MAGNETISMO Y ELECTRICIDAD

En una instalación normal, los generadores de la central eléctrica suministran voltajes de 26.000 voltios; voltajes superiores no son adecuados por las dificultades que presenta su aislamiento y por el riesgo de cortocircuitos y sus consecuencias.

Este voltaje se eleva mediante transformadores a tensiones entre 138.000 y 765.000 voltios para la línea de transporte primaria (cuanto más alta es la tensión en la línea, menor es la corriente y menores son las pérdidas, ya que éstas son proporcionales al cuadrado de la intensidad de corriente).

En la subestación, el voltaje se transforma en tensiones entre 69.000 y 138.000 voltios para que sea posible transferir la electricidad al sistema de distribución. La tensión se baja de nuevo con transformadores en cada punto de distribución. La industria pesada suele trabajar a 33.000 voltios (33 kilovoltios), y los trenes eléctricos requieren de 15 a 25 kilovoltios.

Para su suministro a los consumidores se baja más la tensión: la industria suele trabajar a tensiones entre 380 y 415 voltios, y las viviendas reciben entre 220 y 240 voltios en algunos países y entre 110 y 125 en otros.

Las líneas de conducción se pueden diferenciar según su función secundaria en líneas de transporte (altos voltajes) y líneas de distribución (bajos voltajes). Las primeras se identifican a primera vista por el tamaño de las torres o apoyos, la distancia entre conductores, las largas series de platillos de que constan los aisladores y la existencia de una línea superior de cable más fino que es la línea de tierra. Las líneas de distribución, también denominadas terciarias, son las últimas existentes antes de llegar la electricidad al usuario, y reciben aquella denominación por tratarse de las que distribuyen la electricidad al último eslabón de la cadena.

Las líneas de conducción de alta tensión suelen estar formadas por cables de cobre, aluminio o acero recubierto de aluminio o cobre. Estos cables están suspendidos de postes o pilones, altas torres de acero, mediante una sucesión de aislantes de porcelana. Gracias a la utilización de cables de acero recubierto y altas torres, la distancia entre éstas puede ser mayor, lo que reduce el coste del tendido de las líneas de conducción; las más modernas, con tendido en línea recta, se construyen con menos de cuatro torres por kilómetro. En algunas zonas, las líneas de alta tensión se cuelgan de postes de madera; para las líneas de distribución, a menor tensión, suelen ser postes de madera, más adecuados que las torres de acero. En las ciudades y otras áreas donde los cables aéreos son peligrosos se utilizan cables aislados subterráneos. Algunos cables tienen el centro hueco para que circule aceite a baja presión.

El aceite proporciona una protección temporal contra el agua, que podría producir fugas en el cable. Se utilizan con frecuencia tubos rellenos con muchos cables y aceite a alta presión (unas 15 atmósferas) para la transmisión de tensiones de hasta 345 kilovoltios.

Cualquier sistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las propias líneas de conducción. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.

Los cortacircuitos se utilizan para proteger todos los elementos de la instalación contra cortocircuitos y sobrecargas y para realizar las operaciones de conmutación ordinarias. Estos cortacircuitos son grandes interruptores que se activan de modo automático cuando ocurre un cortocircuito o cuando una circunstancia anómala produce una subida repentina de la corriente.

En el momento en el que este dispositivo interrumpe la corriente se forma un arco eléctrico entre sus terminales. Para evitar este arco, los grandes cortacircuitos, como los utilizados para proteger los generadores y las secciones de las líneas de conducción primarias, están sumergidos en un líquido aislante, por lo general aceite. También se utilizan campos magnéticos para romper el arco. En tiendas, fábricas y viviendas se utilizan pequeños cortacircuitos diferenciales. Los aparatos eléctricos también incorporan unos cortacircuitos llamados fusibles, consistentes en un alambre de una aleación de bajo punto de fusión; el fusible se introduce en el circuito y se funde si la corriente aumenta por encima de un valor predeterminado.

La energía eléctrica es la forma de energía más utilizada. Gracias a la flexibilidad en la generación y transporte se ha convertido para la industria en la forma más extendida de consumo de energía. El transporte por líneas de alta tensión es muy ventajoso y el motor eléctrico tiene un rendimiento superior a las máquinas térmicas. Los inconvenientes de esta forma de energía son la imposibilidad de almacenamiento en grandes cantidades y que las líneas de transmisión son muy costosas.

