Transformadors d'electricitat. Explicació i exemple.

Els transformadors són uns elements que transfereixen energia d’un circuit a un altre, i al mateix temps, converteixen un voltatge en un altre de diferent. Un transformador està constituït per dues bobines, anomenades primari i secundari, que estan unides a través d’un nucli de ferro. Pel primari circula el corrent altern, el voltatge del qual s’ha de canviar. En el secundari es genera un nou corrent altern amb el nou voltatge.


Un transformador en què el voltatge de sortida és més gran que el voltatge d’entrada és un transformador elevador, Un transformador en què el voltatge de sortida és més petit que el d’entrada és un transformador reductor. Hi ha una relació entre el nombre d’espires de les dues bobines i els canvis produïts en el voltatge. Si el secundari té més espires que el primari, el voltatge de sortida és més gran que el d’entrada, i a l’inrevés.


La relació segueix l’equació següent:

( voltatge de sortida / voltatge d'entrada ) = ( nombre d'espires del secundari / nombre d'espires del primari )

En un transformador elevador, el voltatge de sortida és més gran que el d’entrada, però la intensitat de sortida és més petita que la d’entrada, en la mateixa proporció. Això significa que les potències d’entrada i de sortida són iguals.

I per acabar, un exemple que demostri.

Si tenim un circuit primari, amb una font d'alimentació de 220 V i una bobina de 550 espires i un circuit secundari de 30 espires i en volem saber el corrent, els càlculs a fer són relativament senzills. En primer lloc dividirem 30 entre 550, que ens donarà un resultat tal que 0,054. Aquest resultat es multiplica pel voltatge d'entrada, és a dir 220, i el resultat serà igual a 12. Pertant, en aquest mateix exemple estem parlant d'un transformador reductor (hi han menys espires al segon que al prierm circuit) que dóna un corrent de 12 V.

Un motor elèctric de construcció senzilla, baixos costos i alta tecnologia

Nota:Aquest article és una versió modificada de l'original publicat en alemany en la revista Physik in unserer Zeit 35 (2004), 272-273 .H. Joachim Schlichting i Christian Ucke


''Els experiments elèctrics són els més interessants i comprensibles que ofereix la física.''

Gaston Bachelard

Si se suspèn del born d'una bateria per un imant cilíndric i un cargol i es connecta
a l'altre born de la bateria, aquest dispositiu comença a rotar. No només és
el motor elèctric més senzill sinó també més ràpid de construir.

Els motors elèctrics són principalment coneguts com a complicats sistemes de filferros embobinats i imants. Als ulls dels expectadors  (també dels experts) es pot observar sorpresa i fascinació quan en uns segons, es crea un motor amb una bateria, un cargol d'acer, un imant cilíndric i un filferro conductor, que efectua una ràpida rotació.

L'imant, gràcies a la seva força magnètica, juntament amb el cargol forma un rotor, i el cargol que al seu torn s'ha magnetizat, està suspès d'un born de la bateria. La punta del cargol penjant que està connectada a la bateria produeix una fricció molt baixa. La gravitació manté al rotor en posició vertical. En l'exemple, figura 1, s'usa un imant molt potent de neodymium (NeFeB), la superfície del qual cromada condueix el corrent elèctric. Amb el dit índex d'una mà s'estreny un extrem del
filferro a un born de la bateria i amb l'altra s'ajunta l'altre extrem del filferro a l'imant. Així es crea un contacte el frec del qual és de baixa fricció.

El motor

El rotor, que està format pel cargol i l'imant, realitza dues funcions essencials de la física:primer proporciona un camp magnètic, necessari per a un motor elèctric i segon, condueix l'electricitat d'un born a l'altre de la bateria a través del filferro. Això és un exemple estupend d'un experiment manual, d'alta tecnologia i baixos costos ('hands-on, high tech i low-cost).

La diferència entre un motor típic i aquest dispositiu sembla ser bastant gran, ja que en aquesta
construcció no només falta la bobina que genera un segon camp magnètic, sinó que el commutador, el qual inverteix la polaritat del corrent en el moment indicat.

Explicació: L'alt corrent (curtcircuit) que flueix d'un born a l'altre de la bateria, a través
del filferro, l'imant i el cargol, pansa a través del camp magnètic de l'imant. Es crea una
força Lorentz perpendicular al corrent i a l'adreça del camp magnètic. L'adreça
d'aquesta força ve donada per la 'regla de la mà dreta'.

