extendiéndose por el continente. Eran unas estructuras de madera, conocidas como torres de molino, que se hacían girar a mano alrededor de un poste central para extender sus aspas al viento. El molino de torre se desarrolló en Francia a lo largo del siglo XIV. Consistía en una torre de piedra coronada por una estructura rotativa de madera que soportaba el eje del molino y la maquinaria superior del mismo.

Estos primeros ejemplares tenían una serie de características comunes. De la parte superior del molino sobresalía un eje horizontal. De este eje partían de cuatro a ocho aspas, con una longitud entre 3 y 9 metros. Las vigas de madera se cubrían con telas o planchas de madera. La energía generada por el giro del eje se transmitía, mediante un sistema de engranajes, a la maquinaria del molino emplazada en la base de la estructura.

Los molinos de eje horizontal fueron usados extensamente en Europa Occidental para moler trigo desde la década de 1180 en adelante. Basta recordar los famosos molinos de viento en las andanzas de Don Quijote. Todavía existen máquinas de este tipo, por ejemplo, en los Países Bajos para sacar agua.​

Las turbinas eólicas modernas fueron desarrolladas a comienzos de la década de 1980. Comenzaron en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, Nily Baltazar y Bonus. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 kW cada una. Desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente, y la producción se ha expandido a muchos sitios del mundo.

Para poder aprovechar la energía eólica es importante conocer las variaciones diurnas y nocturnas y estacionales de los vientos, la variación de la velocidad del viento con la altura sobre el suelo, la entidad de las ráfagas en espacios de tiempo breves, y valores máximos ocurridos en series históricas de datos con una duración mínima de 20 años. Es también importante conocer la velocidad máxima del viento. Para poder utilizar la energía del viento, es necesario que este alcance una velocidad mínima que depende del aerogenerador que se vaya a utilizar pero que suele empezar entre los 3 y los 4 m/s (10-14,4 km/h), velocidad llamada cut-in speed, y que no supere los 25 m/s (90 km/h), velocidad llamada cut-out speed.

La energía eólica alcanzó la paridad de red (el punto en el que el costo de esta energía es igual o inferior al de otras fuentes de energía tradicionales) en algunas áreas de Europa y de Estados Unidos a mediados de la década del 2000. La caída de los costes continúa impulsando a la baja el costo normalizado de esta fuente de energía renovable: se estima que alcanzó la paridad de red de forma general en todo el continente europeo en torno al año 2010, y que se alcanzaría el mismo punto en todo Estados Unidos en 2016, debido a una reducción adicional de sus costos del 12 %.​

Coste estimado por MWh de la energía eólica en Dinamarca

El Laboratorio Nacional de Energías Renovables estima que el costo normalizado de la energía eólica en Estados Unidos disminuirá un 25 % entre 2012 y 2030.​

Un convoy que transporta palas para aerogeneradores atraviesa la localidad de Edenfield, en Reino Unido (2008). Piezas incluso mayores que la de la imagen son fabricadas por separado y posteriormente ensambladas in situ en la propia base del aerogenerador para facilitar su transporte.

La instalación de energía eólica requiere de una considerable inversión inicial, pero posteriormente no presenta gastos de combustible.​ El precio de la energía eólica es por ello mucho más estable que los precios de otras fuentes de energía fósil, mucho más volátiles.​ En 2006, el coste marginal de la energía eólica, una vez que la planta ha sido construida y está en marcha, era generalmente inferior a 1 céntimo de dólar por kWh.​ Incluso, este coste se ha visto reducido con la mejora tecnológica de las turbinas más recientes. Existen en el mercado palas para aerogeneradores cada vez más largas y ligeras, a la vez que se realizan constantemente mejoras en el funcionamiento de la maquinaria de los propios aerogeneradores, incrementando la eficiencia de los mismos. Igualmente, se han reducido los costos de inversión inicial y de mantenimiento de los parques eólicos.​

En 2004, el costo de la energía eólica se había reducido a una quinta parte del que tenía en los años 1980, y los expertos consideran que la tendencia a la baja continuará en el futuro próximo, con la introducción en el mercado de nuevos aerogeneradores "multi-megavatio" cada vez más grandes y producidos en masa, capaces de producir hasta 8 megavatios de potencia por cada unidad.​ En 2012, los costos de capital de la energía eólica eran sustancialmente inferiores a los de 2008-2010, aunque todavía estaban por encima de los niveles de 2002, cuando alcanzaron un mínimo histórico.​ La bajada del resto de costos ha contribuido a alcanzar precios cada vez más competitivos. Un informe de 2011 de la Asociación Americana de la Energía Eólica ( American Wind Energy Association) afirmaba:

Los costos de la energía eólica han caído durante los dos últimos años, situándose recientemente en el orden de 5-6 céntimos por kWh... unos dos céntimos más barato que la electricidad obtenida en plantas de carbón. [...] 5600 MW de nueva capacidad instalada están actualmente en construcción e los Estados Unidos, más del doble que lo instalado hasta 2010. El 35 % de toda la nueva capacidad de generación construida en Estados Unidos desde 2005 proviene de la energía eólica, más que la suma de nueva capacidad proveniente de plantas de gas y carbón, ya que los proveedores de energía son atraídos cada vez más a la energía eólica como un recurso fiable frente a los movimientos impredecibles en los precios de otras fuentes de energía.​

Otro informe de la Asociación Británica de la Energía Eólica estima un costo de generación medio para la eólica terrestre de 5-6 céntimos de dólar por kilovatio/hora (2005).​ El costeo por unidad de energía producida se estimaba en 2006 como comparable al coste de la energía producida en nuevas plantas de generación en Estados Unidos procedente del carbón y gas natural: el costo de la eólica se cifraba en $55,80/MWh, el del carbón en $53,10/MWh y el del gas natural en $52,50/MWh.​ Otro informe gubernamental obtuvo resultados similares en comparación con el gas natural, en 2011 en Reino Unido.​ En agosto de 2011, licitaciones en Brasil y Uruguay para compra a 20 años presentaron costos inferiores a los $65/MWh.

En febrero de 2013, Bloomberg New Energy Finance informó de que el costo de la generación de energía procedente de nuevos parques eólicos en Australia es menor que el procedente de nuevas plantas de gas o carbón. Al incluir en los cálculos el esquema de precios actual para los combustibles fósiles, sus estimaciones indicaban unos costos (en dólares australianos) de $80/MWh para nuevos parques eólicos, $143/MWh para nuevas plantas de carbón y $116/MWh para nuevas plantas de gas. Este modelo muestra además que "incluso sin una tasa sobre las emisiones de carbono (la manera más eficiente de reducir emisiones a gran escala) la energía eólica es un 14 % más barata que las nuevas plantas de carbón, y un 18 % más que las nuevas plantas de gas".​

En abril de 2023, el coste nivelado, sin subsidios ni subvenciones, de la energía eólica terrestre se situó entre $26/MWh y $50/MWh, un coste superior al de 2022 debido a la inflación, los problemas en la cadena de suministro, el aumento de los precios de los materiales y de los costes de financiación debido a la subida de tipos de interés.​​

La industria eólica en Estados Unidos es actualmente capaz de producir mayor potencia a un costo menor gracias al uso de aerogeneradores cada vez más altos y con palas de mayor longitud, capturando de esta manera vientos mayores a alturas más elevadas. Esto ha abierto nuevas oportunidades, y en estados como Indiana, Míchigan y Ohio, el costo de la eólica procedente de aerogeneradores de entre 90 y 120 metros de altura puede competir con fuentes de energía convencionales como el carbón. Los precios han caído hasta incluso 4 céntimos por kWh en algunos casos, y las compañías distribuidoras están incrementando la cantidad de energía eólica en su modelo energético, al darse cuenta progresivamente de su competitividad.​

El coste de la unidad de energía producida en instalaciones eólicas se deduce de un cálculo bastante complejo. Para su evaluación se deben tener en cuenta diversos factores, entre los cuales cabe destacar:

La inversión inicial: el costo del aerogenerador incide en aproximadamente el 60 o 70 %. El costo medio de una central eólica es, hoy, de unos 1200 euros por kilovatio de potencia instalada y variable según la tecnología y la marca que se vayan a instalar (direct drive, síncronas, asíncronas o generadores de imanes permanentes).

La vida útil de la instalación (aproximadamente 20 años) y la amortización de este costo.

Los costos financieros.

Los costos de operación y mantenimiento (variables entre el 1 y el 3 % de la inversión);

La energía global producida en un período de un año, es decir, el factor de planta de la instalación. Esta se define en función de las características del aerogenerador y de las características del viento en el lugar donde se ha emplazado. Este cálculo es bastante sencillo puesto que se usan las curvas de potencia certificadas por cada fabricante y que suelen garantizarse entre el 95 y el 98 % según cada fabricante. Para algunas de las máquinas que llevan ya funcionando más de 20 años se ha llegado a alcanzar el 99 % de la curva de potencia.

Evolución de la capacidad eólica total instalada a nivel mundial entre 1996 y 2022 (en gigavatios [GW]). Fuente: GWEC

China, Alemania, España, Estados Unidos, India y Dinamarca han realizado las mayores inversiones en generación de energía eólica. Dinamarca es, en términos relativos, la más destacada en cuanto a fabricación y utilización de turbinas eólicas, con el compromiso realizado en los años 1970 de llegar a obtener la mitad de la producción de energía del país mediante el viento. En 2014 generó el 39,1 % de su electricidad mediante aerogeneradores, mayor porcentaje que cualquier otro país, y el año anterior la energía eólica se consolidó como la fuente de energía más barata del país.​

La siguiente tabla muestra la capacidad total de energía eólica instalada al final de cada año (en megavatios) en todo el mundo, detallado por países. Datos publicados por el Global Wind Energy Council (GWEC).​

Parque Eólico "El Páramo" en Alfoz de Quintanadueñas (Burgos, España).

Parque eólico, con el pueblo de Lanjarón (Granada, España) al fondo.

A finales de 2018, España tenía instalada una capacidad de energía eólica de 23 507 MW, lo que supone el 22,6 % de la capacidad del sistema eléctrico nacional, la segunda fuente de energía del país por detrás del ciclo combinado con 26 284 MW.​ Se sitúa así en cuarto lugar en el mundo en cuanto a potencia instalada, detrás de China, Estados Unidos y Alemania.​ Ese mismo año la energía eólica produjo 49 570 GWh, el 18,4 % de la demanda eléctrica.​

El 29 de enero de 2015, la energía eólica alcanzó un máximo de potencia instantánea con 17 553 MW,​ cubriendo un 45 % de la demanda.​

Asimismo, está creciendo bastante el sector de la minieólica.​ Existe una normativa de fabricación de pequeños aerogeneradores, del Comité Electrotécnico Internacional CEI (Norma IEC-61400-2 Ed2) la cual define un aerogenerador de pequeña potencia como aquel cuya área barrida por su rotor es menor de 200 m². La potencia que corresponde a dicha área dependerá de la calidad del diseño del aerogenerador, existiendo de hasta 65 kW como máximo.​

El Reino Unido es uno de los países del mundo que más capacidad eólica tiene planificada, gracias a sus parques eólicos marinos situados en aguas del Mar del Norte y Mar de Irlanda:

Dogger Bank; 9000 MW; Mar del Norte; Forewind * (SSE Renewables, RWE Npower Renewables, StatoilHydro & Statkraft)

Norfolk Bank; 7200 MW; Mar del Norte; *Iberdrola Renovables (ScottishPower) & Vattenfall

Mar de Irlanda; 4100 MW; Mar de Irlanda; Céntrica

Ría del Forth; 3400 MW; Escocia; SeaGreen * (SSE Renewables y Fluor)

Canal de Bristol; 1500 MW; Costa Suroeste; RWE Npower Renewables

Ría de Moray; 1300 MW; Escocia; * EDP Renovables & SeaEnergy

Isla de Wight (Oeste); 900 MW; Sur; Enerco New Energy

Hastings; 600 MW; Sur; E.On Climate & Renewables

Según la administración británica, "la industria eólica marina es una de las claves de la ruta del Reino Unido hacia una economía baja en emisiones de CO ₂.​

Otros países europeos

Parque eólico La Venta, ubicado en Oaxaca (México).