Las instalaciones para generación y el transporte de la energía eléctrica utilizan generalmente corriente alterna, debido a que es más fácil reducir o elevar el voltaje por medio de transformadores. Para el transporte de una cantidad de energía dada, si se eleva la tensión disminuye la intensidad de corriente necesaria, esto disminuye las pérdidas que son proporcionales al cuadrado de la intensidad. Posteriormente, para la distribución se reduce el voltaje en las subestaciones que gradúan la tensión según se utilicen en la industria (entre 33 kV y 380 Voltios) o en instalaciones domiciliarias (entre 220 y 110 V).

Una central eléctrica utiliza una fuerza motora para hacer girar un generador eléctrico con diversas fuentes de energía. Se pueden clasificar las centrales eléctricas según la energía aprovechada.

Central hidroeléctrica: utiliza la energía obtenida en los saltos de agua (energía hidráulica).
Central termoeléctrica: utiliza la energía obtenida de los combustibles fósiles (carbón, fueloil, etc. )
Central nuclear: utiliza la energía obtenida mediante reactores nucleares.
Centrales de recursos renovables: Utiliza energía de recursos renovables: energía solar, eólica, mareomotriz y geotérmica.
La producción mundial en los últimos 40 años aumentó más del 1300%: de 1 billón de kWh a 13 billones. El índice de producción refleja principalmente la importancia de las necesidades de las grandes potencias industriales. Estados Unidos ocupa el primer puesto, con más del 26 %, le siguen China con 8,5 %, Japón con 7,40 % y Rusia con 5,80 %. La electricidad de estos grandes productores es esencialmente de origen térmico: Estados Unidos con 70 %, China con el 80 %, Japón con el 59 % y Rusia con el 66%. La electricidad de origen térmico representa un 63% de la producción mundial, le sigue la hidráulica con el 19%, la nuclear con el 17% y se produce solamente con un 1% con fuentes de energía eólica, solar y geotérmica.

Una central hidroeléctrica es aquella que genera electricidad mediante el aprovechamiento de la energía potencial del agua embalsada en una presa situada a más alto nivel que la central.

El agua es conducida mediante una tubería de descarga a la sala de máquinas de la central, donde mediante enormes turbinas hidráulicas se produce la generación de energía eléctrica en alternadores.

Características de una central hidroeléctrica

Presa Hidroeléctrica en Grandas de Salime (Asturias).Las dos características principales de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación de electricidad son:

la potencia, que es función del desnivel existente entre el nivel medio del embalse y el nivel medio aguas abajo de la usina, y del caudal máximo turbinable, además de las características de la turbina y del generador; y,
la energía garantizada, en un lapso de tiempo determinado, generalmente un año, que es función del volumen útil del embalse, y de la potencia instalada.
La potencia de una central puede variar desde unos pocos MW (megawatts), hasta 30 MW se consideran minicentrales. La Central hidroeléctrica mayor del mundo, hasta la fecha (2005), Itaipú, tiene una potencia instalada de 14.000 MW, sumando las 20 turbinas.

Tipos de centrales hidroeléctricas
Desde el punto de vista de su concepción arquitectónica, las centrales pueden ser clasificadas en:

Centrales al aire libre, al pie de la presa, o relativamente alejadas de esta, y conectadas por medio de una tubería en presión;
Centrales en caverna, generalmente conectadas al embalse por medio de túneles, tuberías en presión, o por la combinación de ambas.
Desde el punto de vista de como utilizan el agua para la generación, se pueden clasificar en:

Centrales a filo de agua. También denominadas centrales de agua fluyente, utilizan parte del flujo de un río para generar energía eléctrica. Operan en forma continua porque no tienen capacidad para almacenar agua, no disponen de embalse. Turbinan el agua disponible en el momento, limitadamente a la capacidad instalada. En estos casos las turbinas pueden ser de eje vertical, cuando el río tiene una pendiente fuerte u horizontal cuando la pendiente del río es baja.

Centrales acopladas a uno o más embalses. Es el tipo más frecuente de central hidroeléctrica.
Centrales maremotrices. Utilizan el flujo y reflujo de las mareas. Pueden ser ventajosas en zonas costeras donde la amplitud de la marea es amplia, y las condiciones morfológicas de la costa permiten la construcción de una presa que corta la entrada y salida de la marea en una bahía. Se genera energía tanto en el momento del llenado como en el momento del vaciado de la bahía.

