L'energia elèctrica i els circuits elèctrics

Energia Elèctrica

• L'electricitat va ser descoberta per Tales de Milet aproximadament entre el 400 i el 600 aC, investigant la relació entre plomes, ambre i llana.
• L'electricitat estàtica ja es coneixia en l'antiguitat clàssica anomenada elektron.
• L'edat mitjana va veure l'observació de fenòmens naturals i animals relacionats amb l'electricitat.
• L'estructura de l'àtom, amb electrons, protons i neutrons, es va descobrir durant la Revolució Industrial (segles XVII-XVIII).
• L'electricitat consisteix en el moviment d'electrons entre àtoms, generant energia.

Circuits Elèctrics

• Un circuit elèctric ocupa un espai físic.
• Un circuit elèctric ha d'estar tancat per permetre el flux continu d'electrons.
• Els circuits consten de components específics per a la seva funció.
• Els electrons circulen dins del circuit.

Components del Circuit Elèctric

• Els generadors produeixen electricitat.
• Els conductors transporten l'electricitat.
• Els receptors transformen l'electricitat en altres formes d'energia.
• Els controls regulen el flux d'electricitat.
• La protecció evita danys als components del circuit.

Simbologia i Components

• Interruptor: Control
• Punt de connexió: Control
• Resistència: Protecció
• Commutador: Control
• Fusible: Protecció
• Bombeta: Receptor
• Conductor: Conductor
• Brunzidor o timbre: Receptor
• Motor: Receptor
• Polsador: Control
• Pila: Generador
• Commutador de creuament: Control

Tipus de Connexions

• Sèrie: la tensió total és la suma de les tensions i la intensitat és la mateixa.
  • Vt = V1 + V2
  • It = I1 = I2
  • Rt = R1 + R2
• Paral·lel: la tensió és la mateixa en cada component i Rt = (R1*R2)/(R1 + R2)
  • Vt = V1 = V2
  • It = I
• Mixte: combinació de connexions en sèrie i paral·lel.

Magnitud, Símbols, Definicions i Unitats de Mesura

• Tensió, voltatge o força electromotriu (V, fem): Quantitat d'energia utilitzada per impulsar electrons a través del circuit, mesurada en Volts (V).
• Intensitat o corrent elèctric (I): Quantitat d'electrons que circulen per un circuit en un segon, mesurada en Ampers (A).
• Resistència (R): Oposició al pas del corrent elèctric en els materials, mesurada en Ohms (Ω).
• Potència (P): Energia que circula per un circuit en un temps determinat, mesurada en Watts (W).
• Energia elèctrica o consum (E, C): Energia alliberada en un circuit pels seus components, mesurada en Joules (J) o Quilowatts per hora (KWh).

Fórmules Essencials

• Voltatge: V = RI
  • Resistència: R = V/I
  • Intensitat: I = V/R
• Potència: P = VI
  • Voltatge: V = P/I
  • Intensitat: I = P/V
  • Resistència: R = P/I²
  • Intensitat: I = √(P/R)
• Energia o consum: E = Pt
  • Potència: P = E/t
  • Temps: t = E/P
• Energia o consum: E = VIt
  • Voltatge: V = E/(It)
  • Intensitat: I = E/(Vt)
  • Temps: t = E/(VI)
• Energia o consum: E = RI²t
  • Resistència: R = E/(I²t)
  • Temps: t = E/(RI²)
  • Intensitat: I = √[E/(Rt)]
• Resistència: R = (ρl)/S
  • Longitud (m): l = (RS)/ρ
  • Secció (mm²): S = (ρl)/R
  • Resistivitat: ρ = (RS)/l

Escales prefixes base 10

• Exa: 10^18
• Peta: 10^15
• Tera: 10^12
• Giga: 10^9
• Mega: 10^6
• Kilo: 10^3
• Hecto: 10^2
• Deca: 10^1
• deci: 10^-1
• centi: 10^-2
• mili: 10^-3
• micro: 10^-6
• nano: 10^-9
• pico: 10^-12
• femto: 10^-15
• atto: 10^-18

Generació, Distribució, Transport i Consum

• Generació:
  • Centrals elèctriques generen a 36KV.
• Distribució i Transport:
  • Estacions transformadores canvien la tensió.
  • Estacions distribuïdores canvien la tensió i reparteixen.
  • Torres:
    • Alta tensió: 110KV – 400KV
    • Mitja tensió: 25KV – 132KV
    • Baixa tensió: 220 V - 380V
• Consum:
  • Domèstic: 220V.
  • Industrial: <12KV.

Centrals Elèctriques

• Transformen l'energia primària en energia elèctrica.
• Energies renovables:
  • Solars (llum solar).
  • Hidràuliques (energia cinètica i potencial aigua).
  • Eòliques (vent).
  • Mareomotrius (marees).
  • Indomotrius (onades).
  • Geotèrmiques (energia temperatura interior Terra).
• Energies no renovables:
  • Tèrmiques (carbó, fuel, gas natural).
  • Nuclears (urani, plutoni).

