Generación y distribución de electricidad
Mueva un imán, mueva una corriente — aparece una tensión. El sexto tema de OxfordAQA recorre toda la cadena desde el efecto generador hasta los transformadores de la red nacional, pasando por los electrodomésticos y sistemas de seguridad del hogar. Todas las afirmaciones de este tema son Paper-2 (P).
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Versión 5.1) — contenido enteramente (P).
Generación de electricidad (P)
El efecto generador induce una d.p. en un conductor que se mueve a través de un campo magnético o se encuentra en un campo variable. Invertir el movimiento o la polaridad invierte la d.p. inducida; el propio campo de la corriente inducida se opone al cambio. La d.p. aumenta con mayor velocidad, campo más intenso, más vueltas y mayor área de bobina.
Un alternador hace girar una bobina en un campo para producir c.a.; un dinamo proporciona c.c. — conocer las gráficas de d.p.–tiempo. Las centrales eléctricas hacen girar turbinas para mover bobinas entre imanes.
Transmisión, transformadores y el hogar (P)
Desde la central hasta el enchufe, cada vatio recorre la misma cadena de bobinas y cables.
Para una potencia dada, una alta tensión de transmisión implica baja corriente y, por tanto, poco calentamiento del cable. Un transformador consiste en dos bobinas sobre un núcleo de hierro blando: la corriente alterna en el primario produce un campo variable que induce una d.p. en el secundario.
Elevador antes de las líneas, reductor después; los transformadores de modo conmutado (50–200 kHz) son pequeños y ligeros — cargadores de teléfono.
Comprobación resuelta. Un transformador eleva 25 kV a 400 kV con 1000 espiras primarias: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ espiras. A 100 MW, la corriente de línea es $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.
Las pilas proporcionan c.c.; la red es c.a. con frecuencia y voltaje fijos — leer el periodo y la frecuencia a partir de trazados tipo osciloscopio. Seguridad: la puesta a tierra deriva corrientes de fallo desde carcasas metálicas; un fusible se funde o un interruptor automático salta ante exceso de corriente — el interruptor es más rápido y reiniciable; los electrodomésticos de doble aislamiento no necesitan toma de tierra.
El efecto motor (P)
Un hilo con corriente que cruza un campo magnético experimenta una fuerza (cero si es paralelo). La fuerza aumenta con campo más intenso, mayor corriente y más longitud de hilo en el campo; invertir cualquiera de ellos invierte la fuerza — la regla de la mano izquierda de Fleming predice la dirección.
Una bobina con corriente en un campo gira — el motor eléctrico.
Transferencia de energía eléctrica (P)
Las etiquetas de los aparatos indican la potencia; calcular la corriente para elegir un fusible, y la energía en kilovatios-hora para la facturación (E = Pt; coste = kWh × precio por unidad, leído en las marcas del contador).
Comprobación resuelta. Un calentador de 2.0 kW durante 3 h consume 6.0 kWh; a 0.9 por kWh cuesta 5.4. Una hervidora de 230 V, 1.1 kW absorbe I = 1100/230 ≈ 4.8 A — instale un fusible de 5 A o 13 A (la siguiente clasificación superior).
Compruébalo tú mismo
- Indique dos formas de inducir una d.p. en un conductor.
- Mencione tres factores que aumentan la magnitud de una d.p. inducida.
- Dibuje los gráficos de f.e.m.-tiempo de un alternador y de un dinamo.
- ¿Por qué la red transmite a alta tensión?
- Un transformador tiene 200 espiras primarias y 3000 espiras secundarias en 12 V c.a. Calcule la f.e.m. secundaria.
- Enuncie las ecuaciones de relación de vueltas y de potencia para un transformador con eficiencia del 100 %.
- Explique cómo la puesta a tierra y un fusible protegen al usuario conjuntamente.
- Enuncie la regla de la mano izquierda de Fleming.
- Calcule la corriente de un calentador de 230 V y 2.3 kW, y seleccione un fusible adecuado.
- Calcule la energía consumida en kWh por una hervidora de 1.5 kW durante 20 minutos.
Respuestas: 1 mover el conductor a través de un campo; colocarlo en un campo magnético variable; 2 movimiento más rápido; campo más intenso; más vueltas (también mayor área de bobina); 3 alternador — una onda sinusoidal alrededor de cero; dinamo — crestas todas por encima (o todas por debajo) del eje; 4 para la misma potencia la corriente es menor, por lo que las pérdidas térmicas I²R en los cables son mucho menores; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ y $V_p I_p = V_s I_s$; 7 el cable de tierra ofrece una ruta a tierra para la corriente de fallo, y el pico quema el fusible, desconectando el conductor vivo; 8 primer dedo Campo, segundo dedo Corriente, pulgar Movimiento — mutuamente perpendiculares; 9 I = 2300/230 = 10 A — utilice un fusible de 13 A; 10 t = 1/3 h, entonces E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh.