Física y Química 3º ESO: guía
interactiva para la resolución de
ejercicios
ENERGÍA Y ELECTRICIDAD
Producción y transporte de la
electricidad
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
 Centrales eléctricas y rendimiento.
 Corriente alterna.
 Transporte de la corriente y transformadores.
Índice










Ejercicio 1
Ejercicio 2
Ejercicio 3
Ejercicio 4
Ejercicio 5
Ejercicio 6
Ejercicio 7
Ejercicio 8
Ejercicio 9
Ejercicio 10





Ejercicio 11
Ejercicio 12
Ejercicio 13
Ejercicio 14
Ejercicio 15
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
Ayuda
En una central eléctrica se produce energía eléctrica por transformación de otros tipos de energía.
Según el tipo de energía que transforman las centrales eléctricas se clasifican en:
- hidroeléctricas, si transforman la energía potencial de un salto de agua.
- térmicas si utilizan la energía de combustibles fósiles como carbón, fuel o gas natural.
- nucleares si transforman la energía obtenida en la fisión de núcleos pesados.
- eólicas si transforma la energía cinética del viento.
- etc.
-El fundamento de la producción de electricidad en cualquier tipo de central eléctrica es el movimiento de
unas bobinas en el interior de un potente electroimán; de ese modo en las bobinas se produce corriente
eléctrica, y el conjunto de las bobinas y el electroimán constituye el generador. Para mover las bobinas
se conectan a una turbina, que es una especie de molino con aspas o álabes, los cuales se mueven
mediante una corriente de vapor de agua o de agua líquida, como las que se muestran en los siguientes
dibujos. La energía eléctrica producida se transporta mediante la red de alta tensión.
Turbinas
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
Ayuda
Por rendimiento de una central se entiende el porcentaje de energía eléctrica que se obtiene
respecto a la energía utilizada para la obtención de electricidad. Así, una central cuyo rendimiento
sea del 30% significa que para obtener 30 J de energía eléctrica se precisa transformar 100 J de
otro tipo de energía.
El mayor porcentaje de pérdidas en una central térmica, alrededor de un 60%, se produce al
enfriar el agua de refrigeración, antes de devolverla al río o al mar, para no dañar el ecosistema.
El agua de refrigeración es la que se utiliza para enfriar el vapor de salida de las turbinas, y se
enfría en las torres de refrigeración, en las cuales se hace caer el agua caliente en forma de lluvia
y se enfría por contacto con el aire. El resto de pérdidas por calor, rozamiento y sonido son
mucho menores, en total de alrededor del 10%, tal como se muestra en el siguiente diagrama.
Energía eléctrica
Producida, 30%
Combustible
más oxígeno
Pérdidas por
calor y sonido, 2%
Pérdidas por rozamiento
y gases calientes, 8%
Pérdidas en la torre
de
refrigeración, 60%
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
Ayuda
La figura adjunta muestra el esquema de un alternador. Consta de un
potente electroimán en cuyo interior gira una bobina; los hilos de entrada y
salida de la bobina van soldados a unos anillos, denominados delgas, que
giran con la bobina por estar todos ellos unidos a la turbina. Unos
contactos eléctricos, denominados escobillas, apoyan permanentemente
en las delgas y permiten la salida de corriente hasta el circuito de
utilización, que en el dibujo se ha representado por una bombilla.
La corriente producida se caracteriza por circular en sentidos opuestos
cada media vuelta de la bobina, por lo que se denomina corriente
alterna. El voltaje que proporciona este generador depende de lo
potente que sea imán, del número de espiras de la bobina y de la
velocidad a la que gira, aunque su valor cambia continuamente de
valor y de signo. En España la corriente alterna de uso doméstico es
de 220 V y 50 Hz (hertzios); el valor 220 V es el denominado voltaje
eficaz, aunque el voltaje máximo es de unos 310 V, como se muestra
en la gráfica de al lado. Un voltaje eficaz de 220 V es aquel que
produciría la misma potencia que un voltaje constante y continuo de
220 V. El valor 50 Hz, que se denomina frecuencia, significa que la
bobina gira 50 vueltas en 1 segundo, o lo que es lo mismo tarda 1/50 =
0,02 s en dar una vuelta, tiempo que se denomina período.
Voltaje
310 V
Tiempo de
una vuelta
- 310 V
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
+
-
Ayuda
El voltaje proporcionado por los alternadores de una central eléctrica es de unas decenas de miles de
voltios, digamos 25000V. La energía eléctrica proporcionada por las centrales debe llegar a las casas
y a las industrias, que suelen estar alejadas de las centrales, y durante el transporte de la energía se
producen pérdidas por desprendimiento de calor al pasar la corriente por los cables de transporte.
Como ya sabes, la potencia proporcionada por un generador se calcula como: P = V·I, lo que significa
que la misma potencia se puede proporcionar con un voltaje elevado y una intensidad menor, que con
un voltaje más bajo y una intensidad menor. Sin embargo, la potencia disipada o perdida en los
cables de conducción se calcula por la expresión: Pperdida = I2·R, lo que significa que depende de la
intensidad que circula y de la resistencia, ya que las cargas rozan con el conductor y desprenden
energía.
Como consecuencia de lo anterior, el transporte de energía se realiza a elevado voltaje y a intensidad
menor, procurando al mismo tiempo que la resistencia de los cables sea pequeña. Como sabes de
una lección anterior, para hacer menor una resistencia se puede hacer el cable más corto (lo que aquí
no es posible puesto que las casas y las fábricas están donde están respecto a la central), más
grueso (lo que si es posible hasta un cierto límite pues si es muy grueso es caro y pesado) y utilizar
un buen conductor (que suele ser cobre). Para elevar el voltaje en el transporte y disminuir las
pérdidas, y para volverlo a bajar en las casas y en las industrias por razones de seguridad, se utilizan
los transformadores, que transfieren energía modificando el voltaje.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
Ayuda
Un transformador es un dispositivo que transfiere energía entre dos circuitos modificando el
voltaje. Consta de dos bobinas aisladas e independientes, arrolladas ambas a un núcleo de hierro.
Por el denominado circuito primario circula la corriente cuyo voltaje se quiere cambiar, y en el
circuito secundario circula la corriente con el nuevo voltaje. La relación de transformación de
voltaje depende del número de espiras del primario y del secundario, cumpliéndose: V1/V2 = N1/N2.
En un transformador ideal no hay pérdidas y se cumple que las potencias de entrada y de salida
son iguales: V1·I1 = V2·I2. En un transformador real las pérdidas son pequeñas, pues el
transformador es un dispositivo de elevado rendimiento. Se muestran a continuación el símbolo de
un transformador con núcleo y una fotografía de un transformador de una subestación
transformadora.
El rendimiento de un transformador se
calcula por la expresión siguiente:
potencia de salida
Rendimiento =
·100
potencia de entrada
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 1
En la figura se muestra el esquema de una central eléctrica térmica. Sitúa las palabras de la tabla en el lugar adecuado
del esquema de la central.
Humos
Vapor de agua
Red eléctrica
Vapor de agua
Turbina
Horno y caldera
Turbina
Vapor de agua
a alta presión
Alternador
Vapor de agua
a alta presión
Alternador
Torre de
refrigeración
Torre de refrigeración
Red eléctrica
Humos
Transformador
Transformador
Circuito de refrigeración
Horno y caldera
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
Circuito de refrigeración
EJERCICIO 2
Las centrales eléctricas térmicas y nucleares tienen un rendimiento de alrededor del 30%, mientras que el rendimiento
de las centrales hidroeléctricas puede alcanzar el 85 %.
(a) ¿A qué crees que puede ser debido esta diferencia de rendimiento?
(b) ¿Por qué las centrales térmicas se construyen junto al mar o junto a un río?
(c) ¿Conoces algún tipo de central que no necesite estar al lado de un río o del mar?
Infórmate del funcionamiento de las centrales
térmicas y de las centrales hidroeléctricas antes
de responder al apartado (a)..
En las centrales térmicas se calienta agua mediante la energía
proporcionada por el combustible. En el propio proceso en la
refrigeración del vapor de la turbina, y muy especialmente en la
refrigeración del agua de refrigeración de dicho vapor, se
producen grandes pérdidas de energía.
En las centrales hidroeléctricas esas pérdidas no existen pues
el agua se utiliza a temperatura ambiente, y las únicas pérdidas
se producen por rozamiento y por energía acústica, que son
mucho menores.
Contesta al apartado (b)
La respuesta está implícita en la anterior. Si se necesitan
grandes cantidades de agua de refrigeración, ésta debe estar a
disposición de la central.
Contesta al apartado (c)
La respuesta no puede ser las centrales hidroeléctricas por su
propio funcionamiento. La única central de uso práctico en la
actualidad sería el parque eólico, cuyo rendimiento energético
máximo está sobre el 45%.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 3
La figura muestra el funcionamiento de una central eléctrica térmica.
(a) El vapor que entra en las turbinas se encuentra a presión y temperatura elevadas, pero hay que enfriarlo a la
salida. ¿Por qué?
(b) El agua de refrigeración se calienta y se hace pasar por las torres de refrigeración para enfriarlo. ¿Por qué debe
hacerse eso?
Contesta al apartado (a)
Al enfriar el vapor disminuye la presión
y condensa. La diferencia de presión a
la entrada y a la salida es la causa del
movimiento de la turbina.
Contesta al apartado (b)
El agua de refrigeración no puede
echarse directamente al río o al mar,
puesto que provocaría daños a los
peces y a las especies vegetales de
ríos y mares.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 4
(a) ¿Cuál es la diferencia entre una corriente continua y una corriente alterna? Haz un gráfico voltaje-tiempo de cada
tipo. El voltaje está medido en voltios y el tiempo en segundos.
(b) La corriente continua la proporcionan las pilas y la corriente alterna los alternadores. ¿Podrías indicar alguna
razón?
(c) ¿De qué factores depende el voltaje que se genera en un alternador?
Alterna
Continua
Contesta al apartado (a)
400
2
300
200
V o lta je
La corriente continua circula siempre
en el mismo sentido debido a que el
voltaje es constante. La corriente
alterna cambia de sentido puesto que
el voltaje varía de valor y de sentido
continuamente. Esto se muestra en las
figuras de al lado
V o lta je
1,5
1
100
0
-100
-200
0,5
-300
-400
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
0
0,005
Tiempo
Contesta al apartado (b)
Contesta al apartado (c)
La corriente continua proporcionada por
una pila o batería se debe a una reacción
química que es la misma en el transcurso
del tiempo. Por el contrario, la bobina del
alternador cambia continuamente de
orientación respecto al imán, lo que causa
el cambio de valor y de sentido del voltaje.
Los factores son tres: la mayor o menor
intensidad del imán, el número de espiras
de la bobina y la velocidad de giro de la
misma.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
0,01
0,015
Tiempo
0,02
0,025
EJERCICIO 5
En España el voltaje efectivo es de 220 V y la frecuencia de 50 Hz, mientras que en Estados Unidos el voltaje efectivo
es de 110 V y la frecuencia de 60 Hz. Haz un gráfico de un ciclo completo de voltaje , indicando el voltaje máximo y el
período, para cada una de estas corrientes. Recuerda que el voltaje máximo es, aproximadamente, 1,41 veces el
voltaje efectivo.
España
400
Dibuja el gráfico
de ciclo completo
para España.
V 0  V e  1, 41  220 V  1, 41  310 V
T 
1
1