Centrales maremotrices sumergidas. Utilizan la energía de las corrientes submarinas. En 2002, en Gran Bretaña se implementó la primera de estas centrales a nivel experimental.
Centrales que aprovechan el movimiento de las olas. Este tipo de central es objeto de investigación desde la década de los 80. A inicios de agosto de 1995, el "Ocean Swell Powered Renewable Energy (OSPREY)" implementó la primera central que utiliza la energía de las olas en el norte de Escocia. La potencia de esta central es de 2 MW. Lamentablemente fue destruida un mes más tarde por un temporal.

Hasta 1820, el único magnetismo conocido era el de los imanes y el de las "magnetitas", imanes naturales de mineral rico en hierro.

Se creía que el interior de la Tierra estaba imantada de la misma forma y los científicos se sintieron muy perplejos cuando vieron que la dirección de la aguja del compás magnético se desviaba ligeramente en todos los lugares, década tras década, sugiriendo que existía una pequeña variación del campo magnético terrestre.
¿Cómo puede un imán producir estos cambios? Edmond Halley (famoso por el cometa) propuso ingeniosamente que la Tierra contenía un cierto número de capas esféricas, una dentro del otra, cada una imantada de forma diferente y que giraban lentamente entre sí.

Edmond Halley

Hans Christian Oersted Hans Christian Oersted fue un profesor de ciencias en la Universidad de Copenhague. En 1820 preparó en su casa una demostración científica para sus estudiantes y amigos. Planeaba demostrar el calentamiento de un hilo mediante una corriente eléctrica y también llevar a cabo demostraciones sobre el magnetismo, para lo que dispuso de una aguja montada en una peana de madera.

Mientras llevaba a cabo su demostración eléctrica, Oersted observó para su sorpresa que cada vez que se conectaba la corriente eléctrica, la aguja se movía. Silenció esto y finalizó sus demostraciones, pero en los meses siguientes trabajó duro intentando buscarle un sentido al nuevo fenómeno.
Experimento de Oersted

Lo que veía Oersted... Pero no pudo. La aguja era atraída hacia el hilo o repelida por él. Más bien tendía a permanecer formando ángulos rectos (vea el dibujo). Al final publicó sus hallazgos (en latín) sin ninguna explicación.

Andre-Marie Ampere, en Francia, advirtió que si una corriente en un hilo ejercía una fuerza magnética sobre la aguja, dos hilos semejantes también deberían interactuar magnéticamente. Mediante una serie de ingeniosos experimentos mostró que esta interacción era simple y fundamental --las corrientes paralelas (rectas) se atraen, las corrientes antiparalelas se repelen.
La fuerza entre dos largas corrientes rectas y paralelas era inversamente proporcional a la distancia entre ellas y proporcional a la intensidad de la corriente que pasaba por cada una.
[Solo para los que demandan matemáticas: esta no es la fórmula básica. Dadas dos cortas corrientes paralelas I1 y I2, fluyendo en segmentos de hilo de longitudes L1 y L2 y separados por una distancia R, la fórmula básica nos proporciona la fuerza entre ellas como proporcional a
I1 I2 L1 L2/R2

(se hace más complicada si las corrientes fluyen en direcciones inclinadas entre sí por un ángulo). Entonces, para hallar la fuerza entre hilos de forma complicada que transportan corrientes eléctricas, deben sumarse todas esas pequeñas aportaciones a la fuerza. Para dos hilos rectos, el resultado final es como arriba, una fuerza inversamente proporcional a R, no a R2]

Así que existen dos tipos de fuerzas asociadas con la electricidad --la eléctrica y la magnética. En 1864 James Clerk Maxwell demostró una sutil relación entre los dos tipos de fuerza, implicando inesperadamente a la velocidad de la luz. De este relación surgieron: la idea de que la luz era un fenómeno eléctrico, el descubrimiento de las ondas de radio, la teoría de la relatividad y una gran consecución de la física actual.

Maxwell

El magnetismo es uno de los aspectos del electromagnetismo, que es una de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (junto con la gravedad, la fuerza nuclear fuerte y la fuerza nuclear débil).

Las fuerzas magnéticas son producidas por el movimiento de partículas cargadas, como por ejemplo electrones, lo que indica la estrecha relación entre la electricidad y el magnetismo. El marco que une ambas fuerzas se denomina teoría electromagnética (véase Radiación electromagnética).