El desarrollo de la energía eólica en los países de México, Centroamérica y Sudamérica está en sus inicios, y la capacidad conjunta instalada en ellos, hasta finales de 2021, llega a los 39447 MW. El desglose de potencia instalada por países es el siguiente:​​​​

A finales de 2021, Brasil era el cuarto mayor productor de energía eólica del mundo (72 TWh), solo por detrás de China, EE. UU. y Alemania.​ El país se ha estado preparando para instalar energía eólica marina para 2030.​ El potencial eólico de la región de la Patagonia se considera gigantesco, con estimaciones de que el área podría proporcionar suficiente electricidad para sostener el consumo de un país como Brasil solo. Sin embargo, Argentina tiene deficiencias de infraestructura para llevar a cabo la transmisión de energía eléctrica desde zonas deshabitadas con mucho viento hacia los grandes centros del país.​

Gases de efecto invernadero por fuente de energía. La energía eólica es una de las fuentes de energía con menos gases de efecto invernadero.

Es un tipo de energía renovable ya que tiene su origen en procesos atmosféricos debidos a la energía que llega a la Tierra procedente del Sol.

Es una energía limpia al no requerir una combustión, por lo que no produce emisiones atmosféricas ni residuos contaminantes, evitando así un incremento del efecto invernadero y el cambio climático.

Puede instalarse en espacios no aptos para otros fines, por ejemplo en zonas desérticas, próximas a la costa, en laderas áridas o muy empinadas para ser cultivables.

Puede convivir con otros usos del suelo, por ejemplo prados para uso ganadero o cultivos bajos como trigo, maíz, patatas, remolacha, etc.

Crea un elevado número de puestos de trabajo en las plantas de ensamblaje y las zonas de instalación.

Su instalación es rápida, entre 4 y 9 meses.

Su inclusión en una red eléctrica permite, cuando las condiciones del viento son adecuadas, ahorrar combustible en las centrales térmicas y/o agua en los embalses de las centrales hidroeléctricas.

Su utilización combinada con otros tipos de energía, habitualmente la energía solar fotovoltaica, permite la autoalimentación de viviendas, logrando autonomías superiores a las 82 horas y terminando así con la necesidad de conectarse a redes de suministro.

La situación física actual dispersa en países como España permite compensar la baja producción de unos parques eólicos por falta de viento con la alta producción en otras zonas. De esta forma se estabiliza la forma de onda producida en la generación eléctrica, solventando los problemas que presentaban los aerogeneradores como productores de energía en sus inicios.

Es posible construir parques eólicos en el mar, donde el viento es más fuerte, más constante y el impacto social es menor, aunque aumentan los costos de instalación y mantenimiento. Los parques marinos son especialmente importantes en los países del norte de Europa como Dinamarca.

Parque eólico en Dinamarca

Parque eólico Roscoe y molino de viento en Texas

Debido a la variabilidad natural y la impredecibilidad del viento, para que la energía eólica pueda ser usada como única fuente de energía eléctrica es necesario almacenar la energía que se produce cuando hay viento para poder luego utilizarla cuando no lo hay. Pero hasta el momento no existen sistemas lo suficientemente grandes como para almacenar cantidades considerables de energía de forma eficiente, salvo las centrales de bombeo. Por lo tanto, para hacer frente a los valles en la curva de producción de energía eólica y evitar apagones generalizados, es indispensable un respaldo de las energías convencionales como centrales termoeléctricas de carbón, gas natural, petróleo o ciclo combinado o centrales hidroeléctricas reversibles, por ejemplo. Esto supone un inconveniente, puesto que cuando respaldan a la eólica, las centrales de carbón no pueden funcionar a su rendimiento óptimo, que se sitúa cerca del 90% de su potencia. Tienen que quedarse muy por debajo de este porcentaje para poder subir sustancialmente su producción en el momento en que amaine el viento. Es por ello que, cuando funcionan en este modo, las centrales térmicas consumen más combustible por kWh producido.[cita requerida] Además, al aumentar y disminuir su producción cada vez que cambia la velocidad del viento se produce un desgaste mayor de la maquinaría.[cita requerida] Este problema del respaldo en España se va a tratar de solucionar mediante una interconexión con Francia que permita emplear el sistema europeo como colchón de la variabilidad eólica.[cita requerida] Además, la variabilidad en la producción de energía eólica tiene otras importantes consecuencias:

Para distribuir la electricidad producida por cada parque eólico (que suelen estar situados además en parajes naturales apartados) es necesario construir unas líneas de alta tensión que sean capaces de conducir el máximo de electricidad que sea capaz de producir la instalación.

Técnicamente, uno de los mayores inconvenientes de los aerogeneradores es el llamado hueco de tensión. Ante uno de estos fenómenos, las protecciones de los aerogeneradores con motores de jaula de ardilla provocan la desconexión de la red para evitar ser dañados y consecuentemente nuevas perturbaciones en ella, en este caso, de falta de suministro. Este problema se soluciona bien mediante la modificación del sistema eléctrico de los aerogeneradores, lo que resulta bastante costoso, bien mediante la utilización de motores síncronos, aunque es bastante más fácil asegurarse de que la red a la que se va a conectar sea fuerte y estable.

Además de la evidente necesidad de una velocidad mínima en el viento para poder mover las aspas, existe también una limitación superior: una máquina puede estar generando al máximo de su potencia, pero si la velocidad del viento sobrepasa las especificaciones del aerogenerador, es obligatorio desconectarlo de la red o cambiar la inclinación de las aspas para que dejen de girar, puesto que su estructura puede resultar dañada por los esfuerzos que aparecen en el eje. La consecuencia inmediata es un descenso evidente de la producción eléctrica, a pesar de haber viento en abundancia, y supone otro factor más de incertidumbre a la hora de contar con esta energía en la red eléctrica de consumo.

Aunque estos problemas parecen únicos a la energía eólica, son comunes a todas las energías de origen natural:

Un panel solar solo producirá energía mientras haya suficiente luz solar.

Una central hidroeléctrica solo podrá producir mientras las condiciones hídricas y las precipitaciones permitan la liberación de agua

Una de las formas de paliar la falta de control sobre los recursos renovables (viento, radiación solar), son los llamados sistemas híbridos, donde se combinan fuentes de energía junto con almacenamiento. Hay una tendencia a la creación de centrales renovables en las que participan generadores eólicos, solares y almacenamiento por baterías (por lo general de ion litio). En países como Australia o Estados Unidos se está regulando su uso e incluso se definen tarifas específicas para la inyección de energía desde estas centrales que comienzan a competir de igual a igual con las centrales basadas en combustibles fósiles, dado que comienzan a tener una previsión de generación a un día vista o más.

Molinos en La Mancha (España) famosos desde la publicación de la novela Don Quijote de la Mancha en 1605, son un patrimonio nacional.

Generalmente, aunque no siempre, se combina con centrales térmicas, lo que lleva a que algunas personas consideren que realmente no se ahorran demasiadas emisiones de dióxido de carbono. No obstante, hay que tener en cuenta que ningún tipo de energía renovable permite, al menos por sí sola, cubrir toda la demanda y producción de electricidad, pero sin embargo su aportación a la red eléctrica es netamente positiva desde el punto de vista del ahorro de emisiones.

Existen parques eólicos en España en espacios protegidos como ZEPA (Zona de Especial Protección para las Aves) y LIC (lugar de importancia comunitaria) de la Red Natura 2000, lo que supone un impacto natural -si bien, reducido- debido a la actividad humana.

Al comienzo de su instalación, los lugares seleccionados para ello coincidieron con las rutas de las aves migratorias o con las zonas donde las aves aprovechan vientos de ladera, lo que hace que los aerogeneradores entren en conflicto con aves y murciélagos. Afortunadamente los niveles de mortandad son muy bajos en comparación con otras causas como por ejemplo los atropellos, aunque esta afirmación es cuestionada por expertos independientes.[cita requerida] Actualmente los estudios de impacto ambiental necesarios para el reconocimiento del plan del parque eólico tienen en consideración la situación ornitológica de la zona. Además, dado que los aerogeneradores actuales son de baja velocidad de rotación, el problema de choque con las aves se está reduciendo significativamente.

El impacto paisajístico es una nota importante debido a la disposición de los elementos horizontales que lo componen y la aparición de un elemento vertical como es el aerogenerador. Producen el llamado "efecto discoteca": este aparece cuando el sol está por detrás de los molinos y las sombras de las aspas se proyectan con regularidad sobre los jardines y las ventanas, parpadeando de tal modo que la gente denominó este fenómeno "efecto discoteca". Esto, unido al ruido, puede llevar a la gente hasta un alto nivel de estrés, con efectos de consideración para la salud. No obstante, la mejora del diseño de los aerogeneradores ha permitido ir reduciendo progresivamente el ruido que producen.

La apertura de parques eólicos y la presencia de operarios en ellos hace que la presencia humana sea constante en lugares hasta entonces poco transitados, lo que afecta también a la fauna.

Una turbina helicoidal de eje vertical (llamada Quietrevolution QR5) en Bristol, Reino Unido. Con un diámetro de 3 m, y 5 m de altura, permite generar una potencia de 6,5 kW que se vierte a la red eléctrica.

La microgeneración de energía eólica consiste en pequeños sistemas de generación de hasta 50 kW de potencia.​ En comunidades remotas y aislada, que tradicionalmente han utilizado generadores diésel, su uso supone una buena alternativa. También es empleada cada vez con más frecuencia por hogares que instalan estos sistemas para reducir o eliminar su dependencia de la red eléctrica por razones económicas, así como para reducir su impacto medioambiental y su huella de carbono. Este tipo de pequeñas turbinas se han venido usando desde hace varias décadas en áreas remotas junto a sistemas de almacenamiento mediante baterías.​

Las pequeñas turbinas aerogeneradoras conectadas a la red eléctrica pueden utilizar también lo que se conoce como almacenamiento en la propia red, reemplazando la energía comprada de la red por energía producida localmente, cuando esto es posible. La energía sobrante producida por los microgeneradores domésticos puede, en algunos países, ser vertida a la red para su venta a la compañía eléctrica, generando ingresos al propietario de la instalación que amortice la instalación.​​

Los sistemas desconectados de la red pueden adaptarse a la intermitencia del viento, utilizar baterías, sistemas fotovoltaicos o generadores diésel que complementen la energía producida por la turbina. Otros equipos, como pueden ser parquímetros, señales de tráfico iluminadas, alumbrado público, o sistemas de telecomunicaciones pueden ser también alimentados mediante un pequeño aerogenerador, generalmente junto a un sistema fotovoltaico que cargue unas pequeñas baterías, eliminando la necesidad de la conexión a la red.​

La minieólica podría generar electricidad más barata que la de la red en algunas zonas rurales de Reino Unido, según un estudio de la organización Carbon Trust, publicado en 2010.​ Según ese informe, los mini aerogeneradores podrían llegar a generar 1,5 TWh de electricidad al año en Reino Unido, un 0,4 % del consumo total del país, evitando la emisión de 600 000 toneladas de . Esta conclusión se basa en el supuesto de que el 10 % de las viviendas instalara miniturbinas eólicas a precios competitivos con aquellos de la red eléctrica, en torno a 12 peniques (unos 0,17 €) por kWh.​ Otro informe preparado en 2006 por Energy Saving Trust, una organización dependiente del Gobierno de Reino Unido, dictaminó que la microgeneración (de diferente tipo: eólica, solar, etc.) podría proporcionar hasta el 30 % o 40 % de la demanda de electricidad en torno al año 2050.​

La generación distribuida procedente de energías renovables se ha incrementado en los últimos años, como consecuencia de la mayor concienciación acerca de la influencia del ser humano en el cambio climático. Los equipos electrónicos requeridos para permitir la conexión de sistemas de generación renovable a la red eléctrica pueden además incluir otros sistemas de estabilidad de la red para asegurar y garantizar la calidad del suministro eléctrico.​

Referencias

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Enlaces externos

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Energía eólica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La energía eólica es la energía que se obtiene a partir del viento, es decir, es el aprovechamiento de la energía cinética de las masas de aire.

