Energía eléctrica

Desde el punto de vista de la energía eléctrica, los componentes de un circuito eléctrico se pueden dividir en dos categorías: ^{[ 2 ] [ 3 ]}

• Dispositivos activos (fuentes de energía) : si se fuerza el flujo de corriente eléctrica convencional (carga positiva) a través del dispositivo en la dirección del potencial eléctrico más bajo al más alto, en contra de la fuerza opuesta del campo eléctrico ( E ) entre los terminales (esto equivale al movimiento de los electrones con carga negativa del terminal positivo al negativo), se realizará trabajo sobre las cargas. Por lo tanto, la energía se convierte en energía potencial eléctrica a partir de otro tipo de energía, como la energía mecánica o la energía química . Los dispositivos en los que esto ocurre se denominandispositivos activos o fuentes de energía , como los generadores eléctricos y las baterías .
• Dispositivos pasivos (cargas) : si una corriente convencional fluye a través del dispositivo en dirección de mayor a menor potencial (equivalente al movimiento de electrones negativos desde el terminal negativo al positivo), en la misma dirección que la fuerza del campo eléctrico , las cargas sobre el dispositivo realizan trabajo. La energía potencial de las cargas, debida a la diferencia de potencial entre los terminales, se convierte en energía cinética dentro del dispositivo. Estos dispositivos se denominan componentes pasivos o cargas ; consumen energía eléctrica del circuito, transformándola en otras formas de energía como trabajo mecánico , calor, luz, etc. Ejemplos de ello son los electrodomésticos , como bombillas , motores eléctricos y calentadores eléctricos .

Algunos dispositivos pueden ser tanto una fuente como una carga, dependiendo del voltaje y la corriente que los atraviesan. Por ejemplo, una batería recargable actúa como fuente cuando suministra energía a un circuito, pero como carga cuando está conectada a un cargador y se está recargando.

En los circuitos de corriente alterna (CA), la dirección del voltaje y la corriente se invierte periódicamente, pero la definición de fuentes y cargas es la misma; en una fuente, en cualquier instante, la corriente fluye del potencial más bajo al potencial más alto, mientras que en una carga, la corriente instantánea fluye del potencial más alto al potencial más bajo.

Dado que la energía eléctrica puede fluir hacia dentro o hacia fuera de un componente, se necesita una convención para determinar qué dirección representa el flujo de energía positiva. ^{[ 2 ] [ 3 ]} La energía eléctrica que fluye desde un circuito hacia un componente se define arbitrariamente con un signo positivo, mientras que la energía que fluye hacia un circuito desde un componente se define con un signo negativo. Por lo tanto, los componentes pasivos tienen un consumo de energía positivo, mientras que las fuentes de energía tienen un consumo de energía negativo. Esto se conoce como la convención de signos pasivos .

En el caso de cargas resistivas (óhmicas o lineales), la fórmula de potencia ( P = I · V ) y la primera ley de Joule ( P = I ² · R ) se pueden combinar con la ley de Ohm ( V = I·R ) para producir expresiones alternativas para la cantidad de potencia que se disipa: $${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$ donde R es la resistencia eléctrica .

En los circuitos de corriente alterna (CA), la polaridad del voltaje y la dirección del flujo de corriente se invierten dos veces en cada ciclo. En los circuitos resistivos, sin reactancia , en los que la corriente se invierte en el mismo instante que el voltaje, el circuito se comporta igual que un circuito de corriente continua (CC) como el descrito anteriormente, con la potencia fluyendo desde las fuentes y siendo consumida por las cargas.

Sin embargo, en circuitos con elementos de almacenamiento de energía como inductancia y capacitancia , además de la energía consumida por las resistencias, parte de la energía que fluye hacia los componentes pasivos se almacena temporalmente y se devuelve al circuito en cada ciclo. Esto puede provocar inversiones periódicas de la dirección del flujo de energía. La porción del flujo de energía (potencia) que, promediada en un ciclo completo de la forma de onda de CA, resulta en una transferencia neta de energía en una dirección se conoce como potencia real (también denominada potencia activa). ^{[ 4 ]} La amplitud de esa porción del flujo de energía (potencia) que no resulta en una transferencia neta de energía, sino que oscila entre la fuente y la carga en cada ciclo debido a la energía almacenada, se conoce como el valor absoluto de la potencia reactiva . ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} El producto del valor RMS de la onda de voltaje y el valor RMS de la onda de corriente se conoce como potencia aparente . La potencia real P en vatios consumida por un dispositivo viene dada por $${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$ dónde

• Vp es el voltaje pico en voltios _.
• I _p es la corriente pico en amperios.
• V _rms es el voltaje cuadrático medio en voltios.
• I _rms es la corriente cuadrática media en amperios.
• θ = θ _v − θ _i es el ángulo de fase por el cual la onda sinusoidal de voltaje adelanta a la onda sinusoidal de corriente, o equivalentemente el ángulo de fase por el cual la onda sinusoidal de corriente se retrasa con respecto a la onda sinusoidal de voltaje.

