⚡ Tema 11: Electricidad

Generalitat de Catalunya · Cuerpo de Bombers de la Generalitat · Bombero/a de primera de la escala técnica

Resumen

La electricidad es el conjunto de fenómenos asociados al movimiento o la acumulación de cargas: corriente cuando se desplazan por un conductor y campo eléctrico cuando están quietas. Para Bombers es sobre todo un riesgo: no se ve, no hace ruido y no se nota hasta que es tarde. Sentido de la corriente: por convenio histórico va del polo positivo al negativo, pero los electrones se mueven en realidad del negativo (exceso de electrones) al positivo. En corriente continua (DC) circulan siempre en el mismo sentido (pilas, baterías, placas solares); en alterna (AC) cambian de sentido periódicamente (la red de casas e industrias). Materiales: conductores (cobre, aluminio, metales, agua con sales; cuanto más corto y grueso, más corriente transporta), semiconductores (silicio, germanio; conductividad intermedia y controlable, base de la electrónica) y aislantes o dieléctricos (plástico, goma, vidrio, cerámica, madera seca, aire), que pueden conducir si se supera su tensión de ruptura.

Magnitudes. Carga eléctrica: culombio (C), unos 6,242 · 10¹⁸ electrones. Intensidad: carga que pasa por segundo, en amperios (1 A = 1 C/s); un LED pequeño gasta 0,02-0,1 A y una lavadora 8-12 A. Tensión o diferencia de potencial: el «empuje» que mueve los electrones, en voltios (V); sin diferencia de potencial no hay corriente. Resistencia: oposición al paso de la corriente, en ohmios (Ω); en la mayoría de materiales aumenta con la temperatura. Potencia: energía por unidad de tiempo, en vatios (W); un horno ronda los 2 kW y la central de Vandellòs II, 1 GW. Energía: potencia por tiempo, en Wh o kWh, lo que se paga en la factura (una bombilla de 10 W durante 10 h gasta 0,1 kWh). La energía almacenada también va en Wh; no hay que confundirla con la capacidad, en Ah (una batería de 22 V y 5,2 Ah guarda unos 115 Wh).

Leyes básicas. Ley de Ohm: la intensidad es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia, I = V / R (y V = I · R, R = V / I). Efecto Joule: la corriente que atraviesa una resistencia se convierte en calor, Q = I² · R · t; si la intensidad se duplica, el calor se cuadruplica. Es útil en una estufa y dañino en un cable sobrecargado. Potencia: P = V · I (en continua o con cargas resistivas) y P = I² · R. A igual tensión, más potencia exige más intensidad. Por eso las grandes potencias se transportan a alta tensión (hasta 400 kV): con menos intensidad hay menos pérdidas por Joule y bastan cables más finos; los camiones van a 24 V y los coches eléctricos a 400 u 800 V por la misma razón.

Circuitos. Para que circule corriente hace falta tensión y un circuito conductor cerrado. Un circuito básico tiene fuente de tensión, conductores, receptor o carga e interruptor. La corriente también puede ir por caminos no deseados: el aire (arco, rayo), el suelo o el cuerpo humano, que en una electrocución es conductor y receptor a la vez. En serie los receptores van uno detrás de otro: la intensidad es la misma en todos, la tensión se reparte (caída de tensión Vi = I · Ri), la resistencia total es la suma (R1 + R2 + …) y si uno falla se apagan todos. Los guantes, las botas, la pértiga y la banqueta dieléctricos se ponen en serie con nuestro cuerpo para subir mucho la resistencia total. En paralelo cada receptor tiene su camino: la tensión es la misma en todos, la intensidad total es la suma de las ramas, 1/Rtotal = 1/R1 + 1/R2 + … y si uno falla los demás siguen funcionando. Los circuitos mixtos se simplifican por partes; los complejos necesitan las leyes de Kirchhoff.

Símil hidráulico: la tensión equivale a la presión del agua, la intensidad al caudal, la resistencia al estrangulamiento o rugosidad de la tubería, la caída de tensión a la pérdida de carga, el generador a la bomba y el interruptor a la válvula. Ojo, que es contraintuitivo: una válvula abierta equivale a un circuito cerrado (hay circulación), y una válvula cerrada, a un circuito abierto.

Corriente continua: la polaridad no cambia nunca, aunque su valor varíe (la tensión de una batería baja al descargarse). La usan baterías, electrónica, placas fotovoltaicas y muchos ferrocarriles (750, 1.500 o 3.000 V DC). Corriente alterna: los electrones oscilan adelante y atrás siguiendo una onda sinusoidal. En Europa, 50 Hz: 50 ciclos por segundo, cada uno de 20 ms, y el sentido se invierte 100 veces por segundo. Monofásica: fase (L) y neutro (N), 230 V eficaces entre ambos y unos 325 V de pico; el neutro está conectado a tierra en el centro de transformación. Trifásica: tres corrientes desfasadas 120° (L1, L2, L3 o R, S, T) más el neutro; entre dos fases hay 400 V (566 V de pico). Da potencia uniforme, transporta más potencia con menos sección de cable y crea campos magnéticos giratorios para los motores; en sistema equilibrado, Ptotal = 3 · Pfase y la corriente por el neutro es casi cero.