f
310 V
200
V oltaje
Calcula el voltaje máximo y
el período para España.
0
-200
- 310 V
 0, 02 s
-400
0
f

1
 0, 017 s
EEUU
400
Dibuja el gráfico
de ciclo completo
para EEUU
60 H z
V oltaje
V 0  V e  1, 41  110 V  1, 41  115 V
1
0,02
Tiempo
Calcula el voltaje máximo y
el período para EEUU.
T 
0,01
50 H z
200
155 V
0
- 155 V
-200
0
0,0083
Tiempo
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
0,0166
EJERCICIO 6
Una central eléctrica genera una potencia de 5000 W.
(a) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 250 V.
(b) Calcula la intensidad que circulará por los cables de transporte si el voltaje es de 100000 V.
(c) Si la resistencia de los cables es de 4, ¿cuánto valdrá la potencia disipada en cada caso?
P V I
Despeja la intensidad de la
expresión de la potencia.

I 
P
Contesta al apartado (b)
V
I 
Contesta al apartado (a)
P
V

5000 W
I 
 20 A
P

V
250 V
5000 W
100000 V
Escribe la expresión de pérdida de
potencia y contesta al apartado (c)
Pperdida =I2·R , que se calcula para cada caso:
Pp erd id a 1  I 1  R  (2 0 A )  4   1 6 0 0 W
2
2
1600 W
que representa una pérdida de:
 100  32%
5000 W
Pp erd id a 2  I 2  R  (0, 0 5 A )  4   0, 0 1 W
2
2
que representa una pérdida de:
0,01 W
 100  0, 0002%
5000 W
lo que muestra claramente la necesidad de transportar la energía a
voltajes elevados.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
 0,05 A
EJERCICIO 7
(a) Un transformador sin pérdidas reduce la potencia de 220 V a 11 V. La intensidad que circula por el secundario es
de 1 A. ¿Qué intensidad circula por el primario?
(b) ¿Cuál debe ser el número de espiras del secundario si el número de espiras del primario es 200?
(c) Consideras adecuado tener conectado el primario del transformador a la red, aunque no esté conectado el
segundario?
Escribe la relación entre la potencia
de entrada y de salida, despeja la
intensidad en el circuito primario y
calcúlala con los datos del ejercicio.
Escribe la expresión de la relación
de transformación, despeja el
número de espiras en el secundario
y realiza el cálculo.
Contesta al apartado (c)
V1  I 1  V 2  I 2
I1 
V2  I 2
V1

