La energía eléctrica es la tasa de transferencia de energía eléctrica dentro de un circuito . Su unidad SI es el vatio , la unidad general de potencia , definida como un julio por segundo . Los prefijos estándar se aplican a los vatios como ocurre con otras unidades del SI: miles, millones y miles de millones de vatios se denominan kilovatios, megavatios y gigavatios, respectivamente.
En el lenguaje común, la energía eléctrica es la producción y distribución de energía eléctrica, un servicio público esencial en gran parte del mundo. La energía eléctrica suele producirse mediante generadores eléctricos , pero también puede suministrarse mediante fuentes como baterías eléctricas . Generalmente es suministrada a empresas y hogares (como electricidad de red doméstica ) por la industria eléctrica a través de una red eléctrica .
La energía eléctrica puede distribuirse a largas distancias mediante líneas de transmisión y utilizarse para aplicaciones como movimiento , luz o calor con alta eficiencia . [1]
La potencia eléctrica, al igual que la potencia mecánica , es la tasa de realización de un trabajo , medida en vatios , y representada por la letra P. El término potencia se utiliza coloquialmente para significar "potencia eléctrica en vatios". La potencia eléctrica en vatios producida por una corriente eléctrica I que consiste en una carga de Q culombios cada t segundos que pasa a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) de V es:
Es decir,
La energía eléctrica se transforma en otras formas de energía cuando las cargas eléctricas se mueven a través de una diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ), lo que ocurre en los componentes eléctricos de los circuitos eléctricos. Desde el punto de vista de la energía eléctrica, los componentes de un circuito eléctrico se pueden dividir en dos categorías:
Si se fuerza que la corriente eléctrica fluya a través del dispositivo en la dirección del potencial eléctrico inferior al superior, de modo que las cargas positivas se muevan del terminal negativo al positivo, se realizará trabajo sobre las cargas y la energía se convertirá en potencial eléctrico. energía a partir de algún otro tipo de energía, como la energía mecánica o la energía química . Los dispositivos en los que esto ocurre se denominan dispositivos activos o fuentes de energía ; como generadores eléctricos y baterías. Algunos dispositivos pueden ser una fuente o una carga, dependiendo del voltaje y la corriente que los atraviesa. Por ejemplo, una batería recargable actúa como fuente cuando proporciona energía a un circuito, pero como carga cuando está conectada a un cargador de baterías y se está recargando.
Si la corriente convencional fluye a través del dispositivo en una dirección de mayor potencial (voltaje) a menor potencial, de modo que la carga positiva se mueve desde el terminal positivo (+) al terminal negativo (-), las cargas del dispositivo realizan el trabajo. La energía potencial de las cargas debido al voltaje entre los terminales se convierte en energía cinética en el dispositivo. Estos dispositivos se denominan componentes pasivos o cargas ; 'consumen' energía eléctrica del circuito, convirtiéndola en otras formas de energía como trabajo mecánico , calor, luz, etc. Algunos ejemplos son los aparatos eléctricos , como bombillas , motores eléctricos y calentadores eléctricos . En los circuitos de corriente alterna (CA), la dirección del voltaje se invierte periódicamente, pero la corriente siempre fluye desde el lado de mayor potencial hacia el lado de menor potencial.