Cargas en alterna: resistivas (estufas, bombillas incandescentes), con tensión e intensidad en fase; inductivas (motores, transformadores), en las que la intensidad va retrasada; y capacitivas (condensadores, fuentes de alimentación, LED), en las que va adelantada. Por ese desfase hay tres potencias: activa P (W, la que hace trabajo útil), reactiva Q (var, la que va y viene para crear campos) y aparente S (VA, el total que debe dar la red); en el símil de la cerveza, el líquido, la espuma y el vaso entero. El factor de potencia es cos φ = P / S: cerca de 1 con cargas resistivas y bajo con inductivas o capacitivas, lo que obliga a más intensidad, más pérdidas y equipos sobredimensionados; se corrige con baterías de condensadores. Por eso los generadores se rotulan en kVA: uno de 10 kVA puede dar solo 8 o 9 kW a motores o electrobombas. Conversiones: rectificación AC → DC con diodos (cargadores, alternador del coche), inversión DC → AC con inversores (fotovoltaica, coche eléctrico, SAI), y convertidores DC/DC y AC/AC (variadores de velocidad).

Electromagnetismo: una corriente crea un campo magnético proporcional a su intensidad, que disminuye al alejarse del conductor; y un campo magnético variable induce una corriente. De ahí salen los electroimanes y bobinas, los motores (electricidad → movimiento), los generadores (movimiento → electricidad) y los transformadores, dos bobinas que comparten el campo, que solo funcionan con alterna y suben o bajan la tensión según la relación de espiras.

Riesgos. En el cuerpo: fibrilación ventricular con pocos miliamperios de alterna que atraviesen el corazón (umbral crítico, 30 mA a 50 Hz; la continua no produce fibrilación, aunque a más intensidad puede parar el corazón), quemaduras por efecto Joule y contracciones musculares que impiden soltarse o paran la respiración. La resistencia del cuerpo baja con la piel húmeda, depende del recorrido (los que pasan por el corazón son los peores) y baja al subir la tensión. Tensiones seguras: 50 V AC y 120 V DC en seco; 25 V AC y 60 V DC en ambiente húmedo. Si no cerramos el circuito (el pájaro en el cable, el bombero sobre la alfombra aislante) no pasa corriente; si somos el circuito (en serie) pasa todo por nosotros; si somos parte (en paralelo), como quien toca un camión grúa en contacto con una línea, la corriente elige nuestro cuerpo si es más fácil que los neumáticos. Tensión de paso: cerca de un cable caído, pasos cortos con los pies juntos y nunca tumbarse. En instalaciones: arco eléctrico, incendio por Joule (sobrecarga o mal contacto), explosiones en atmósferas inflamables y sobretensiones; también la subtensión puede sobrecalentar aparatos.

Claves para el examen

• Los electrones van del − al +; el sentido convencional, del + al −.
• Semiconductores: silicio y germanio. Un aislante conduce si se supera su tensión de ruptura.
• 1 A = 1 C/s. Energía en Wh o kWh; capacidad de una batería en Ah (no confundir).
• Ley de Ohm: I = V / R. Potencia: P = V · I = I² · R.
• Joule: Q = I² · R · t; doble intensidad, cuádruple calor.
• Serie: misma I, la V se reparte, Rtotal = suma; si falla uno, se apagan todos.
• Paralelo: misma V, las I se suman, 1/Rt = 1/R1 + 1/R2; si falla uno, los demás siguen.
• Símil hidráulico: V = presión, I = caudal, R = estrangulamiento; válvula abierta = circuito cerrado.
• Europa: 50 Hz (ciclo de 20 ms, 100 inversiones por segundo); 230 V fase-neutro (325 V de pico); 400 V entre fases.
• Trifásica: tres ondas desfasadas 120°; Ptotal = 3 · Pfase.
• Inductiva: I retrasada. Capacitiva: I adelantada. Resistiva: en fase.
• P en W, Q en var, S en VA; factor de potencia = cos φ = P / S; se corrige con condensadores.
• Rectificador (diodos) AC → DC; inversor DC → AC; el transformador solo funciona en alterna.
• Fibrilación: umbral de 30 mA a 50 Hz; la continua no fibrila.
• Tensiones seguras: 50 V AC y 120 V DC en seco; 25 V AC y 60 V DC en húmedo.

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