Figura 2: Secció a través de l'imant
permanent que mostra les línies
del camp magnètic (B), el corrent (I) i
el sentit de rotació

Figura 3: La roda de Barlow

La força del corrent es transforma en un moment de torsió, que fa rotar al cilindre magnètic. La simetria d'aquesta constel·lació no és afectada per la rotació, resultant així una rotació contínua.
Aquesta construcció en si mateixa no té aplicació en la pràctica i té poc rendiment de manera que no es pot utilitzar en la tecnologia. En canvi mostra de manera clara el principi d'un dels tipus de motor elèctric més antic. Peter Barlow (1776-1862) va construir 'la roda Barlow' l'any 1822, abans de la invenció del motor elèctric tal com ho coneixem avui dia. La seva construcció mostra així mateix un corrent que flueix contínuament i també un moviment continu. La figura 3 mostra un exemple de la construcció de Barlow. Essencialment, consisteix en un platet (aquí en forma d'estel) que trencada en un bany de mercuri. El mercuri serveix com a conductor metàl·lic i líquid. A més té una fricció baixa. Aquesta construcció amb el platet en forma d'estel té menys fricció que un platet rodó. Un imant de ferradura subministra el camp magnètic necessari. En contrast amb el nostre motor manual aquí el
platet, que transporta el corrent, està separat de l'imant.

El nostre motor, juntament amb la roda de Barlow, pertanyen a una classe moderna de motors elèctrics coneguts com a motors monopolars o unipolars.

Figura 4: Un altre disseny

Informació addicional:

Una altra construcció de motor originada per Per-Olof Nilsson de Suècia (Figura 4; comunicació personal). L'avantatge està en què no es necessita sostenir tot el dispositiu amb les mans. No obstant això no és un experiment manual tan senzill i ràpid de construir com el motor que s'ha exposat.
 

En construcció. Radiació electromagnètica.

La radiació electromagnètica, o ones electromagnètiques són ones que es propaguen a l'espai amb un component elèctric i un component magnètic. Aquests dos components oscil·len en angles rectes respecte ells i respecte a la direcció de propagació, i són en fase entre ells. La radiació electromagnètica en diferents tipus segons la freqüència de l'ona (en ordre creixent de freqüència): ones de ràdio, microones, raigs T, radiació infraroja, llum visible, radiació ultraviolada, raigs X i radiació gamma.

Michael Faraday. El descobridor de la inducció d'electromagnetisme.

Michael Faraday va ser un científic anglés que va realitzar importants contribucions en el camp de l'electricitat.

Faraday va construir dos aparells per a produir el que va anomenar rotació electromagnètica, en realitat, un motor elèctric. Deu anys més tard, el 1831, va començar els seus més famosos experiments amb què va descobrir la inducció electromagnètica, experiments que encara avui dia són la base de la moderna tecnologia electromagnètica. Treballant amb l'electricitat estàtica, va demostrar que la càrrega elèctrica s'acumula a l'exterior dels conductors elèctrics carregats, amb independència del que pugui haver en el seu interior. En reconeixement a les seves importants contribucions, la unitat de capacitància elèctrica del SI es denomina Farad. També va existir una antiga unitat de càrrega elèctrica denominada faraday que va ser substituïda pel coulomb, un faraday era igual a la càrrega de càrrega de 6,02 x 10²³ electrons (un mol d'electrons).

Motor Magnètic Permanent

És el motor magnètic permanent un mite o una realitat?

Comparteixo aquest plà que he trobat a la pàgina de John bedini.

Aquest motor, segons apareix a la pàgina, genera el moviment per si mateix, sense necessitat d'energia extra.

Intetaré construir un motor mangètic permanent amb imans geomag i una plataforma rotora. Hauré d'aconseguir l'estructura no linial magnètica.

El plà trobat a la pàgina:

A continuació un altre projecte interessant: Els tres rotors magnètics. Aquest experiment serveix per veure les lleis d'atracció dels imans.

La imatge trobada a la pàgina web:

El cicle de Rankine

DEFINICIÓ

El Cicle de Rankine és un cicle termodinàmic que té com a objectiu la conversió de calor en treball, constituint el que es denomina un cicle de potència. Com qualsevol altre cicle de potència, la seva eficiència està fitada per l'eficiència termodinàmica d'un Cicle de Carnot que operés entre els mateixos focus tèrmics (límit màxim que imposa el Segon Principi de la Termodinàmica). Deu el seu nom al seu desenvolupador, l'enginyer i físic escocès William John Macquorn Rankine.