Dado que la energía eléctrica puede fluir hacia adentro o hacia afuera de un componente, se necesita una convención para saber qué dirección representa el flujo de energía positivo. 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. Así, los componentes pasivos tienen un consumo de energía positivo, mientras que las fuentes de energía tienen un consumo de energía negativo. Esto se llama 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 ( V = I^2·R ) se pueden combinar con la ley de Ohm ( V = I·R ) para Produzca expresiones alternativas para la cantidad de energía que se disipa:
En los circuitos de corriente alterna , los elementos de almacenamiento de energía, como la inductancia y la capacitancia , pueden provocar inversiones periódicas de la dirección del flujo de energía. La porción del flujo de energía (potencia) que, promediada durante un ciclo completo de la forma de onda de CA, da como resultado una transferencia neta de energía en una dirección se conoce como potencia real (también conocida como potencia activa). [2] La amplitud de esa porción del flujo de energía (potencia) que no da como resultado 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 valor absoluto de la potencia reactiva . [2] [3] [4] 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 consumidos por un dispositivo está dada por
La relación entre potencia real, potencia reactiva y potencia aparente se puede expresar representando las cantidades como vectores. La potencia real se representa como un vector horizontal y la potencia reactiva se representa como un vector vertical. El vector de potencia aparente es la hipotenusa de un triángulo rectángulo formado conectando los vectores de potencia real y reactivo. Esta representación suele denominarse triángulo de poder . Utilizando el Teorema de Pitágoras , la relación entre potencia real, reactiva y aparente es:
Las potencias real y reactiva también se pueden calcular directamente a partir de la potencia aparente, cuando la corriente y el voltaje son sinusoides con un ángulo de fase conocido θ entre ellos:
La relación entre la potencia real y la potencia aparente se llama factor de potencia y es un número siempre entre −1 y 1. Cuando las corrientes y voltajes tienen formas no sinusoidales, el factor de potencia se generaliza para incluir los efectos de la distorsión.
La energía eléctrica fluye dondequiera que los campos eléctricos y magnéticos existan juntos y fluctúen en el mismo lugar. El ejemplo más simple de esto son los circuitos eléctricos, como se mostró en la sección anterior. Sin embargo, en el caso general, la simple ecuación P = IV puede sustituirse por un cálculo más complejo. La integral de superficie cerrada del producto cruzado de los vectores de intensidad del campo eléctrico y de intensidad del campo magnético da la potencia instantánea total (en vatios) del volumen: [5]
El resultado es un escalar ya que es la integral de superficie del vector de Poynting .
Generación mundial de electricidad en 2021 por fuente (la generación total fue de 28 petavatios-hora ) [6]
Los principios fundamentales de gran parte de la generación de electricidad fueron descubiertos durante la década de 1820 y principios de la de 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 un bucle de alambre o disco de cobre entre los polos de un imán .
Para las empresas eléctricas , es el primer proceso en la entrega de electricidad a los consumidores. Los demás procesos, transmisión y distribución de electricidad y almacenamiento y recuperación de energía eléctrica mediante métodos de almacenamiento por bombeo , normalmente los lleva a cabo la industria de la energía eléctrica .
La electricidad se genera principalmente en una central eléctrica mediante generadores electromecánicos , impulsados por motores térmicos calentados por combustión , energía geotérmica o fisión nuclear . Otros generadores funcionan con la energía cinética del agua y el 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. [7] Desde la invención de la primera batería (o " pila voltaica ") en 1800 por Alessandro Volta y especialmente desde la celda 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 las baterías genera 48 mil millones de dólares en ventas cada año, [8] con un crecimiento anual del 6%. Hay dos tipos de baterías: baterías primarias (baterías desechables), que están diseñadas para usarse una 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 entrega de energía, en cantidades suficientes, a áreas que necesitan electricidad , a través de una conexión a la red . La red distribuye energía eléctrica a los clientes. La energía eléctrica se genera mediante centrales eléctricas o mediante generación distribuida . La industria de la energía eléctrica ha ido evolucionando gradualmente hacia la desregulación, y los actores emergentes ofrecen a los consumidores competencia con las empresas de servicios públicos tradicionales. [9]
La energía eléctrica, producida a partir de estaciones generadoras centrales y distribuida a través de una red de transmisión eléctrica, se utiliza ampliamente en aplicaciones industriales, comerciales y de consumo. El consumo de energía eléctrica per cápita de un país se correlaciona con su desarrollo industrial. [10] Los motores eléctricos impulsan la maquinaria de fabricación e impulsan el metro y los trenes. La iluminación eléctrica es la forma más importante de luz artificial. La energía eléctrica se utiliza directamente en procesos como la extracción de aluminio de sus minerales y la producción de acero en hornos de arco eléctrico . La energía eléctrica confiable es esencial para las telecomunicaciones y la radiodifusión. La energía eléctrica se utiliza para proporcionar aire acondicionado en climas cálidos y, en algunos lugares, la energía eléctrica es una fuente de energía económicamente competitiva para la calefacción de espacios en edificios. El uso de energía eléctrica para bombear agua abarca desde pozos domésticos individuales hasta proyectos de riego y almacenamiento de energía.