Turbina

• Màquina que converteix energia en treball o força.
• Utilitza vapor, gas o aigua.
• Rendiment aproximat del 90%.
• Converteix energia primària en energia cinètica (moviment).
• Parts:
  • Estator (fix): Àleps fixes i distribuïdor.
  • Rotor (mòbil): Àleps (fixos o mòbils) i rodet.
• Tipus:
  • Pelton: Voltant rodet i eix horitzontal.
  • Francis: Voltant rodet i distribuïdor (mòbils) i eix vertical.
  • Kaplan: Voltant rodet i distribuïdor (mòbils) i eix vertical.

Alternador

• Màquina que transforma energia cinètica (moviment) en energia elèctrica.
• Parts:
  • Estator (fix): Imant i escombretes.
  • Rotor (mòbil): Anells col·lectors i espira.
• Funcionament: Inducció electromagnètica; espira gira dins camp magnètic i crea corrent elèctric (canvia sentit i valor).

Transformador

• Màquina que modifica el valor de l'electricitat.
• Converteix energia elèctrica en energia elèctrica.
• Parts: totes estàtiques
  • Debanament primari: espires.
  • Debanament secundari: espires.
  • Nucli: ferromagnètic.
• Funcionament: Doble inducció electromagnètica; Electricitat i camp magnètic depenen del nombre d'espires.

Centrals Nuclears

• Instal·lacions que transformen l'energia primària (massa àtoms Urani, Plutoni) en energia elèctrica.
• Funcionament: El refrigerant del primari (fissió) escalfa el secundari i genera vapor. Aquest vapor mou la turbina, que al seu torn acciona l'alternador i genera electricitat. El condensador retorna el vapor en forma d'aigua al secundari. L'aigua entra i surt del condensador.
• Residius:
  • Alta activitat: combustible (Urani) i residus, requereixen confinament i emmagatzematge subterrani profund (500-800m, fins 400anys).
  • Mitjana i baixa activitat: draps, peces, filtres, etc., confinen en instal·lacions superficials o poc fundes (300anys).
• Barres de control: control del flux de neutrons (Plata /Cadmi)
• Moderador: disminuïx la velocitat de neutrons per afavorir més fissions
• Rerefgerant: absorbeix i transporta la calor produïda per la fissió (aigua lleugera/Heli)
• Combustible: àtoms d'Urani (barres)

Centrals Tèrmiques

• Transformen energia primària (gas, carbó, fuel) en energia elèctrica.
• Funcionament: L'aigua és conduïda a una caldera on es crema gas, carbó o fuel. El vapor resultant mou una turbina, la qual acciona un alternador per generar electricitat. El vapor addicional es transforma novament en aigua al condensador. Les torres refreden l'aigua, que retorna al mar o riu
• Caldera: Aigua passa a vapor, crema gas, carbó, fuel y gasos surten per la xemeneia

Centrals Hidràuliques

• Transformen energia primària (potencial i cinètica aigua) en energia elèctrica.
• Funcionament: L'aigua cau des de l'alçada (energia potencial) a través de la turbina, que retorna al riu. Aquesta moviment acciona d'un alternador que genera electricitat. Un transformador canvia l'electricitat.
• L'energia primària és l'energia potencial i cinètica de l'aigua

Centrals Solars Tèrmiques

• Utilitzen energia solar per generar electricitat.
• Radiació solar reflectida pels heliòstats (miralls) escalfan la caldera i l'aigua que es converteix en vapor a alta pressió.
• Tipus: Hi ha dos tipus principals: central de torre i amb col·lectors distribuïts.
• Vapor mòbil mou la turbina i torna al generador per fer vapor
• Turbina mou un alternador i crea electricitat.

Centrals Fotovoltaiques

• Converteixen l'energia solar directament en electricitat utilitzant plaques fotovoltaiques.
• Quan la llum solar incideix sobre les plaques, es produeix el moviment d'un alliberament d'electrons, generant electricitat.
• Radiació solar és captada, placa i convertida electricitat
• Convierteix de CC a СА

Centrals Eòliques

• Utilitzen la força del vent per generar electricitat.
• El vent mou les pales d'un aerogenerador, transferint l'energia cinètica a una turbina.
• Aquesta acciona un alternador, que converteix l'energia mecànica en electricitat.
• Transformador canvia d'electricitat
• Sistema augmenta voltes

Centrals Geotèrmiques

• Utilitzen la calor de la Terra per generar electricitat.
• Temperatura 1° cada 37m.
• Injecció d'aigua subterràni a l'interior de la Terra es transforma en vapor que puja i mou turbina
• El moviment del vapor acciona l'alternador
• Moviment a l'alternador genera elevat i transforma l'electricitat.

Centrals Mareomotrius

• Utilitzen les marees per generar electricitat.
• Energies primaries son l'energia potencia de les marees
• Turboalternadors (reversible, 2 sentits)