Energía eléctrica

Fuerza
Símbolos comunes	℘ o P
Unidad SI	vatio (W)
En unidades base del SI	kg · m2 · s − 3
Derivaciones de otras magnitudes	℘ = E / t ℘ = F · v ℘ = U · yo ℘ = τ · ω
Dimensión	${\displaystyle {\mathsf {L}}^{2}{\mathsf {M}}{\mathsf {T}}^{-3}}$

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v t e

La potencia eléctrica es la velocidad de transferencia de energía eléctrica dentro de un circuito . Su unidad en el SI es el vatio , la unidad general de potencia , definida como un julio por segundo . Los prefijos estándar se aplican a los vatios como a otras unidades del SI: los 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 . Por lo general, la industria eléctrica la suministra a empresas y hogares (como electricidad doméstica) a través de una red eléctrica .

La energía eléctrica puede transportarse a largas distancias mediante líneas de transmisión y utilizarse para aplicaciones como movimiento , iluminación o calor con alta eficiencia . ^[1]

La potencia eléctrica, al igual que la potencia mecánica , es la tasa de trabajo realizado , medida en vatios y representada por la letra P. El término vataje 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: donde:$${\displaystyle {\text{Work done per unit time}}=\wp ={\frac {W}{t}}={\frac {W}{Q}}{\frac {Q}{t}}=VI}$$

• W es trabajo en julios
• t es el tiempo en segundos
• Q es la carga eléctrica en culombios
• V es potencial eléctrico o voltaje en voltios
• I es la corriente eléctrica en amperios

Es decir,

vatios = voltios por amperios.

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 ), que se produce 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 a la corriente eléctrica a fluir a través del dispositivo en la dirección del potencial eléctrico más bajo al más alto, 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 energía potencial eléctrica a partir de algún otro tipo de energía, como energía mecánica o 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 a través de ellos. Por ejemplo, una batería recargable actúa como una fuente cuando proporciona energía a un circuito, pero como una carga cuando está conectada a un cargador de batería y se está recargando.

Si la corriente convencional fluye a través del dispositivo en una dirección desde un potencial más alto (voltaje) a un potencial más bajo, de modo que la carga positiva se mueve desde el terminal positivo (+) al terminal negativo (−), las cargas en el dispositivo realizan 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 electrodomésticos , como las bombillas , los motores eléctricos y los 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 al lado de menor potencial.

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 positivo. La energía eléctrica que fluye desde un circuito hacia un componente se define arbitrariamente como de signo positivo, mientras que la energía que fluye hacia un circuito desde un componente se define como de 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 denomina 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: donde R es la resistencia eléctrica .$${\displaystyle \wp =IV=I^{2}R={\frac {V^{2}}{R}}}$$

En los circuitos de corriente alterna , los elementos de almacenamiento de energía, como la inductancia y la capacitancia, pueden dar lugar a inversiones periódicas de la dirección del flujo de energía. La parte 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 denominada potencia activa). ^[2] La amplitud de esa parte 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 el 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 consumida por un dispositivo está dada por donde$${\displaystyle \wp ={1 \over 2}V_{p}I_{p}\cos \theta =V_{\rm {rms}}I_{\rm {rms}}\cos \theta }$$

• V _p es el voltaje pico en voltios
• I _p es la corriente pico en amperios
• V _rms es la raíz cuadrada media del voltaje en voltios
• I _rms es la corriente cuadrática media en amperios
• θ = θ _v − θ _i es el ángulo de fase en el que la onda sinusoidal de voltaje se adelanta a la onda sinusoidal de corriente, o equivalentemente, el ángulo de fase en el que 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 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 al conectar los vectores de potencia real y reactiva. Esta representación se suele denominar triángulo de potencia . Utilizando el teorema de Pitágoras , la relación entre potencia real, reactiva y aparente es:$${\displaystyle {\text{(apparent power)}}^{2}={\text{(real power)}}^{2}+{\text{(reactive power)}}^{2}}$$

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

La relación entre la potencia real y la potencia aparente se denomina factor de potencia y es un número siempre 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 allí donde los campos eléctricos y magnéticos coexisten y fluctúan en el mismo lugar. El ejemplo más simple 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 da la potencia instantánea total (en vatios) que sale del volumen: ^[5]$${\displaystyle \wp =\oint _{\text{area}}(\mathbf {E} \times \mathbf {H} )\cdot d\mathbf {A} .}$$

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

Los principios fundamentales de la generación de gran parte de la 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 un 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 de electricidad , distribución y almacenamiento y recuperación de energía eléctrica mediante métodos de almacenamiento por bombeo, normalmente los lleva a cabo la industria eléctrica .

La electricidad se genera principalmente en una central eléctrica mediante generadores electromecánicos , accionados por motores térmicos calentados por combustión , energía geotérmica o fisión nuclear . Otros generadores funcionan con 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. ^[7] Desde la invención de la primera batería (o " pila voltaica ") en 1800 por Alessandro Volta y especialmente desde la técnicamente mejorada celda Daniell 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 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 brindan energía de reserva para centrales telefónicas y centros de datos de computadoras .

La industria de la energía eléctrica se encarga de la producción y el suministro de energía, en cantidades suficientes , a las zonas que la necesitan a través de una conexión a la red . La red distribuye energía eléctrica a los clientes. La energía eléctrica se genera en centrales eléctricas o mediante generación distribuida . La industria de la energía eléctrica ha ido tendiendo gradualmente hacia la desregulación, con actores emergentes que ofrecen a los consumidores competencia a las empresas de servicios públicos tradicionales. ^[9]

La energía eléctrica, producida por centrales generadoras 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 y propulsan 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 en 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 los edificios. El uso de energía eléctrica para bombear agua varía desde pozos domésticos individuales hasta proyectos de riego y almacenamiento de energía.

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• Informes sobre el apagón de agosto de 2003, sitio web del Consejo de confiabilidad eléctrica de América del Norte
• Croft, Terrell; Summers, Wilford I. (1987). American Electricians' Handbook (undécima edición). Nueva York: McGraw Hill . ISBN. 0-07-013932-6.
• Fink, Donald G. ; Beaty, H. Wayne (1978). Manual estándar para ingenieros eléctricos (undécima edición). Nueva York: McGraw Hill. ISBN 0-07-020974-X.

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• Departamento de Energía de EE. UU.: Energía eléctrica