Capítulo 5 · Inducción: cómo el movimiento se vuelve electricidad
Generadores, transformadores y la red
Inducción
En 1831 Michael Faraday metió un imán en una bobina y la aguja de un medidor saltó; al sacarlo, saltó en sentido contrario. El estadounidense Joseph Henry vio el mismo efecto por su cuenta. Un campo magnético cambiante crea un voltaje. Su tamaño es EMF = N·ΔΦ / Δt, donde N es el número de espiras, ΔΦ el cambio de flujo magnético en webers y Δt el tiempo en segundos. Una bobina de 200 espiras con el flujo cambiando 0,002 Wb en 0,1 s da 200 × 0,002 / 0,1 = 4 V. Si el imán se queda quieto, no pasa nada.
La sala de turbinas
Un generador es inducción repetida. Una bobina gira en un campo magnético fuerte y el voltaje oscila de un signo al otro. En las centrales de carbón, gas y nucleares el calor hierve agua y el vapor sopla sobre las palas de la turbina; en una presa lo hace el agua que cae; en un parque eólico, el viento. Para N espiras de área A en un campo B que gira con velocidad angular ω, el voltaje máximo es N·B·A·ω. Con N = 100, B = 0,5 T, A = 0,02 m² y 50 vueltas por segundo (ω = 2π × 50 ≈ 314 rad/s), el máximo es 100 × 0,5 × 0,02 × 314 ≈ 314 V. El valor eficaz es el máximo dividido entre √2: unos 222 V.
La CA y la guerra de las corrientes
El voltaje de una bobina que gira se alterna, por eso lo llamamos corriente alterna, CA. Las pilas dan corriente continua, CC. La red en Europa y Rusia alterna 50 veces por segundo (50 Hz) a 230 V; en EE. UU. son 60 Hz a 120 V. En la década de 1880 los sistemas de CC de Edison compitieron con los de CA respaldados por George Westinghouse y Nikola Tesla, y ganó la CA porque un transformador puede cambiar su voltaje. Un transformador tiene dos bobinas en un núcleo de hierro: V₂ / V₁ = N₂ / N₁. Con 230 V sobre 1.000 espiras y 50 espiras al otro lado, la salida es 230 × 50 / 1.000 = 11,5 V.
Por qué las líneas usan alta tensión
Las líneas largas pierden energía en forma de calor: P_pérdida = I²R. Envía 10 MW por una línea de 5 Ω. A 10 kV la corriente es 10.000.000 / 10.000 = 1.000 A, y la pérdida es 1.000² × 5 = 5 MW, la mitad de todo lo enviado. Sube a 100 kV y la corriente baja a 100 A, así que la pérdida es 100² × 5 = 50 kW, solo el 0,5 %. Diez veces más voltaje da cien veces menos pérdida. Por eso los pilones de la escena llevan cientos de kilovoltios. Mantente muy lejos de pilones, subestaciones y cables caídos.
De la central al enchufe
Sigue la electricidad por la escena. Un transformador en la central eleva el voltaje, las líneas lo llevan por el país, las subestaciones lo bajan por etapas y un último transformador en tu calle lo deja en 230 V. La red debe igualar la oferta y la demanda cada segundo. Tu contador mide la energía en kilovatios-hora: potencia en kW por tiempo en horas. Un hervidor de 2 kW encendido 3 minutos gasta 2 × 0,05 = 0,1 kWh. Un kWh son 1.000 W × 3.600 s = 3,6 MJ, así que el hervidor gastó 360 kJ.
Luz convertida en corriente
Un panel solar no tiene piezas móviles. La luz arranca electrones en la unión entre dos capas de silicio y eso crea un voltaje: el efecto fotovoltaico, observado por Edmond Becquerel en 1839. Los Laboratorios Bell fabricaron la primera célula práctica de silicio en 1954. Con sol pleno, unos 1.000 W por metro cuadrado, un panel de 1,7 m² con un 20 % de rendimiento da 1,7 × 1.000 × 0,20 = 340 W. En la escena los paneles miran al Sol, y la corriente que producen pasa por un inversor que convierte la CC en CA para la red.
Atrapar el viento
Un aerogenerador capta P = ½·ρ·A·v³ del viento, donde ρ ≈ 1,2 kg/m³ es la densidad del aire, A el área barrida por el rotor y v la velocidad del viento. Para un rotor de 100 m de diámetro, A = π × 50² ≈ 7.850 m². A 10 m/s el viento lleva ½ × 1,2 × 7.850 × 10³ ≈ 4,7 MW, y un aerogenerador real aprovecha cerca del 40 %, unos 1,9 MW. El cubo importa: duplica la velocidad del viento y la potencia se multiplica por ocho. Con el laboratorio haz girar la turbina y cambia la fuerza del imán.
En cifras
- 1831
- Faraday descubre la inducción electromagnética
- 50 / 60 Hz
- frecuencia de red en Europa y Rusia / en EE. UU.
- × 100
- menos pérdida si el voltaje se multiplica por diez