La manifestación más conocida del magnetismo es la fuerza de atracción o repulsión que actúa entre los materiales ferromagnéticos como el hierro. Desde la antigüedad se ha constatado la interacción entre el hierro o minerales como la magnetita con el campo magnético terrestre, de forma que el polo norte de un imán tiende a apuntar al polo sur de otro.

En realidad, si se disponen de los instrumentos de medida adecuados, en toda la materia se pueden observar efectos más sutiles del magnetismo (como paramagnetismo y diamagnetismo). Reciéntemente, estos efectos han proporcionado claves importantes para comprender la estructura atómica de la materia.

Fuente del campo
Un campo magnético tiene dos fuentes que lo originan. Una de ellas es una la corriente eléctrica de convección, que da lugar a un campo magnético estático. Por otro lado una corriente de desplazamiento origina un campo magnético variante en el tiempo, incluso aunque aquella sea estacionaria.

La relación entre el campo magnético y una corriente eléctrica está dada por la ley de Ampère. El caso más general, que incluye a la corriente de desplazaminto, lo da la ley de Ampère-Maxwell.

Cabe destacar que, a diferencia del campo eléctrico, en el campo magnético no existen monopolos magnéticos, sólo dipolos magnéticos, lo que significa que las líneas de campo magnético son cerradas, esto es, el número neto de líneas de campo que entran en una superficie es igual al número de líneas de campo que salen de la misma superficie. Un claro ejemplo de esta propiedad viene representado por las líneas de campo de un imán, donde se puede ver que el mismo número de líneas de campo que salen del polo norte vuelve a entrar por el polo sur, desde donde vuelven por el interior del imán hasta el norte.

campo magnetico uniforme.

Un material magnético es aquel que posee una gran facilidad para imanar y desimnanar, pero que reciba este nombre no tiene nada que ver con la dureza física del material. Este tipo de material tiene un ciclo de histéresis estrecho, determinado por pequeñas fuerzas coercitivas y una permeabilidad inicial alta.

Un material con estas características, alcanza la saturación con un campo aplicado relativamente pequeño y aun así tener pérdidas de energía pequeñas.

Pérdidas de energía

Un material blando puede tener pérdidas de energía debidas a la histéresis y por acción de corrientes parasitarias. En el primer caso, los valores de susceptibilidad y la coercitividad que determinan la curva de histéresis son sensibles a la estructura del material. Así, los defectos estructurales (partículas de una fase no magnética, poros en material no magnético) disminuyen el movimiento de las paredes del dominio y aumenta por tanto la coercitividad.

Por otra parte, las perdidas de energía debidas a corrientes parasitarias o de Foucault se dan al inducirse corrientes eléctricas en el material magnético, por un campo magnético que varía en magnitud y dirección con el tiempo. Para solucionar estas pérdidas se amplia la resistividad eléctrica del material.

Aleación hierro-silicio

Es una de las aleaciones más utilizadas como material magnético blando, ya que soluciona en gran parte las pérdidas por histéresis y las corrientes parasitarias, y es menor la inducción por saturación y la temperatura de Curie, todo ello gracias al silicio. La proporción de este no puede superar el 4% debido a que a partir de entonces la ductilidad comienza a disminuir. Se suele utilizar en la fabricación de transformadores, apilando laminas de hierro-silicio con una capa de aislante entre ellas. Dichas laminas tienen la particularidad de tener los granos orientados para tener menos pérdidas.

Vidrios metálicos

Son materiales de estructura amorfa, obtenidos mediante la combinación de elementos ferrimagnéticos como el hierro, cobalto y niquel, con metaloides como el Boro y el Silicio. Son muy fuertes, muy duros, con cierta flexibilidad y resistentes a la corrosión. En estos materiales, las paredes del dominio se mueven con facilidad a causa de que tienen ciclos de histéresis muy estrechos. Se suele emplear en la fabricación de transformadores de potencia, sensores magnéticos y cabezas grabadoras.

Aleaciones niquel-hierro

Estos materiales magnéticos blandos se emplean como sustituto de la aleación hierro-silicio en aplicaciones que se necesite una permeabilidad relativamente alta para campos bajos. Existen dos tipos: con 50% de níquel, con moderada permeabilidad y alta inducción de saturación; y con 79% de níquel con alta permeabilidad y menor inducción de saturación. Estas aleaciones tiene permeabilidades altas porque sus energías de anisotropía magnética y de magnetostricción son pequeñas. Se suelen emplear en transformadores de instrumentación, relés de instrumentación y para laminados de rotores y estatores.