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En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento relativo. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.

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Los carros de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando están en el fondo de su trayectoria. Cuando comienzan a elevarse, la energía cinética comienza a ser convertida a energía potencial gravitacional, pero, si se asume una fricción insignificante y otros factores de retardo, la cantidad total de energía en el sistema sigue siendo constante.

En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento relativo. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada (cualquier objeto) desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía durante la aceleración, el cuerpo mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía física.

El adjetivo "cinético" en el nombre energía viene de la antigua palabra griega κίνησις kinēsis, que significa " movimiento". Los términos energía cinética y y su significado científico provienen del siglo XIX.

El principio de la mecánica clásica que fue desarrollado por primera vez por Gottfried Leibniz y Daniel Bernoulli , que describe la energía cinética como la fuerza viva o vis viva. Willem 's Gravesande de los Países Bajos proporcionó evidencia experimental de esta relación. Al caer los pesos de diferentes alturas en un bloque de arcilla, Gravesande determinó que la profundidad de penetración es proporcional al cuadrado de la velocidad de impacto. Émilie du Châtelet reconoció las implicaciones del experimento y publicó una explicación.

Los primeros conocimientos de esas ideas pueden ser atribuidos a Gaspard Coriolis quien en 1829 publicó un artículo titulado Du Calcul de l'Effet des Machines esbozando las matemáticas de la energía cinética. El término energía cinética se debe a William Thomson más conocido como Lord Kelvin en 1849.

Existen varias formas de energía como la energía química, el calor, la radiación electromagnética, la energía nuclear, las energías gravitacional, eléctrica, elástica, etc, todas ellas pueden ser agrupadas en dos tipos: la energía potencial y la energía cinética.

La energía cinética puede ser entendida mejor con ejemplos que demuestren cómo esta se transforma de otros tipos de energía y a otros tipos de energía. Por ejemplo un ciclista quiere usar la energía química para tomar que le proporcionó su comida para acelerar su bicicleta a una velocidad elegida. Su velocidad puede mantenerse sin mucho trabajo, excepto por la resistencia aerodinámica y la fricción mecánica. La energía química es convertida en una energía de movimiento, conocida como energía cinética, pero el proceso no es completamente eficiente ya que el ciclista también produce calor.

La energía cinética en movimiento de la bicicleta y el ciclista pueden convertirse en otras formas. Por ejemplo, el ciclista puede encontrar una cuesta lo suficientemente alta para subir, así que debe cargar la bicicleta hasta la cima. La energía cinética hasta ahora usada se habrá convertido en energía potencial gravitatoria que puede liberarse lanzándose cuesta abajo por el otro lado de la colina. Alternativamente el ciclista puede conectar una dínamo a una de sus ruedas y así generar energía eléctrica en el descenso. La bicicleta podría estar viajando más despacio en el final de la colina porque mucha de esa energía ha sido desviada en hacer energía eléctrica. Otra posibilidad podría ser que el ciclista aplique sus frenos y en ese caso la energía cinética se estaría disipando a través de la fricción en energía calórica.

Como cualquier magnitud física que sea función de la velocidad, la energía cinética de un objeto no solo depende de la naturaleza interna de ese objeto, también depende de la relación entre el objeto y el observador (en física un observador es formalmente definido por una clase particular de sistema de coordenadas llamado sistema inercial de referencia). Magnitudes físicas como esta son llamadas invariantes. La energía cinética esta co-localizada con el objeto y atribuido a ese campo gravitacional.

El cálculo de la energía cinética se realiza de diferentes formas según se use la mecánica clásica, la mecánica relativista o la mecánica cuántica. El modo correcto de calcular la energía cinética de un sistema depende de su tamaño, y la velocidad de las partículas que lo forman. Así, si el objeto se mueve a una velocidad mucho más baja que la velocidad de la luz, la mecánica clásica de Newton será suficiente para los cálculos; pero si la velocidad es cercana a la velocidad de la luz, la teoría de la relatividad empieza a mostrar diferencias significativas en el resultado y debería ser usada. Si el tamaño del objeto es más pequeño, es decir, de nivel subatómico, la mecánica cuántica es más apropiada.

Como hemos dicho, en la mecánica clásica, la energía cinética de una masa puntual depende de su masa y sus componentes del movimiento. Se expresa en julios o joules (J). 1 J = 1 kg·m²/s ². Estos son descritos por la velocidad de la masa puntual, así:

En un sistema de coordenadas especial, esta expresión tiene las siguientes formas:

Con eso el significado de un punto en una coordenada y su cambio temporal se describe como la derivada temporal de su desplazamiento:

En un formalismo hamiltoniano no se trabaja con esas componentes del movimiento, o sea con su velocidad, sino con su impulso (cambio en la cantidad de movimiento). En caso de usar componentes cartesianas obtenemos:

Para una partícula, o para un sólido rígido que no esté rotando, la energía cinética cae a cero cuando el cuerpo para. Sin embargo, para sistemas que contienen muchos cuerpos con movimientos independientes, que ejercen fuerzas entre ellos y que pueden (o no) estar rotando, esto no es del todo cierto. Esta energía es llamada 'energía interna'. La energía cinética de un sistema en cualquier instante de tiempo es la suma simple de las energías cinéticas de las masas, incluyendo la energía cinética de la rotación.

Un ejemplo de esto puede ser el sistema solar. En el centro de masas del sistema solar, el Sol está (casi) estacionario, pero los planetas y planetoides están en movimiento sobre él. Así en un centro de masas estacionario, la energía cinética está aún presente. Sin embargo, recalcular la energía de diferentes marcos puede ser tedioso, pero hay un truco. La energía cinética de un sistema de diferentes marcos inerciales puede calcularse como la simple suma de la energía en un marco con centro de masas y añadir en la energía el total de las masas de los cuerpos que se mueven con velocidad relativa entre los dos marcos.

Esto se puede demostrar fácilmente: sea V la velocidad relativa en un sistema k de un centro de masas i:

Donde:

, es la energía cinética interna respecto al centro de masas de ese sistema

es el momento respecto al centro de masas, que resulta ser cero por la definición de centro de masas.

, es la masa total. de aspecto físico etc

Por lo que la expresión anterior puede escribirse simplemente como:​

Donde puede verse más claramente que energía cinética parcial de un sistema puede descomponerse en su energía cinética de traslación y la energía de rotación alrededor del centro de masas. La energía cinética de un sistema entonces depende del sistema de referencia inercial y es más bajo con respecto al centro de masas referencial, por ejemplo, en un sistema de referencia en que el centro de masas sea estacionario. En cualquier otro sistema de referencia hay una energía cinética adicional correspondiente a la masa total que se mueve a la velocidad del centro de masas.

Para un sólido rígido que está rotando puede descomponerse la energía cinética total como dos sumas: la energía cinética de traslación (que es la asociada al desplazamiento del centro de masa del cuerpo a través del espacio) y la energía cinética de rotación (que es la asociada al movimiento de rotación con cierta velocidad angular). La expresión matemática para la energía cinética es:

Donde:

Energía de traslación.

Energía de rotación.

Masa del cuerpo.

tensor de (momentos de) inercia.

velocidad angular del cuerpo.

traspuesta del vector de la velocidad angular del cuerpo.

velocidad lineal del cuerpo.

El valor de la energía cinética es positivo, y depende del sistema de referencia que se considere al determinar el valor (módulo) de la velocidad y . La expresión anterior puede deducirse de la expresión general:

Si la velocidad de un cuerpo es una fracción significante de la velocidad de la luz, es necesario utilizar mecánica relativista para poder calcular la energía cinética. En relatividad especial, debemos cambiar la expresión para el momento lineal y de ella por interacción se puede deducir la expresión de la energía cinética:

Tomando la expresión relativista anterior, desarrollándola en serie de Taylor y tomando únicamente el término se recupera la expresión de la energía cinética típica de la mecánica newtoniana:[2] ​

Se toma únicamente el primer término de la serie de Taylor ya que, conforme la serie progresa, los términos se vuelven cada vez más y más pequeños y es posible despreciarlos.

La ecuación relativista muestra que la energía de un objeto se acerca al infinito cuando la velocidad v se acerca a la velocidad de la luz c, entonces es imposible acelerar un objeto a esas magnitudes. Este producto matemático es la fórmula de equivalencia entre masa y energía, cuando el cuerpo está en reposo obtenemos esta ecuación:

Así, la energía total E puede particionarse entre las energías de las masas en reposo más la tradicional energía cinética newtoniana de baja velocidad. Cuando los objetos se mueven a velocidades mucho más bajas que la luz (ej. cualquier fenómeno en la tierra) los primeros dos términos de la serie predominan.

La relación entre energía cinética y momentum es más complicada en este caso y viene dada por la ecuación:

Esto también puede expandirse como una serie de Taylor, el primer término de esta simple expresión viene de la mecánica newtoniana. Lo que sugiere esto es que las fórmulas para la energía y el momento no son especiales ni axiomáticas pero algunos conceptos emergen de las ecuaciones de masa con energía y de los principios de la relatividad.

A diferencia del caso clásico la energía cinética de rotación en mecánica relativista no puede ser representada simplemente por un tensor de inercia y una expresión cuadrática a partir de él en el que intervenga la velocidad angular. El caso simple de una esfera en rotación ilustra este punto; si suponemos una esfera de un material suficientemente rígido para que podamos despreciar las deformaciones por culpa de la rotación (y por tanto los cambios de densidad) y tal que su velocidad angular satisfaga la condición se puede calcular la energía cinética a partir de la siguiente integral:

Integrando la expresión anterior se obtiene la expresión:

Comparación entre la expresión para la energía cinética de una esfera de acuerdo con la mecánica clásica y la mecánica relativista (aquí R es el radio, ω la velocidad angular y m ₀ la masa en reposo de la esfera.

Para una esfera en rotación los puntos sobre el eje no tienen velocidad de traslación mientras que los puntos más alejados del eje de giro tienen una velocidad , a medida que esta velocidad se aproxima a la velocidad de la luz la energía cinética de la esfera tiende a crecer sin límite. Esto contrasta con la expresión clásica que se da a continuación:

Paradójicamente, dentro de la teoría especial de la relatividad, el supuesto de que es posible construir un sistema rotar progresivamente más rápido una esfera sobre su eje, lleva a que los puntos más alejados del eje de giro alcancen la velocidad de la luz aplicando al cuerpo una cantidad finita de energía . Lo cual revela que el supuesto no puede ser correcto cuando algunos puntos de la periferia del sólido están moviéndose a velocidades cercanas a la de la luz.