Contingut de l'entrada 

1 El procés del Cicle

    1.1 Diagrama T-s del cicle
2 Variables
3 Equacions
4 Millores del Cicle Rankine
5 Cicle Rankine regeneratiu

1. El procés del Cicle
El cicle Rankine és un cicle de potència representatiu del procés termodinàmic que té lloc en una central tèrmica de vapor. Utilitza un fluid de treball que alternativament evapora i condensa, típicament aigua (si bé existeixen altres tipus de substàncies que poden ser utilitzats, com en els cicles Rankine orgànics). Mitjançant la crema d'un combustible, el vapor d'aigua és produït en una caldera a alta pressió per després ser portat a una turbina on s'expandeix per generar treball mecànic en el seu eix (aquest eix, solidàriament unit al d'un generador elèctric, és el que generarà l'electricitat en la central tèrmica). El vapor de baixa pressió que surt de la turbina s'introdueix en un condensador, equip on el vapor condensa i canvia a l'estat líquid (habitualment la calor és evacuada mitjançant un corrent de refrigeració procedent del mar, d'un riu o d'un llac). Posteriorment, una bomba s'encarrega d'augmentar la pressió del fluid en fase líquida per tornar a introduir-ho novament en la caldera, tancant d'aquesta manera el cicle.

Existeixen algunes millores al cicle descrit que permeten millorar la seva eficiència, com per exemple sobrecalentamient del vapor a l'entrada de la turbina, reescalfament entre etapes de turbina o regeneració de l'aigua d'alimentació a caldera.

Existeixen també centrals alimentades mitjançant energia solar tèrmica (centrals termosolars), en aquest cas la caldera és substituïda per un camp de col·lectors cilindre-parabòlics o un sistema de helióstats i torre. A més aquest tipus de centrals posseeixen un sistema d'emmagatzematge tèrmic, habitualment de sals foses. La resta del cicle, així com dels equips que ho implementen, serien els mateixos que s'utilitzen en una central tèrmica de vapor convencional.

                            
                                     1.1 Diagrama T-s del cicle




El diagrama T-S d'un cicle de Rankine amb vapor d'alta pressió sobrecalentat.
El diagrama T-s d'un cicle Rankine ideal està format per quatre processos: dos isoentròpics i dos isobarics. La bomba i la turbina són els equips que operen segons processos isoentròpics (adiabàtics i internament reversibles). La caldera i el condensador operen sense pèrdues de càrrega i per tant sense caigudes de pressió. Els estats principals del cicle queden definits pels nombres de l'1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentat; 2: barreja bifàsica de títol elevat o vapor humit; 3: líquid saturat; 4: líquid subrefredat). Els processos que tenim són els següents per al cicle ideal (processos internament reversibles):

•Procés 1-2: Expansió isoentròpica del fluid de treball en la turbina des de la pressió de la caldera fins a la pressió del condensador. Es realitza en una turbina de vapor i es genera potència en l'eix de la mateixa.

•Procés 2-3: Transmissió de calor a pressió constant des del fluid de treball cap al circuit de refrigeració, de manera que el fluid de treball aconsegueix l'estat de líquid saturat. Es realitza en un condensador (bescanviador de calor), idealment sense pèrdues de càrrega.

•Procés 3-4: Compressió isoentròpica del fluid de treball en fase líquida mitjançant una bomba, la qual cosa implica un consum de potència. S'augmenta la pressió del fluid de treball fins al valor de pressió en caldera.
 

•Procés 4-1: Transmissió de calor cap al fluid de treball a pressió constant en la caldera. En un primer tram del procés el fluid de treball s'escalfa fins a la temperatura de saturació, després té lloc el canvi de fase líquid-vapor i finalment s'obté vapor sobrecalentat. Aquest vapor sobrecalentat d'alta pressió és l'utilitzat per la turbina per generar la potència del cicle (la potència neta del cicle s'obté realment descomptant la consumida per la bomba, però aquesta sol ser molt petita en comparació i sol menysprear-se).

En un cicle més realista que el cicle Rankine ideal descrit, els processos en la bomba i en la turbina no serien isoentropics i el condensador i la caldera presentarien pèrdues de càrrega. Tot això generaria una reducció del rendiment tèrmic del cicle. El rendiment isoentròpic de la turbina, que representa el grau d'allunyament d'una turbina respecte al procés ideal isoentròpic, jugaria un paper principal en les desviacions al cicle ideal i en la reducció del rendiment. El rendiment isoentròpic de la bomba i les pèrdues de càrrega en el condensador i la caldera tindrien una influència molt menor sobre la reducció de rendiment del cicle.

En les centrals tèrmiques de gas s'utilitza un cicle "germà" del cicle Rankine ideal: el cicle Brayton ideal. Aquest cicle utilitza un fluid de treball que es manté en estat de gas durant tot el cicle (no hi ha condensació). A més utilitza un compressor en lloc d'una bomba (constructivament sol anar solidàriament unida a la turbina de gas en un eix comú); d'altra banda, l'equip on es produeix la combustió no es denomina caldera sinó cambra de combustió o combustor. Els equips utilitzats en aquestes instal·lacions són més compactes que els de les centrals tèrmiques de vapor i utilitzen com a combustible habitual el gas natural. Finalment tots dos tipus de cicles s'integren en les centrals tèrmiques de cicle combinat, on la calor rebutjada pel cicle Brayton (en la seva configuració més simple, aportat pels gasos calents de la combustió que abandonen la turbina de gas) és utilitzat per alimentar el cicle Rankine (substituint a la caldera).