Este grupo de materiales destacan entre el resto por tener una gran resistencia a la desmagnetización, por lo que son utilizados como imanes permanentes. Sus características son una remanencia, coercitividad y densidad de flujo de saturación altas que hace que tenga un ciclo de histéresis ancho y alto. Estos materiales se imanan mediante la aplicación de un campo magnético que consiga orientar los dominios magnéticos en la misma dirección que el campo. De esta forma, el material adquirirá energía del campo que será convertida en energía potencial. La curva de desimanación viene dada por la representación del ciclo de histéresis en el segundo cuadrante. La energía potencial magnética de un material se mide como el producto de la inducción magnética y el campo desimanador, es decir, el área encerrada por el mayor rectángulo que puede ser inscrito en el segundo cuadrante del ciclo de histéresis del material.

Aleaciones de alnico

El alnico es uno de los materiales magnéticos duros comercialmente más importantes. Tienen una alta energía producto (40 a 70 kJ/m3), una alta inducción de remanente (0,7 a 1,35 T) y un moderado campo coercitivo (40 a 160 kA/m). Este tipo de aleaciones se obtienen a partir del hierro con adición de Aluminio, Níquel y Cobalto más un 3% de Cobre aunque también se le puede añadir Titanio. Este tipo de material es quebradizo y para su elaboración se funde para posteriormente recurrir a procesos de metalurgia de polvo. Su finalidad principal es la producción de grandes cantidades de pequeños artículos de formas complejas.

Aleaciones de tierras raras

Los imanes de aleaciones de tierras raras tienen propiedades superiores a cualquier otro material magnético comercial. Su energía producto alcanza valores de 240kJ/m3 y las coercitividades rondan los 3200kA/m. Hay dos grupos principales de materiales magnéticos de tierras raras: uno es la monofase SmCo5 y el otro son las aleaciones endurecidas por precipitación de composición aproximada Sm(Co,Cu)7,5 .

Los imanes de monofase SmCo5 tienen un mecanismo de coercitividad basado en la nucleación y fijación de las paredes del dominio en las superficies y fronteras de grano. Se trabajan mediante procesos de metalurgia de polvo utilizando partículas finas. Durante la compactación las partículas se alineen por la acción del campo magnético y posteriormente son sinterizados para evitar el crecimiento de las partículas. Los valores de la energía producto son de entre 130 y 160 kJ/m3 .

En el endurecimiento por precipitación de la aleación de Sm(Co,Cu)7,5,parte del cobalto es sustituido por el Cobre en el SmCo5 por medio de un fino precipitado a una temperatura de envejecimiento de unos 400º C. El precipitado formado es coherente con la estructura anterior y se basa en la fijación homogénea de las paredes del dominio de las partículas precipitadas. Al igual que el anterior se recurre a métodos de metalurgia de polvos para su conformación. Los valores típicos de la energía producto en una aleación Sm(Co0,68Cu0,10Fe0,21 Zr0,01)7,4 son de 240Kj/m3 y de 1,1 T de inducción remanente.

Los imanes de Sm-Co se utilizan en dispositivos médicos tales como los pequeños motores de bombas implantables y válvulas, en relojes de muñeca, tubos de onda progresiva y en motores y generadores de corriente continua síncronos.

Aleaciones magnéticas de neodimio-hierro-boro

El descubrimiento de este tipo de material es muy reciente, hacia 1984. Su energía producto, alrededor de 300kJ/m3, es una de las mayores entre los materiales magnéticos. Se producen mediante metalurgia de polvo, solidificando rápidamente mediante cintas de hilado fundido. La alta coercitividad y energía producto de este material son resultado de una nucleación inversa de los dominios magnéticos que habitualmente nuclean en las fronteras de grano de las matrices de los granos.

Se emplean en motores eléctricos, en especial en los motores de arranque de automóviles, gracias a ser más potente que otros materiales.

Aleaciones magnéticas de hierro-cromo-cobalto

Estas aleaciones son similares a las de alnico en estructura metalúrgica y propiedades magnéticas permanentes, pero poseen como ventaja que pueden ser conformables en frío. La composición típica de esta estructura guarda la siguiente proporción: 61% de hierro, 28% de cromo y 11% de Cobalto. Los valores de las propiedades magnéticas son de 1,0T a 1,3T de inducción remanente, de 150 A/cm a 600 A/cm de coercitividad y de 10kJ/m3 a 45kJ /m3. Se emplean en imanes permanentes para receptores telefónicos.