En la mecánica cuántica, el valor que se espera de energía cinética de un electrón, , para un sistema de electrones describe una función de onda que es la suma de un electrón, el operador se espera que alcance el valor de:

donde es la masa de un electrón y es el operador laplaciano que actúa en las coordenadas del electrón i-ésimo y la suma de todos los otros electrones. Note que es una versión cuantizada de una expresión no relativista de energía cinética en términos de momento:

El formalismo de la funcional de densidad en mecánica cuántica requiere un conocimiento sobre la densidad electrónica, para esto formalmente no se requiere conocimientos de la función de onda.

Dado una densidad electrónica , la funcional exacta de la energía cinética del n-ésimo electrón es incierta; sin embargo, en un caso específico de un sistema de un electrón, la energía cinética puede escribirse así:

donde es conocida como la funcional de la energía cinética de Von Weizsacker.

En la teoría cuántica una magnitud física como la energía cinética debe venir representada por un operador autoadjunto en un espacio de Hilbert adecuado. Ese operador puede construirse por un proceso de cuantización, el cual conduce para una partícula moviéndose por el espacio euclidiano tridimensional a una representación natural de ese operador sobre el espacio de Hilbert dado por:

que, sobre un dominio denso de dicho espacio formado clases de equivalencia representables por funciones C², define un operador autoadjunto con autovalores siempre positivos, lo cual hace que sean interpretables como valores físicamente medibles de la energía cinética.

Un sólido rígido a pesar de estar formado por un número infinito de partículas, es un sistema mecánico con un número finito de grados de libertad lo cual hace que su equivalente cuántico pueda ser representado por sobre un espacio de Hilbert de dimensión infinita de tipo L² sobre un espacio de configuración de dimensión finita. En este caso el espacio de configuración de un sólido rígido es precisamente el grupo de Lie SO(3) y por lo cual se puede tanto el espacio de Hilbert pertinente y el operador energía cinética de rotación pueden representarse por:

donde es la medida de Haar invariante de SO(3), son los operadores del momento angular en la representación adecuada y los escalares son los momentos de inercia principales.

A nivel microscópico la energía cinética promedio de las moléculas de un gas define su temperatura. De acuerdo con la ley de Maxwell-Boltzmann para un gas ideal clásico la relación entre la temperatura absoluta ( T) de un gas y su energía cinética media es:

donde es la constante de Boltzmann, es la masa de cada una de las moléculas del gas.

Referencias

Enlaces externos

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Energía cinética - Wikipedia, la enciclopedia libre

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En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento relativo. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada (cualquier objeto) desde el reposo hasta la velocidad indicada.

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El uso eficiente de la energía, a veces simplemente llamado, eficiencia o ahorro energéticos, es el objetivo de reducir la cantidad de energía requerida para proporcionar productos y servicios.

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El uso eficiente de la energía, a veces simplemente llamado eficiencia energética o ahorro energético, es el objetivo de reducir la cantidad de energía requerida para proporcionar productos y servicios. Por ejemplo, aislar una casa permite que un edificio use menos energía de calefacción y refrigeración para lograr y mantener una temperatura agradable. La instalación de iluminación LED, luces fluorescentes o tragaluces naturales reduce la cantidad de energía requerida para alcanzar el mismo nivel de iluminación en comparación con el uso de bombillas incandescentes tradicionales. Las mejoras en la eficiencia energética se logran generalmente mediante la adopción de una tecnología o un proceso de producción más eficientes ​ o mediante la aplicación de métodos comúnmente aceptados para reducir las pérdidas de energía.

Hay muchas motivaciones para mejorar la eficiencia energética. La reducción del uso de energía reduce los costos de electricidad y puede generar un ahorro financiero para los consumidores si el ahorro de energía compensa cualquier costo adicional de implementar una tecnología de eficiencia energética. Reducir el uso de energía también se considera una solución al problema de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Según la Agencia Internacional de Energía, la eficiencia energética mejorada en edificios, procesos industriales y transporte podría reducir las necesidades de energía del mundo en 2050 en un tercio, y ayudar a controlar las emisiones globales de gases de efecto invernadero.​ Otra solución importante es eliminar los subsidios a la energía dirigidos por el gobierno que promueven el alto consumo de energía y el uso ineficiente de energía en más de la mitad de los países del mundo.​

Se dice que la eficiencia energética y la energía renovable son los pilares gemelos de la política de energía sostenible​ y son prioridades altas en la jerarquía energética sostenible. En muchos países, también se considera que la eficiencia energética tiene un beneficio de seguridad nacional porque puede utilizarse para reducir el nivel de las importaciones de energía de países extranjeros y puede reducir la tasa de energía a la que se agotan los recursos energéticos nacionales.

Los individuos y las organizaciones que son consumidores directos de la energía pueden reducir el consumo energético para disminuir costos y promover sustentabilidad económica, política y ambiental. Los usuarios industriales y comerciales pueden desear aumentar eficacia y maximizar así su beneficio. El consumo de la energía está directamente relacionado con la situación económica y los ciclos económicos, por lo que es necesaria una aproximación global que permita el diseño de políticas de eficiencia energética. A partir de 2008 la ralentización del crecimiento económico significó una reducción del consumo a nivel global que tuvo su efecto sobre la emisión de gases de efecto invernadero (GEI).​ Entre las preocupaciones actuales está el ahorro de energía y el efecto medioambiental de la generación de energía eléctrica, buscando la generación a partir de energías renovables y una mayor eficiencia en la producción y el consumo, que también se denomina ahorro de energía.

La eficiencia energética ha demostrado ser una estrategia rentable para construir economías sin necesariamente aumentar el consumo energético. Por ejemplo, el estado de California comenzó a implementar medidas de eficiencia energética a mediados de la década de 1970, incluidos los códigos de construcción y los estándares de los aparatos con estrictos requisitos de eficiencia. Durante los años siguientes, el consumo de energía de California se ha mantenido aproximadamente plano en una base per cápita, mientras que el consumo nacional de los Estados Unidos se duplicó.​ Como parte de su estrategia, California implementó un "orden de carga" para los nuevos recursos energéticos que pone en primer lugar la eficiencia energética, el suministro de electricidad renovable en segundo lugar y las nuevas centrales eléctricas de combustibles fósiles.​ Estados como Connecticut y Nueva York han creado bancos verdes casi públicos para ayudar a los propietarios de edificios residenciales y comerciales a financiar mejoras de eficiencia energética que reduzcan las emisiones y reduzcan los costos de energía de los consumidores.​

El Instituto de Rocky Mountain de Lovin señala que, en entornos industriales, "existen abundantes oportunidades para ahorrar entre el 70% y el 90% de la energía y el costo de los sistemas de iluminación, ventiladores y bombas; el 50% para motores eléctricos; y el 60% en áreas como Calefacción, refrigeración, equipos de oficina, y electrodomésticos. En general, hasta el 75% de la electricidad utilizada en los EE. UU. en la actualidad podría ahorrarse con medidas de eficiencia que cuestan menos que la electricidad en sí, lo mismo se aplica a la configuración del hogar. El Departamento de Energía de EE. UU. ha declarado que existe un potencial de ahorro de energía en la magnitud de 90 mil millones de kWh al aumentar la eficiencia energética del hogar. ​

El informe de Viena sobre el cambio climático de 2007 , auspiciado por la Convención Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMNUCC), muestra claramente que " la eficiencia energética puede lograr verdaderas reducciones de emisiones a bajo costo".​

Normas internacionales ISO 17743 y la ISO 17742 proporciona una metodología documentada para calcular e informar sobre el ahorro de energía y la eficiencia energética para países y ciudades.​​

Además, hace tiempo que se reconoce que la eficiencia energética aporta otros beneficios adicionales a la reducción del consumo de energía.​ Algunas estimaciones del valor de estos otros beneficios, a menudo denominados beneficios múltiples, beneficios complementarios, beneficios complementarios o beneficios no energéticos, han puesto su valor total aún más alto que el de los beneficios energéticos directos. ​ Estos múltiples beneficios de la eficiencia energética incluyen cosas como la reducción del impacto del cambio climático, la reducción de la contaminación del aire y la mejora de la salud, la mejora de las condiciones interiores, la mejora de la seguridad energética y la reducción del riesgo de precios para los consumidores de energía. Se han desarrollado métodos para calcular el valor monetario de estos múltiples beneficios, que incluyen, por ejemplo, el método experimental de elección para mejoras que tienen un componente subjetivo (como la estética o la comodidad)​ y el método Tuominen-Seppänen para la reducción del riesgo de precio.​ Cuando se incluye en el análisis, se puede demostrar que el beneficio económico de las inversiones en eficiencia energética es significativamente mayor que simplemente el valor de la energía ahorrada.​

La calefacción puede ser objeto de ahorro de energía principalmente con hábitos de consumo tales como un uso racional del mismo, el consumo total de una vivienda suele ser del 46 % del total del consumo​ (pudiendo alcanzar el 60 % si se incluye el agua caliente). El ahorro de energía puede producirse bien por la correcta elección de una caldera eficiente, o por el correcto aislamiento térmico de las habitaciones.

Respecto del agua caliente puede emplearse también como ayuda la energía solar térmica, mediante uso de sistemas de almacenamiento de energía que retengan el calor para que el agua caliente esté disponible la mayor parte de tiempo posible. Así mismo, se puede ahorrar energía dotando a los grifos y lavado de perlizadores y a las duchas con reductores volumétricos de caudal o alcachofas de mano eco-eficientes. De esta forma se puede reducir el consumo de la energía empleada en calentar agua en más del 40%. Si al inodoro se le instala un mecanismo de doble pulsador, el ahorro de agua puede ser superior al 70%, pero en este caso no se ahorra energía, ya que, el inodoro sólo usa agua fría.

Hábitos de la calefacción

Adecuar el vestido en el domicilio con las condiciones de temperatura, se pueden emplear edredones, mantas y prendas similares.

No tapar u obstruir los radiadores ya que su función es la de emitir calor, y esta se ve entorpecida con la colocación de muebles.

Vigilar el aislamiento de las habitaciones, impidiendo fugas de calor o entradas de aire frío procedente de ventanas abiertas.

Hábitos del agua caliente

El empleo del agua caliente se realiza en la vivienda bajo ciertas ocasiones muy específicas como puede ser la ducha, o el baño, limpiando los platos y la cubertería, etc. En todos ellos se aconseja emplear agua caliente sólo cuando se necesite, al lavar no siempre se necesita.

Los electrodomésticos modernos, como los congeladores, los hornos, las estufas, los lavaplatos y las lavadoras y secadoras de ropa, consumen mucha menos energía que los electrodomésticos más antiguos. La instalación de un tendedero reducirá significativamente el consumo de energía ya que la secadora se usará menos. Los refrigeradores actuales de eficiencia energética, por ejemplo, usan 40 por ciento menos energía que los modelos convencionales en 2001. Después de esto, si todos los hogares en Europa cambiaran sus electrodomésticos de más de diez años a nuevos, se ahorraría anualmente 20 mil millones de kWh de electricidad, lo que reduciría las emisiones de CO ₂ en casi 18 mil millones de kg.​ En los Estados Unidos, las cifras correspondientes serían 17 mil millones de kWh de electricidad y 27 000 000 000 libras (12 246 984 000 kg) CO ₂.​ Según un estudio realizado en 2009 por McKinsey & Company, el reemplazo de aparatos viejos es una de las medidas globales más eficientes para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero.​ Los sistemas modernos de administración de energía también reducen el uso de energía de los dispositivos inactivos apagándolos o poniéndolos en un modo de bajo consumo después de un cierto tiempo. Muchos países identifican aparatos de eficiencia energética que utilizan etiquetas de entrada de energía.​

El impacto de la eficiencia energética en la demanda máxima depende de cuándo se utiliza el aparato. Por ejemplo, un acondicionador de aire utiliza más energía durante la tarde cuando hace calor. Por lo tanto, un acondicionador de aire de eficiencia energética tendrá un mayor impacto en la demanda pico que en la demanda fuera de pico. Por otro lado, un lavaplatos que ahorra energía, utiliza más energía durante la noche cuando las personas lavan sus platos. Este dispositivo puede tener poco o ningún impacto en la demanda máxima.