La relación entre potencia real, potencia reactiva y potencia aparente se puede expresar representando estas cantidades como vectores. La potencia real se representa como un vector horizontal y la potencia reactiva como un vector vertical. El vector de potencia aparente es la hipotenusa de un triángulo rectángulo formado al unir los vectores de potencia real y reactiva. Esta representación se conoce comúnmente como triángulo de potencias . Aplicando el teorema de Pitágoras , la relación entre potencia real, reactiva y aparente es: $${\displaystyle {\text{(potencia aparente)}}^{2}={\text{(potencia real)}}^{2}+{\text{(potencia reactiva)}}^{2}}$$

Las potencias real y reactiva también se pueden calcular directamente a partir de la potencia aparente, cuando la corriente y la tensión son sinusoidales con un ángulo de fase θ conocido entre ellas: $${\displaystyle {\text{(potencia real)}}={\text{(potencia aparente)}}\cos \theta }$$$${\displaystyle {\text{(potencia reactiva)}}={\text{(potencia aparente)}}\sin \theta }$$

La relación entre la potencia real y la potencia aparente se denomina factor de potencia y es un número que siempre se encuentra entre -1 y 1. Cuando las corrientes y los voltajes tienen formas no sinusoidales, el factor de potencia se generaliza para incluir los efectos de la distorsión.

La energía eléctrica fluye dondequiera que coexisten campos eléctricos y magnéticos y fluctúan en el mismo lugar. El ejemplo más sencillo de esto se encuentra en los circuitos eléctricos, como se mostró en la sección anterior. Sin embargo, en el caso general, la ecuación simple P = IV puede reemplazarse por un cálculo más complejo. La integral de superficie cerrada del producto vectorial de los vectores de intensidad del campo eléctrico y del campo magnético proporciona la potencia instantánea total (en vatios) que sale del volumen: ^{[ 7 ]}$${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

El resultado es un escalar ya que es la integral de superficie del vector de Poynting .

Los principios fundamentales de la generación de electricidad fueron descubiertos durante las décadas de 1820 y 1830 por el científico británico Michael Faraday . Su método básico todavía se utiliza hoy en día: la corriente eléctrica se genera mediante el movimiento de una espira de alambre o un disco de cobre entre los polos de un imán .

Para las empresas eléctricas , es el primer proceso en el suministro de electricidad a los consumidores. Los demás procesos, la transmisión , la distribución y el almacenamiento y recuperación de energía eléctrica mediante sistemas de bombeo, suelen ser realizados por la industria eléctrica .

La electricidad se genera principalmente en centrales eléctricas mediante generadores electromecánicos , impulsados ​​por motores térmicos que funcionan por combustión , energía geotérmica o fisión nuclear . Otros generadores se alimentan de la energía cinética del agua en movimiento y del viento. Existen muchas otras tecnologías que se utilizan para generar electricidad, como los paneles solares fotovoltaicos .

Una batería es un dispositivo que consta de una o más celdas electroquímicas que convierten la energía química almacenada en energía eléctrica. ^{[ 9 ]} Desde la invención de la primera batería (o " pila voltaica ") en 1800 por Alessandro Volta y especialmente desde la celda de Daniell técnicamente mejorada en 1836, las baterías se han convertido en una fuente de energía común para muchas aplicaciones domésticas e industriales. Según una estimación de 2005, la industria mundial de baterías genera US$ 48 mil millones en ventas cada año, ^{[ 10 ]} con un crecimiento anual del 6%. Hay dos tipos de baterías: baterías primarias (baterías desechables), que están diseñadas para usarse una sola vez y desecharse, y baterías secundarias (baterías recargables), que están diseñadas para recargarse y usarse varias veces. Las baterías están disponibles en muchos tamaños; desde pilas de botón en miniatura utilizadas para alimentar audífonos y relojes de pulsera hasta bancos de baterías del tamaño de habitaciones que proporcionan energía de reserva para centrales telefónicas y centros de datos informáticos .

La industria de la energía eléctrica proporciona la producción y el suministro de energía, en cantidades suficientes para las zonas que la necesitan , a través de una conexión a la red eléctrica . La red distribuye la energía eléctrica a los clientes. La energía eléctrica se genera mediante centrales eléctricas o mediante generación distribuida . La industria de la energía eléctrica ha tendido gradualmente hacia la desregulación, con nuevos actores que ofrecen a los consumidores competencia a las empresas de servicios públicos tradicionales. ^{[ 11 ]}