2. Variables 





Potència tèrmica d'entrada (energia per unitat de temps)
Cabal màssic (massa per unitat de temps)
Potència mecànica subministrada o absorbida (energia per unitat de temps)
Rendiment tèrmic del cicle (relació entre la potència generada pel cicle i la potència tèrmica subministrada en la caldera, adimensional)


, , ,

Entalpies específiques dels estats principals del cicle


3. Equacions
Cadascuna de les quatre primeres equacions s'obté del balanç d'energia i del balanç de massa per a un volum de control. La cinquena equació descriu l'eficiència termodinàmica o rendiment tèrmic del cicle i es defineix com la relació entre la potència de sortida pel que fa a la potència tèrmica d'entrada.







Es pot fer un balanç energètic en el condensador i la caldera, la qual cosa ens permet conèixer els fluxos masics de refrigerant i despesa de combustible respectivament, així com el balanç entròpic per poder treure la irreversibilitat del cicle i energia perduda.

4. Millores del Cicle Rankine
La idea per millorar un cicle rankine és augmentar el salt entálpic entre 1 i 2, és a dir, el treball lliurat a la turbina. Les millores que es realitzen de forma habitual en centrals tèrmiques (tant de carbó, com a cicles combinats o nuclears) són:

1. Reducció de la pressió del condensador: En aquest procediment es disminueix automàticament la temperatura del condensador atorgant un major treball a la turbina, una disminució de la calor rebutjada. El desavantatge és que la humitat del vapor comença a augmentar ocasionant erosió en els llois de la turbina.

2. Augmentar la pressió de la caldera per a una temperatura fixa: En augmentar la pressió augmenta la temperatura a la qual s'afegeix calor augmentant el rendiment de la turbina per tant la del cicle. El desavantatge és la humitat excessiva que apareix.

3. Sobrecalentar la temperatura d'entrada de la turbina: es procedeix a recalentar el vapor a altes temperatures per obtenir un major treball de la turbina, té com a avantatge que la humitat disminueix. Aquest augment de la temperatura està limitat pels materials a suportar altes temperatures.

4. Reescalfaments intermedis del vapor, escalonant la seva expansió. Això és, tenir diverses etapes de turbina, portant a condicions de sobrecalentamient mitjançant recalendators (Moisture Steam Reheaters en el cas de centrals nuclears) i de economtizador. Aquest escalonament de l'expansió dóna lloc als cossos d'alta, mitjana i baixa pressió de turbina.

5. Realitzar extraccions de vapor en la turbina, escalfant l'aigua d'alimentació a la caldera, augmentant la seva entalpia. El nombre d'extraccions no sol superar les 7, ja que no implicaria una millora de rendiment considerable enfront de la complicació tècnica que comporten.

5. Cicle Rankine regeneratiu
En aquesta variació s'introdueix un nou element al cicle, un escalfador obert. Aquest element consisteix en un bescanviador de calor per contacte directe en el qual es barregen dos corrents d'aigua per donar un corrent de temperatura intermèdia. Dels dos corrents que entren a l'escalfador una prové d'una extracció de vapor de la turbina i l'altra del condensador (sofreix l'expansió total). Com les pressions en l'escalfador han de ser iguals, s'afegeix una bomba després del condensador per igualar la pressió de la part del vapor que ha sofert l'expansió completa a la de l'extracció. En aquesta variació del cicle de Rankine, trobem avantatges respecte al cicle simple com un augment del rendiment i una reducció de l'aportació de calor a la caldera. Però d'altra banda també trobarem inconvenients com una reducció de la potència de la turbina i un augment de la complexitat de la instal·lació, ja que afegirem a la instal·lació una bomba més i un mesclador de fluxos.

Centrals Nuclears a Espanya

Espanya, actualment compta amb 7 centrals nuclears destinades a la producció d'energia elèctrica, encara que en total existeixen 11 instal·lacions nuclears en tot el territori peninsular. D'elles, la central de Zorita (José Cabrera), deixarà de funcionar el proper dia 30 abril de 2006.

Espanya a més, posseeix una fàbrica de combustible nuclear (Juzbado) i un centre d'emmagatzematge de residus radioactius de baixa i mitja activitat (El Cabril).

José Cabrera, Zorita (Guadalajara)
Santa María de Garoña (Burgos)
Maraz (Càceres)
Ascó (Tarragona)
Cofrents (València)
Trillo (Guadalajara)
Vandellós II (Tarragona)

Imatge sobre la situació de les centrals nuclears a Espanya

Nuclears.

Video amb una breu explicació sobre el funcionament de les centrals nuclears i la disposició dels nuclis de l'urani.