Por lo tanto, un enfoque equilibrado de la eficiencia energética en los edificios debería ser más integral que simplemente intentar minimizar la energía consumida. Se deben tener en cuenta cuestiones como la calidad del ambiente interior y la eficiencia del uso del espacio. Por lo tanto, las medidas utilizadas para mejorar la eficiencia energética pueden tomar muchas formas diferentes. A menudo incluyen medidas pasivas que reducen inherentemente la necesidad de usar energía, como un mejor aislamiento. Muchos cumplen varias funciones que mejoran las condiciones del interior y reducen el uso de energía, como el aumento del uso de la luz natural.

La ubicación y el entorno de un edificio desempeñan un papel clave en la regulación de su temperatura e iluminación. Por ejemplo, los árboles, el paisaje y las colinas pueden proporcionar sombra y bloquear el viento. En climas más fríos, el diseño de edificios del hemisferio norte con ventanas orientadas al sur y edificios del hemisferio sur con ventanas orientadas al norte aumenta la cantidad de sol (en última instancia, energía térmica) que ingresa al edificio, minimizando el uso de energía, al maximizar el calentamiento solar pasivo. El diseño compacto del edificio, incluidas las ventanas de eficiencia energética, las puertas bien selladas y el aislamiento térmico adicional de las paredes, losas del sótano y los cimientos pueden reducir la pérdida de calor en un 25 a 50 por ciento.​​

Los techos oscuros pueden llegar a ser de 39 °C (70 °F) más caliente que las superficies blancas más reflectantes. Transmiten algo de este calor adicional dentro del edificio. Los estudios de EE. UU. han demostrado que los techos de colores claros utilizan un 40 por ciento menos de energía para la refrigeración que los edificios con techos más oscuros. Los sistemas de techo blanco ahorran más energía en climas más soleados. Los sistemas electrónicos avanzados de calefacción y refrigeración pueden moderar el consumo de energía y mejorar la comodidad de las personas en el edificio.​

La colocación adecuada de ventanas y tragaluces, así como el uso de características arquitectónicas que reflejan la luz en un edificio puede reducir la necesidad de iluminación artificial. Un estudio ha demostrado que el aumento en el uso de la iluminación natural y de trabajo incrementa la productividad en escuelas y oficinas.​ Las lámparas fluorescentes compactas utilizan dos tercios menos de energía y pueden durar de 6 a 10 veces más que las bombillas incandescentes. Las luces fluorescentes más nuevas producen una luz natural, y en la mayoría de las aplicaciones son rentables, a pesar de su costo inicial más alto, con períodos de amortización tan bajos como unos pocos meses. Las lámparas LED utilizan solo aproximadamente el 10% de la energía que requiere una lámpara incandescente.

La elección de la tecnología de calefacción o refrigeración de espacios para usar en edificios puede tener un impacto significativo en el uso y la eficiencia de la energía. Por ejemplo, reemplazar un antiguo horno de gas natural con una eficiencia del 50% por uno nuevo con una eficiencia del 95% reducirá drásticamente el consumo de energía, las emisiones de carbono y las facturas de gas natural en el invierno. Las bombas de calor de fuente terrestre pueden ser incluso más eficientes energéticamente y rentables. Estos sistemas utilizan bombas y compresores para mover el fluido refrigerante alrededor de un ciclo termodinámico con el fin de "bombear" calor contra su flujo natural de calor a frío, con el fin de transferir calor a un edificio desde el gran depósito térmico contenido dentro del terreno cercano. El resultado final es que las bombas de calor suelen utilizar cuatro veces menos energía eléctrica para suministrar una cantidad equivalente de calor que un calentador eléctrico directo. Otra ventaja de una bomba de calor de fuente terrestre es que puede invertirse en verano y operar para enfriar el aire transfiriendo calor del edificio al suelo. La desventaja de las bombas de calor de fuente terrestre es su alto costo de capital inicial, pero esto generalmente se recupera dentro de cinco a diez años como resultado del menor uso de energía.

Los medidores inteligentes están siendo adoptados lentamente por el sector comercial para destacar al personal y para propósitos de monitoreo interno del uso de energía del edificio en un formato dinámico presentable. El uso de los analizadores de calidad de energía se puede introducir en un edificio existente para evaluar el uso, la distorsión armónica, los picos, las crecidas y las interrupciones, entre otros, para, en última instancia, hacer que el edificio sea más eficiente energéticamente. A menudo, tales medidores se comunican utilizando redes de sensores inalámbricos .

Green Building XML (gbXML) es un esquema emergente, un subconjunto de los esfuerzos de Modelado de información de edificios, centrado en el diseño y la operación de edificios verdes. gbXML se utiliza como entrada en varios motores de simulación de energía. Pero con el desarrollo de la tecnología informática moderna, hay una gran cantidad de herramientas de simulación de rendimiento de edificios disponibles en el mercado. Al elegir qué herramienta de simulación usar en un proyecto, el usuario debe considerar la precisión y confiabilidad de la herramienta, teniendo en cuenta la información de construcción que tienen a mano, que servirá como entrada para la herramienta. Yezioro, Dong y Leite ​ desarrollaron un enfoque de inteligencia artificial para evaluar los resultados de simulación del rendimiento del edificio y encontraron que las herramientas de simulación más detalladas tienen el mejor rendimiento de simulación en términos de consumo de electricidad de calefacción y refrigeración dentro del 3% del error absoluto medio.

El Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) es un sistema de clasificación organizado por el US Green Building Council (USGBC) para promover la responsabilidad ambiental en el diseño de edificios. Actualmente ofrecen cuatro niveles de certificación para edificios existentes (LEED-EBOM) y nuevas construcciones (LEED-NC) según el cumplimiento de un edificio con los siguientes criterios: Sitios sostenibles, eficiencia del agua , energía y atmósfera, materiales y recursos, calidad ambiental interior, e innovación en diseño. ​ En 2013, USGBC desarrolló LEED Dynamic Plaque, una herramienta para rastrear el desempeño del edificio en comparación con las métricas LEED y un camino potencial para la recertificación. El año siguiente, el consejo colaboró con Honeywell para recopilar datos sobre el uso de energía y agua, así como la calidad del aire interior de un BAS para actualizar automáticamente la placa, proporcionando una visión del rendimiento casi en tiempo real. La oficina de USGBC en Washington, DC, es uno de los primeros edificios en presentar la placa dinámica LEED de actualización en vivo. ​

Una modificación de energía profunda es un proceso de análisis y construcción de todo el edificio que se utiliza para lograr ahorros de energía mucho más grandes que las modificaciones de energía convencionales. Las modificaciones de energía profundas se pueden aplicar a edificios residenciales y no residenciales ("comerciales"). Una reconversión profunda de la energía generalmente resulta en ahorros de energía del 30 por ciento o más, tal vez repartidos en varios años, y puede mejorar significativamente el valor del edificio.​ El Empire State Building ha sufrido un profundo proceso de modernización de energía que se completó en 2013. El equipo del proyecto, compuesto por representantes de Johnson Controls , Rocky Mountain Institute, Clinton Climate Initiative y Jones Lang LaSalle, habrá logrado una reducción anual del uso de energía del 38% y $ 4.4 millones. ​ Por ejemplo, las 6,500 ventanas fueron remanufacturadas en el lugar en super ventanas que bloquean el calor pero que pasan la luz. Los costos de operación del aire acondicionado en los días calurosos se redujeron y esto ahorró $ 17 millones del costo de capital del proyecto de inmediato, financiando en parte otras reparaciones. ​ Al recibir una calificación de oro de Liderazgo en Energía y Diseño Ambiental (LEED) en septiembre de 2011, el Empire State Building es el edificio con certificación LEED más alto de los Estados Unidos. ​ El edificio del condado y la ciudad de Indianápolis se sometió recientemente a un proceso de modernización energética profunda, que ha logrado una reducción anual de energía del 46% y un ahorro anual de energía de $ 750,000.

Las modernizaciones de energía, incluidas las profundas, y otros tipos realizados en ubicaciones residenciales, comerciales o industriales generalmente se respaldan a través de diversas formas de financiamiento o incentivos. Los incentivos incluyen reembolsos preempaquetados en los que el comprador / usuario ni siquiera puede saber que el artículo que se está utilizando ha sido reembolsado o "comprado". Las compras de "upstream" o "midstream" son comunes para productos de iluminación eficientes. Otros descuentos son más explícitos y transparentes para el usuario final mediante el uso de aplicaciones formales. Además de los descuentos, que pueden ofrecerse a través de programas gubernamentales o de servicios públicos, los gobiernos a veces ofrecen incentivos fiscales para proyectos de eficiencia energética. Algunas entidades ofrecen servicios de facilitación y orientación de reembolsos y pagos que permiten a los clientes de uso final de energía aprovechar los programas de incentivos e incentivos.

Para evaluar la solidez económica de las inversiones en eficiencia energética en edificios, se puede utilizar el análisis de costo-efectividad o CEA. Un cálculo de CEA producirá el valor de la energía ahorrada, a veces llamada , en $/kWh. La energía en tal cálculo es virtual en el sentido de que nunca se consumió sino que se ahorró debido a una inversión en eficiencia energética. Por lo tanto, CEA permite comparar el precio de los negawatts con el precio de la energía, como la electricidad de la red o la alternativa renovable más barata. El beneficio del enfoque CEA en los sistemas energéticos es que evita la necesidad de adivinar los precios futuros de la energía a los efectos del cálculo, eliminando así la principal fuente de incertidumbre en la evaluación de las inversiones en eficiencia energética. ​

Objetivos de eficiencia energética para 2020 y 2030.

El primer objetivo a escala de la UE se fijó en 1998. Los estados miembros acordaron mejorar la eficiencia energética en un 1 por ciento anual durante doce años. Además, la legislación sobre productos, industria, transporte y edificios ha contribuido a un marco general de eficiencia energética. Se necesita un mayor esfuerzo para abordar la calefacción y la refrigeración: se desperdicia más calor durante la producción de electricidad en Europa del que se requiere para calentar todos los edificios en el continente. ​ En general, se estima que la legislación de eficiencia energética de la UE ofrece ahorros equivalentes a hasta 326 millones de toneladas de petróleo por año para 2020. ​

La UE se fijó un objetivo de ahorro energético del 20% para 2020 en comparación con los niveles de 1990, pero los estados miembros deciden individualmente cómo se logrará el ahorro energético. En una cumbre de la UE en octubre de 2014, los países de la UE acordaron un nuevo objetivo de eficiencia energética del 27% o más para 2030. Un mecanismo utilizado para alcanzar el objetivo del 27% es el de "Obligaciones de los proveedores y certificados en blanco". ​ El debate en curso en torno al Paquete de Energía Limpia 2016 también pone énfasis en la eficiencia energética, pero el objetivo probablemente se mantendrá alrededor de un 30% más de eficiencia en comparación con los niveles de 1990.​ Algunos han argumentado que esto no será suficiente para que la UE cumpla los objetivos del Acuerdo de París de reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en un 40% en comparación con los niveles de 1990.

Este es un plan de diez años que acelera la implementación de una adopción a nivel nacional de prácticas de eficiencia energética y una preparación para la transformación del país en un futuro bajo en carbono . Hay varias áreas diferentes de uso de energía abordadas dentro del NSEE. Sin embargo, el capítulo dedicado al enfoque sobre la eficiencia energética que se adoptará a nivel nacional destaca cuatro puntos en el logro de los niveles declarados de eficiencia energética. Son:

Para ayudar a los hogares y las empresas a hacer la transición a un futuro bajo en carbono.

Agilizar la adopción de energía eficiente.

Hacer edificios más eficientes energéticamente.

Para que los gobiernos trabajen en asociación y lideren el camino hacia la eficiencia energética

Este documento también explica el papel de la comunidad y los estados y territorios individuales en el NSEE, así como la creación de puntos de referencia y dispositivos de medición que mostrarán de manera transparente el progreso de la nación en relación con los objetivos establecidos, y aborda la necesidad de Financiación de la estrategia para permitirle avanzar.

En agosto de 2017, el Gobierno de Canadá lanzó Build Smart - La estrategia de edificios de Canadá , como un impulsor clave del Marco Pan Canadiense sobre Crecimiento Limpio y Cambio Climático, la estrategia climática nacional de Canadá.

La estrategia Build Smart busca aumentar dramáticamente el rendimiento de eficiencia energética de edificios canadienses nuevos y existentes, y establece cinco objetivos para ese fin:

Los gobiernos federales, provinciales y territoriales trabajarán para desarrollar y adoptar códigos de construcción de modelos cada vez más estrictos, a partir de 2020, con el objetivo de que las provincias y los territorios adopten un código de construcción modelo de "energía neta cero" para el año 2030.

Los gobiernos federales, provinciales y territoriales trabajarán para desarrollar un código modelo para edificios existentes para el año 2022, con el objetivo de que las provincias y los territorios adopten el código.

Los gobiernos federales, provinciales y territoriales trabajarán juntos con el objetivo de exigir el etiquetado del uso de energía en la construcción a partir de 2019.

El gobierno federal establecerá nuevos estándares para equipos de calefacción y otras tecnologías clave al nivel más alto de eficiencia que sea económica y técnicamente alcanzable.

Los gobiernos provinciales y territoriales trabajarán para mantener y ampliar los esfuerzos para modernizar los edificios existentes apoyando las mejoras de eficiencia energética y acelerando la adopción de equipos de alta eficiencia al tiempo que adaptan sus programas a las circunstancias regionales.

La estrategia detalla una gama de actividades que el Gobierno de Canadá llevará a cabo, y las inversiones que realizará, para apoyar los objetivos. A principios de 2018, solo una de las 10 provincias y tres territorios de Canadá, Columbia Británica, ha desarrollado una política en apoyo del objetivo del gobierno federal de alcanzar las ambiciones de energía neta nula: el Código de pasos de energía de BC .

Los gobiernos locales de la Columbia Británica pueden usar el Código de pasos de BC Energy, si lo desean, para incentivar o requerir un nivel de eficiencia energética en nuevas construcciones que van más allá de los requisitos del código de construcción base. El reglamento y el estándar están diseñados como una hoja de ruta técnica para ayudar a la provincia a alcanzar su objetivo de que todos los edificios nuevos alcanzarán un nivel de rendimiento de energía neta nula para el año 2032.

La eficiencia energética es fundamental para la política energética en Alemania. ​ A finales de 2015, la política nacional incluye los siguientes objetivos de eficiencia y consumo (con valores reales para 2014): ​ :4

El progreso reciente hacia una mayor eficiencia ha sido constante, aparte de la crisis financiera de 2007-08.​ Sin embargo, algunos creen que la eficiencia energética aún no se reconoce en términos de su contribución a la transformación de energía de Alemania (o Energiewende).​

Los esfuerzos para reducir el consumo final de energía en el sector del transporte no han tenido éxito, con un crecimiento del 1,7% entre 2005-2014. Este crecimiento se debe tanto al transporte de pasajeros por carretera como al transporte de mercancías por carretera. Ambos sectores aumentaron la distancia total recorrida para registrar las cifras más altas de Alemania. Los efectos de rebote desempeñaron un papel importante, tanto entre la mejora de la eficiencia del vehículo y la distancia recorrida, como entre la mejora de la eficiencia del vehículo y un aumento en el peso del vehículo y la potencia del motor.​ :12

El 3 de diciembre de 2014, el gobierno federal alemán lanzó su Plan de Acción Nacional sobre Eficiencia Energética (NAPE).​​ Las áreas cubiertas son la eficiencia energética de los edificios, la conservación de energía para las empresas, la eficiencia energética del consumidor y la eficiencia energética del transporte. La política contiene medidas inmediatas y futuras. Las medidas centrales a corto plazo de NAPE incluyen la introducción de licitaciones competitivas para eficiencia energética, la recaudación de fondos para la renovación de edificios, la introducción de incentivos fiscales para medidas de eficiencia en el sector de la construcción y el establecimiento de redes de eficiencia energética junto con empresas y industria. Se espera que la industria alemana haga una contribución considerable.

El 12 de agosto de 2016, el gobierno alemán publicó un libro verde sobre eficiencia energética para consulta pública (en alemán).​​ Describe los posibles desafíos y las acciones necesarias para reducir el consumo de energía en Alemania en las próximas décadas. En el lanzamiento del documento, el ministro de economía y energía, Sigmar Gabriel, dijo que "no necesitamos producir, almacenar, transmitir y pagar por la energía que ahorramos". ​ El Libro Verde prioriza el uso eficiente de la energía como la "primera" respuesta y también describe oportunidades para el acoplamiento del sector , incluyendo el uso de energía renovable para calefacción y transporte. ​ Otras propuestas incluyen un impuesto a la energía flexible que aumenta a medida que caen los precios de la gasolina, lo que incentiva la conservación del combustible a pesar de los bajos precios del petróleo. ​

En mayo de 2016, Polonia adoptó una nueva Ley de Eficiencia Energética, que entró en vigor el 1 Octubre 2016. ​

En el año 2016, el Instituto Argentino de Normalización y Certificación, aprobó la Norma IRAM 11900 "Etiqueta de eficiencia energética de calefacción para edificios". La citada norma establece una metodología simplificada para el cálculo del nivel de eficiencia energética de la envolvente de los edificios susceptibles de ser calefaccionados. Los resultados son expuestos en una etiqueta, similar a la utilizada para calificar la eficiencia energética de artefactos domésticos (refrigeradores, lavarropas, lámparas, etc.) La eficiencia térmica de la envolvente está directamente relacionada con la transmitancia térmica de los materiales que forman la envolvente del edificio. La norma establece 8 niveles de eficiencia térmica de la envolvente, desde la "A- verde" con la eficiencia más óptima a la "H- marrón " menos eficiente. La clase se determina mediante el cálculo de la variación media ponderada de temperatura, entre la superficie interior de cada componente de la envolvente y la temperatura interior de diseño (20 °C)

El 64 % de la energía eléctrica en el país es generada por caídas de agua. Existen 96 embalses en Venezuela, que almacenan cerca de 157 km ³ de agua. La cuenca del Río Caroní es la principal generadora de electricidad del país, produce actualmente 24. 229 Mega Vatios (MW) de potencial eléctrico, lo que representa el 75% del potencial total actual del país. Su extensión es de 92. 170 km ², hacia la margen derecha del río Orinoco ( Región Guayana ). Este potencial es aprovechado a través de las represas Guri, Caruachi y Macagua y próximamente la de Tocoma (en la etapa final de estudios de factibilidad y preparación del terreno para su construcción). Desde 1963 hasta hoy, el desarrollo eléctrico del bajo Caroní, le ha permitido ahorrar al país el consumo de 2. 173 millones de barriles de petróleo equivalentes. Tocoma agregaría unos 2. 250 MW de potencia eléctrica adicional a la red nacional proveniente de fuentes renovables de energía, los cuales de ser generados a través de centrales termoeléctricas, representarían un consumo diario de aproximadamente 68. 000 barriles diarios de petróleo.

La Directiva de eficiencia energética en edificios se ha transpuesto en España mediante el Plan integral de vivienda y suelo.​​

Según esta normativa, desde el 1 de junio de 2013, es obligatorio que todos los inmuebles que se vendan o alquilen durante un periodo superior a cuatro meses, cuenten con una etiqueta energética obtenida a través de un estudio técnico o certificación energética.

La etiqueta energética de los edificios mostrará una calificación en una letra que variará de la A a la G. La valoración se hará en función del CO ₂ emitido por el consumo de energía de las instalaciones de calefacción, refrigeración, agua calienta sanitaria e iluminación del edificio en unas condiciones de uso determinadas.

El documento tendrá una validez de 10 años. Además de la información objetiva sobre sus características energéticas, el certificado deberá incluir recomendaciones para la mejora de la eficiencia energética del inmueble.

Las industrias utilizan una gran cantidad de energía para impulsar una amplia gama de procesos de fabricación y extracción de recursos. Muchos procesos industriales requieren grandes cantidades de calor y potencia mecánica, la mayoría de los cuales se suministran como gas natural, combustibles de petróleo y electricidad. Además, algunas industrias generan combustible a partir de productos de desecho que pueden utilizarse para proporcionar energía adicional.

Debido a que los procesos industriales son tan diversos, es imposible describir la multitud de oportunidades posibles para la eficiencia energética en la industria. Muchos dependen de las tecnologías y procesos específicos en uso en cada instalación industrial. Sin embargo, hay una serie de procesos y servicios de energía que se utilizan ampliamente en muchas industrias.

Varias industrias generan vapor y electricidad para su posterior uso dentro de sus instalaciones. Cuando se genera electricidad, el calor que se produce como un subproducto se puede capturar y utilizar para procesos de vapor, calefacción u otros fines industriales. La generación convencional de electricidad es aproximadamente un 30% eficiente, mientras que la combinación de calor y energía (también llamada cogeneración) convierte hasta el 90 por ciento del combustible en energía utilizable.​

Los motores eléctricos generalmente funcionan a una velocidad constante, pero un variador de velocidad permite que la salida de energía del motor coincida con la carga requerida. Esto logra ahorros de energía que van del 3 al 60 por ciento, dependiendo de cómo se use el motor. Las bobinas del motor hechas de materiales superconductores también pueden reducir las pérdidas de energía.​ Los motores también pueden beneficiarse de la optimización de voltaje. La industria utiliza una gran cantidad de bombas y compresores de todas las formas y tamaños y en una amplia variedad de aplicaciones. La eficiencia de las bombas y compresores depende de muchos factores, pero a menudo se pueden hacer mejoras implementando un mejor control de procesos y mejores prácticas de mantenimiento. Los compresores se usan comúnmente para proporcionar aire comprimido que se utiliza para la limpieza con chorro de arena, pintura y otras herramientas eléctricas. Según el Departamento de Energía de EE. UU., la optimización de los sistemas de aire comprimido mediante la instalación de unidades de velocidad variable, junto con el mantenimiento preventivo para detectar y reparar fugas de aire, puede mejorar la eficiencia energética entre un 20 y un 50 por ciento.​

La eficiencia energética estimada para un automóvil es de 280 pasajeros / milla /10 ⁶ Btu.​ Hay varias formas de mejorar la eficiencia energética de un vehículo. Usar una aerodinámica mejorada para minimizar la resistencia al avance puede aumentar la eficiencia de combustible. Reducir el peso del vehículo también puede mejorar la economía de combustible, por lo que los materiales compuestos se utilizan ampliamente en las carrocerías.

Los neumáticos más avanzados, con una reducción de la fricción del neumático a la carretera y la resistencia a la rodadura, pueden ahorrar gasolina. El ahorro de combustible se puede mejorar hasta un 3,3% manteniendo los neumáticos inflados a la presión correcta. ​ Reemplazar un filtro de aire obstruido puede mejorar el consumo de combustible de un auto hasta en un 10 por ciento en vehículos más viejos.​ En los vehículos más nuevos (a partir de la década de 1980) con motores controlados por computadora e inyectados con combustible, un filtro de aire obstruido no tiene efecto en las millas por galón, pero reemplazarlo puede mejorar la aceleración en un 6-11 por ciento.​ La aerodinámica también ayuda en la eficiencia de un vehículo. El diseño de un automóvil afecta la cantidad de gas necesaria para moverlo a través del aire. La aerodinámica involucra el aire alrededor del automóvil, lo que puede afectar la eficiencia de la energía gastada.​

Los turbocompresores pueden aumentar la eficiencia del combustible al permitir un motor de menor desplazamiento. El 'Motor del año 2011' es un motor Fiat 500 equipado con un turbocompresor MHI.

" En comparación con un motor de 1.2 litros y 8 voltios, el nuevo turbo de 85 HP tiene un 23% más de potencia y un índice de rendimiento un 30% mejor. El rendimiento de los dos cilindros no solo es equivalente a un motor de 1.4 litros de 16 voltios, sino que el consumo de combustible es un 30% más bajo".​

La tendencia principal en la eficiencia automotriz es el aumento de vehículos eléctricos (todos eléctricos o híbridos). Los híbridos, como el Toyota Prius, utilizan el frenado regenerativo para recapturar la energía que se disiparía en los automóviles normales; el efecto es especialmente pronunciado en la conducción urbana.​ Los híbridos enchufables también tienen una mayor capacidad de la batería, lo que hace posible conducir distancias limitadas sin quemar gasolina; en este caso, la eficiencia energética está dictada por cualquier proceso (como la quema de carbón, la energía hidroeléctrica o la fuente renovable) que crea la energía. Por lo general, los complementos pueden conducir durante aproximadamente 40 millas (64 km) puramente en electricidad sin recargar; si la batería se está agotando, un motor de gasolina se activa permitiendo un rango extendido. Finalmente, los autos completamente eléctricos también están creciendo en popularidad; el sedán Tesla Model S es el único automóvil totalmente eléctrico de alto rendimiento actualmente en el mercado.

Ciudades de todo el mundo iluminan millones de calles con 300 millones de luces.​ Algunas ciudades buscan reducir el consumo de energía de las luces de la calle atenuando las luces durante las horas pico o cambiando a las lámparas LED.​ No está claro si la alta eficiencia luminosa de los LED conducirá a reducciones reales de energía, ya que las ciudades pueden terminar instalando lámparas adicionales o áreas de iluminación más brillantes que en el pasado.​

Hay varias formas de reducir el consumo de energía en el transporte aéreo, desde las modificaciones a los aviones en sí, hasta cómo se gestiona el tráfico aéreo. Al igual que en los automóviles, los turbocompresores son una forma efectiva de reducir el consumo de energía; sin embargo, en lugar de permitir el uso de un motor de menor cilindrada, los turbocompresores en turbinas de chorro operan comprimiendo el aire más delgado a mayores altitudes. Esto permite que el motor funcione como si estuviera a presiones del nivel del mar mientras se aprovecha la reducción de la resistencia del avión en altitudes más altas.

Los sistemas de gestión del tráfico aéreo son otra forma de aumentar la eficiencia no solo de la aeronave sino de la industria aérea en general. La nueva tecnología permite una automatización superior del despegue, el aterrizaje y la prevención de colisiones, así como dentro de los aeropuertos, desde cosas simples como HVAC e iluminación hasta tareas más complejas como la seguridad y el escaneo.

Los combustibles alternativos, conocidos como no convencionales o avanzados combustibles, son cualquier material o sustancias que pueden utilizarse como combustibles, distintos de los combustibles convencionales. Algunos combustibles alternativos bien conocidos incluyen biodiésel, bioalcohol ( metanol, etanol, butanol), electricidad almacenada químicamente (baterías y celdas de combustible ), hidrógeno , metano no fósil, gas natural no fósil, aceite vegetal y otras fuentes de biomasa .

Produccion de diesel verde

La conservación energética es más amplia que la eficiencia energética al incluir esfuerzos activos para disminuir el consumo de energía, por ejemplo, a través del cambio de comportamiento, además de usar la energía de manera más eficiente. Algunos ejemplos de conservación sin mejoras de eficiencia son calentar menos una habitación en invierno, usar menos el automóvil, secar la ropa al aire en lugar de usar la secadora o habilitar modos de ahorro de energía en una computadora. Al igual que con otras definiciones, el límite entre el uso eficiente de la energía y la conservación de la energía puede ser borroso, pero ambas son importantes en términos ambientales y económicos.​ Este es especialmente el caso cuando las acciones se dirigen al ahorro de combustibles fósiles.​ La conservación de la energía es un desafío que requiere que los programas de políticas, el desarrollo tecnológico y el cambio de comportamiento vayan de la mano. Muchas organizaciones intermediarias de energía, por ejemplo organizaciones gubernamentales o no gubernamentales a nivel local, regional o nacional, están trabajando en programas o proyectos a menudo financiados con fondos públicos para enfrentar este desafío.​ Los psicólogos también se han comprometido con el tema de la conservación de la energía y han proporcionado pautas para realizar un cambio de comportamiento para reducir el consumo de energía, teniendo en cuenta las consideraciones tecnológicas y de políticas.​

Los administradores de propiedades comerciales que planifican y administran proyectos de eficiencia energética generalmente utilizan una plataforma de software para realizar auditorías energéticas y colaborar con los contratistas para comprender su gama completa de opciones. El Directorio de Software del Departamento de Energía (DOE) describe el software EnergyActio, una plataforma basada en la nube diseñada para este propósito.

Se dice que la eficiencia energética y la energía renovable son los "pilares gemelos" de una política energética sostenible. Ambas estrategias deben desarrollarse simultáneamente para estabilizar y reducir las emisiones de dióxido de carbono. El uso eficiente de la energía es esencial para frenar el crecimiento de la demanda de energía, de modo que el aumento de los suministros de energía limpia puede hacer recortes profundos en el uso de combustibles fósiles. Si el uso de energía crece demasiado rápido, el desarrollo de energía renovable perseguirá un objetivo en retroceso. Del mismo modo, a menos que los suministros de energía limpia se conecten rápidamente, la desaceleración del crecimiento de la demanda solo comenzará a reducir las emisiones totales de carbono; También se necesita una reducción en el contenido de carbono de las fuentes de energía. Una economía energética sostenible requiere, por lo tanto, grandes compromisos con la eficiencia y las energías renovables.​

Si la demanda de servicios de energía permanece constante, la mejora de la eficiencia energética reducirá el consumo de energía y las emisiones de carbono. Sin embargo, muchas mejoras de eficiencia no reducen el consumo de energía en la cantidad prevista por los modelos de ingeniería simples. Esto se debe a que hacen que los servicios de energía sean más baratos y, por lo tanto, aumenta el consumo de esos servicios. Por ejemplo, dado que los vehículos de bajo consumo de combustible hacen que los viajes sean más baratos, los consumidores pueden optar por conducir más lejos, compensando así algunos de los posibles ahorros de energía. De manera similar, un extenso análisis histórico de las mejoras en la eficiencia tecnológica ha demostrado de manera concluyente que las mejoras en la eficiencia energética casi siempre fueron superadas por el crecimiento económico, lo que resultó en un aumento neto en el uso de recursos y la contaminación asociada.​ Estos son ejemplos del efecto rebote directo.​

Las estimaciones del tamaño del efecto rebote oscilan entre aproximadamente el 5% y el 40%.​​​ Es probable que el efecto de rebote sea inferior al 30% a nivel del hogar y pueda estar más cerca del 10% para el transporte.​ Un efecto rebote del 30% implica que las mejoras en la eficiencia energética deberían alcanzar el 70% de la reducción en el consumo de energía proyectada utilizando modelos de ingeniería. El efecto rebote puede ser particularmente grande para la iluminación, porque a diferencia de las tareas como el transporte, efectivamente no hay un límite superior sobre la cantidad de luz que podría considerarse útil.​ De hecho, parece que la iluminación ha representado aproximadamente el 0,7% del PIB en muchas sociedades y cientos de años, lo que implica un efecto rebote del 100%.​

El Efecto Rosenfeld constituye una de las paradojas de la eficiencia energética a nivel urbano territorial y debe su nombre al Físico Dr. Arthur H. Rosenfeld. Se aplica al Estado de California en los EE. UU. ya que desde 1973 la demanda de energía per cápita se mantiene prácticamente constante, mientras en el resto de EE. UU. ha crecido más del 50%. En parte debido a la cultura de ahorro de energía de la población, pero también a una constante innovación tecnológica y su aceptación por parte de la sociedad.

El Dr. Rosenfeld nacido en Alabama en 1927 y radicado en California fue un fuerte impulsor de la eficiencia energética y entre varios desarrollos propuso el primer balasto electrónico para iluminación fluorescente que llevó al desarrollo de las lámparas compactas de bajo consumo.

En su honor se creó una unidad de medida de eficiencia energética con la equivalencia 1 Rosenfeld = consumo de 250000 habitantes y sirve como medida de comparación entre ciudades.

Internacional

Sociedad de 2000 vatios

Acuerdo de Implementación de Calefacción y Refrigeración Solar IEA Tarea 13

Instituto Internacional para la Conservación de la Energía

Agencia Internacional de Energía (por ejemplo, Iniciativa de un vatio )

Comisión Electrotécnica Internacional

Asociación Internacional para la Cooperación en Eficiencia Energética

Jornadas Mundiales de Energía Sostenible

China

Comisión Nacional de Desarrollo y Reforma.

Centro Nacional de Conservación de Energía

Instituto de Investigación de Energía, NDRC

Australia

Departamento de Cambio Climático y Eficiencia Energética

Departamento de Medio Ambiente, Agua, Patrimonio y las Artes.

Día de la casa sostenible

Unión Europea

Finlandia

Islandia

India

88888 luces apagadas

Oficina de Eficiencia Energética

Servicios de eficiencia energética limitados

Indonesia

Japón

Líbano

El Centro Libanés para la Conservación de la Energía

Reino Unido

Estados Unidos

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El uso eficiente de la energía, a veces simplemente llamado eficiencia energética o ahorro energético, es el objetivo de reducir la cantidad de energía requerida para proporcionar productos y servicios. Por ejemplo, aislar una casa permite que un edificio use menos energía de calefacción y refrigeración para lograr y mantener una temperatura agradable.

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Se le denomina resistencia eléctrica a la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor.

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Se le denomina resistencia eléctrica a la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor.​​ La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.

Resistencia eléctrica de un conductor

Para un conductor de tipo cable, la resistencia está dada por la siguiente fórmula:

Donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material, es la longitud del cable y S el área de la sección transversal del mismo.

La resistencia de un conductor depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección transversal).

Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual con la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio ( Ω). Para su medición, en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un óhmetro. Además, su magnitud recíproca es la conductancia, medida en Siemens.

Por otro lado, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente en que atraviesa dicha resistencia, así:​​

Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

También puede decirse que "la intensidad de la corriente que pasa por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a su resistencia"

Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo.

Una resistencia ideal es un elemento pasivo que disipa energía en forma de calor según la ley de Joule. También establece una relación de proporcionalidad entre la intensidad de corriente que la atraviesa y la tensión medible entre sus extremos, relación conocida como ley de Ohm:

donde i( t) es la corriente eléctrica que atraviesa la resistencia de valor R y u( t) es la diferencia de potencial que se origina. En general, una resistencia real podrá tener diferente comportamiento en función del tipo de corriente que circule por ella.

Una resistencia real en corriente continua (CC) se comporta prácticamente de la misma forma que si fuera ideal, esto es, transformando la energía eléctrica en calor por efecto Joule. La ley de Ohm para corriente continua establece que:

donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios.

Como se ha comentado anteriormente, una resistencia real muestra un comportamiento diferente del que se observaría en una resistencia ideal si la intensidad que la atraviesa no es continua. En el caso de que la señal aplicada sea senoidal, corriente alterna (CA), a bajas frecuencias se observa que una resistencia real se comportará de forma muy similar a como lo haría en CC, siendo despreciables las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente, aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la resistencia real.

Por ejemplo, en una resistencia de carbón los efectos inductivos solo provienen de los propios terminales de conexión del dispositivo mientras que en una resistencia de tipo bobinado estos efectos se incrementan por el devanado de hilo resistivo alrededor del soporte cerámico, además de aparecer una cierta componente capacitiva si la frecuencia es especialmente elevada. En estos casos, para analizar los circuitos, la resistencia real se sustituye por una asociación serie formada por una resistencia ideal y por una bobina también ideal, aunque a veces también se les puede añadir un pequeño condensador ideal en paralelo con dicha asociación serie. En los conductores, además, aparecen otros efectos entre los que cabe destacar el efecto pelicular.

Consideremos una resistencia R, como la de la figura 2, a la que se aplica una tensión alterna de valor:

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna de valor:

donde . Se obtiene así, para la corriente, una función senoidal que está en fase con la tensión aplicada (figura 3).

Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemáticamente:

De donde se deduce que en los circuitos de CA la resistencia puede considerarse como una magnitud compleja con parte real y sin parte imaginaria o, lo que es lo mismo con argumento nulo, cuya representación binómica y polar serán:

Asociación de resistencias

Se denomina resistencia equivalente a la asociación respecto de dos puntos A y B, a aquella que conectada a la misma diferencia de potencial, U AB, demanda la misma intensidad, I (ver figura 4). Esto significa que ante las mismas condiciones, la asociación y su resistencia equivalente disipan la misma potencia.

Dos o más resistencias se encuentran conectadas en serie cuando al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, todas ellas son recorridas por la misma corriente.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación serie imaginaremos que ambas, figuras 4a) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial, U AB. Si aplicamos la segunda ley de Kirchhoff a la asociación en serie tendremos:

Aplicando la ley de Ohm:

En la resistencia equivalente:

Finalmente, igualando ambas ecuaciones se obtiene que:

Y eliminando la intensidad:

Por lo tanto, la resistencia equivalente a n resistencias montadas en serie es igual a la suma de dichas resistencias.

Dos o más resistencias se encuentran en paralelo cuando tienen dos terminales comunes de modo que al aplicar al conjunto una diferencia de potencial, U AB, todas las resistencias tienen la misma caída de tensión, U AB.

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación en paralelo imaginaremos que ambas, figuras 4b) y 4c), están conectadas a la misma diferencia de potencial mencionada, U AB, lo que originará una misma demanda de corriente eléctrica, I. Esta corriente se repartirá en la asociación por cada una de sus resistencias de acuerdo con la primera ley de Kirchhoff:

Aplicando la ley de Ohm:

En la resistencia equivalente se cumple:

Igualando ambas ecuaciones y eliminando la tensión U AB:

De donde:

Por lo que la resistencia equivalente de una asociación en paralelo es igual a la inversa de la suma de las inversas de cada una de las resistencias.

Existen dos casos particulares que suelen darse en una asociación en paralelo:

1. Dos resistencias: en este caso se puede comprobar que la resistencia equivalente es igual al producto dividido por la suma de sus valores, esto es:

2. k resistencias iguales: su equivalente resulta ser:

En una asociación mixta se encuentran conjuntos de resistencias en serie con conjuntos de resistencias en paralelo. En la figura 5 pueden observarse tres ejemplos de asociaciones mixtas con cuatro resistencias.

A veces una asociación mixta es necesaria ponerla en modo texto. Para ello se utilizan los símbolos "+" y "//" para designar las asociaciones serie y paralelo respectivamente. Así con (R1 + R2) se indica que R1 y R2 están en serie mientras que con (R1//R2) que están en paralelo. De acuerdo con ello, las asociaciones de la figura 5 se pondrían del siguiente modo:

Para determinar la resistencia equivalente de una asociación mixta se van simplificando las resistencias que están en serie y las que están en paralelo de modo que el conjunto vaya resultando cada vez más sencillo, hasta terminar con un conjunto en serie o en paralelo. Como ejemplo se determinarán las resistencias equivalentes de cada una de las asociaciones de la figura 5:

Desarrollando se obtiene:

a)

b)

c)

En la figura a) y b) pueden observarse respectivamente las asociaciones estrella y triángulo, también llamadas y o delta respectivamente. Este tipo de asociaciones son comunes en las cargas trifásicas. Las ecuaciones de equivalencia entre ambas asociaciones vienen dadas por el teorema de Kennelly:

Resistencias en estrella en función de las resistencias en triángulo (transformación de triángulo a estrella)

El valor de cada una de las resistencias en estrella es igual al cociente del producto de las dos resistencias en triángulo adyacentes al mismo terminal entre la suma de las tres resistencias en triángulo.

Resistencias en triángulo en función de las resistencias en estrella (transformación de estrella a triángulo)

El valor de cada una de las resistencias en triángulo es igual la suma de las dos resistencias en estrella adyacentes a los mismos terminales más el cociente del producto de esas dos resistencias entre la otra resistencia.

Si en una asociación paralelo de series como la mostrada en la figura 5b se conecta una resistencia que una las dos ramas en paralelo, se obtiene una asociación puente como la mostrada en la figura 7.

La determinación de la resistencia equivalente de este tipo de asociación tiene solo interés pedagógico. Para ello se sustituye bien una de las configuraciones en triángulo de la asociación, la R1-R2-R5 o la R3-R4-R5 por su equivalente en estrella, bien una de las configuraciones en estrella, la R1-R3-R5 o la R2-R4-R5 por su equivalente en triángulo. En ambos casos se consigue transformar el conjunto en una asociación mixta de cálculo sencillo. Otro método consiste en aplicar una fem (E) a la asociación y obtener su resistencia equivalente como relación de dicha fem y la corriente total demandada (E/I).

El interés de este tipo de asociación está en el caso en el que por la resistencia central, R5, no circula corriente o R4, en función de las otras tres. En ello se basan los puentes de Wheatstone y de hilo para la medida de resistencias con precisión.

El conductor es el encargado de unir eléctricamente cada uno de los componentes de un circuito. Dado que tiene resistencia óhmica, puede ser considerado como otro componente más con características similares a las de la resistencia eléctrica.

De este modo, la resistencia de un conductor eléctrico es la medida de la oposición que presenta al movimiento de los electrones en su seno, es decir la oposición que presenta al paso de la corriente eléctrica. Generalmente su valor es muy pequeño y por ello se suele despreciar, esto es, se considera que su resistencia es nula (conductor ideal), pero habrá casos particulares en los que se deberá tener en cuenta su resistencia (conductor real).

La resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo ( ) en m, de su sección ( ) en m², del tipo de material y de la temperatura. Si consideramos la temperatura constante (20 °C), la resistencia viene dada por la siguiente expresión:

en la que es la resistividad (una característica propia de cada material).

La variación de la temperatura produce una variación en la resistencia. En la mayoría de los metales aumenta su resistencia al aumentar la temperatura, por el contrario, en otros elementos, como el carbono o el germanio la resistencia disminuye.

Como ya se comentó, en algunos materiales la resistencia llega a desaparecer cuando la temperatura baja lo suficiente. En este caso se habla de superconductores.

Experimentalmente se comprueba que para temperaturas no muy elevadas, la resistencia a cierta temperatura ( ), viene dada por la expresión:

donde

= Resistencia de referencia a la temperatura .

= Coeficiente de temperatura. Para el cobre .

= Temperatura de referencia en la cual se conoce .

Una resistencia disipa en calor una cantidad de potencia cuadráticamente proporcional a la intensidad que la atraviesa y a la caída de tensión que aparece en sus bornes.

Comúnmente, la potencia disipada por una resistencia, así como la potencia disipada por cualquier otro dispositivo resistivo, se puede hallar mediante:

A veces es más cómodo usar la ley de Joule para el cálculo de la potencia disipada, que es:

o también

Observando las dimensiones del cuerpo de la resistencia, las características de conductividad de calor del material que la forma y que la recubre, y el ambiente en el cual está pensado que opere, el fabricante calcula la potencia que es capaz de disipar cada resistencia como componente discreto, sin que el aumento de temperatura provoque su destrucción. Esta temperatura de fallo puede ser muy distinta según los materiales que se estén usando. Esto es, una resistencia de 2 W formada por un material que no soporte mucha temperatura, estará casi fría (y será grande); pero formada por un material metálico, con recubrimiento cerámico, podría alcanzar altas temperaturas (y podrá ser mucho más pequeña).

El fabricante dará como dato el valor en vatios que puede disipar cada resistencia en cuestión. Este valor puede estar escrito en el cuerpo del componente o se tiene que deducir de comparar su tamaño con los tamaños estándar y su respectivas potencias. El tamaño de las resistencias comunes, cuerpo cilíndrico con 2 terminales, que aparecen en los aparatos eléctricos domésticos suelen ser de 1/4 W, existiendo otros valores de potencias de comerciales de ½ W, 1 W, 2 W, etc.

Véase también

1. Principios de circuitos eléctricos. . "La propiedad de un material de restringir u oponerse al flujo de electrones se llama resistencia, R."

2. Moscada, Tipler. Física (volumen 2 edición). Editorial reverté, S. A.,2005. . "El cociente entre la caída de potencial y la intensidad de la corriente se llama resistencia del segmento".

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Resistencia eléctrica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Se le denomina resistencia eléctrica a la oposición al flujo de corriente eléctrica a través de un conductor.​​ La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega (Ω), en honor al físico alemán Georg Simon Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre.

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La conductividad eléctrica (símbolo σ) es la medida de la capacidad de un material o sustancia para dejar pasar la corriente eléctrica a través de él.

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Conductividad eléctrica - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, inductores, interruptores, entre otros) se conectan sucesivamente, es decir, el terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo.

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Circuito en serie - Wikipedia, la enciclopedia libre

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Un circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos (generadores, resistencias, condensadores, inductores, interruptores, entre otros) se conectan sucesivamente, es decir, terminal de salida de un dispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.

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Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente.

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Corriente alterna - Wikipedia, la enciclopedia libre

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El primer alternador para producir corriente alterna fue un generador dinamoeléctrico basado en los principios de Michael Faraday , construido por el fabricante francés de instrumentos Hippolyte Pixii en 1832.​ Pixii más tarde agregó un conmutador a su dispositivo para producir la corriente continua (más utilizada).

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La corriente continua se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial y carga eléctrica, que no cambia de sentido con el tiempo.

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Corriente continua - Wikipedia, la enciclopedia libre

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La corriente continua (abreviada CC en español,​ así como CD por influencia del inglés DC, de direct current) se refiere al flujo continuo de carga eléctrica a través de un conductor entre dos puntos de distinto potencial y carga eléctrica, que no cambia de sentido con el tiempo.​ A diferencia de la corriente alterna, en la corriente continua las cargas eléctricas circulan siempre en la misma dirección.