11 V  1 A
V1

V2
N2 
 0, 05 A
220 V
N1
N2
V2  N 1
V1

11 V  200
 10
220 V
No es adecuado puesto que por el circuito primario está circulando
una intensidad que, aunque sea pequeña, representa un consumo de
energía.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 8
El dibujo muestra una red de distribución desde una central eléctrica a los centros de consumo. Hay distintos
transformadores.
(a) ¿Cuáles son elevadores y cuáles reductores?
(b) Calcula la relación entre el número de espiras del primario y el número de espiras del secundario en el
transformador número 3.
Contesta al apartado (a)

El único transformador elevador es el número 1, el
que está a la salida de la central, y todos los demás
son reductores.

Contesta al apartado (b)
V1
V2

N1
N2

N1
N2
=
132000
=4
33000


I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química


EJERCICIO 9
En tu casa utilizas varios aparatos eléctricos que llevan transformador. Infórmate de los que llevan transformadores
elevadores y los que llevan transformadores reductores y haz una tabla.
Llevan transformador elevador
Llevan transformador reductor
Televisores
Lámparas halógenas
Radios
Monitores de ordenador
Haz clic aquí para
ver la respuesta
Tubos luminiscentes
Reproductores de música
Encendido de quemadores
de gas o fuel
Juegos electrónicos
Juguetes (trenes, por ejemplo)
Impresoras
Depiladoras eléctricas, etc.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 10
Indica qué tipo de transformador, elevador o reductor, se necesita para realizar cada una de las siguientes
transformaciones de voltaje, y calcula la relación de transformación en cada caso.
(a) Un voltaje de 220 V en otro de 6 V para hacer funcionar un radio.
(b) Un voltaje de 220 V en otro de 10000 V para el funcionamiento de un televisor.
(c) Un voltaje de 25000 V en un voltaje de 500000 V para una red de alta tensión.
Se precisa un transformador reductor.
Contesta al apartado (a)
V1

V2
N1
N1

N2
=
N2
220
=
110
6
 36, 7
3
Se precisa un transformador elevador.
V1
Contesta al apartado (b)
V2
N1

N1

N2
N2
=
220
= 0, 022
10000
Se precisa un transformador elevador.
Contesta al apartado (c)
V1
V2

N1
N2

N1
=
N2
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
25000
500000
= 0, 05
EJERCICIO 11
Completa la siguiente tabla sobre transformadores, haciendo los cálculos adecuados.
Completa la tabla en tu
cuaderno y haz clic aquí
Voltaje del
primario.
Voltaje del
secundario.
Número de espiras
del primario
Número de espiras
del secundario
Tipo de
transformador
12 V
6V
100
50
Reductor
220 V
22000 V
110
11000
Elevador
220 V
12 V
2750
150
Reductor
100000 V
400000 V
6000
Elevador
1500
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 12
Una lámpara halógena de 12 V y 50 W funciona con un transformador conectado a 220 V. El primario del
transformador tiene 5000 espiras.
(a) Haz un esquema del circuito mediante símbolos eléctricos.
(b) Calcula el número de espiras del secundario.
(c) Calcula la intensidad que circula por el circuito primario y la que circula por el circuito secundario, suponiendo que el
transformador no tiene pérdidas.
Dibuja el esquema
del apartado (a)
Contesta al apartado (b)
Mediante la expresión de la relación de transformación:
V1
V2
Contesta al apartado (c)
12 V
220 V

N1
N2

V2
N 2  N1 
 5000 
V1
12
 273 espiras
220
La intensidad que circula por el secundario se obtiene de la potencia de la
lámpara y del voltaje de la misma:
Ps  V s  I s

Is 
Ps
Vs

50 W
 4,17 A
12 V
Si el transformador no tiene pérdidas, la potencia en el primario es la misma
que en el secundario:
Pp
50 W
Ps  Pp  V p  I p

Ip 

 0, 23 A
Vp
220 V
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
EJERCICIO 13
Un transformador tiene un primario de 6000 espiras y un secundario con 150 espiras. El primario se conecta a 220 V y
el secundario se conecta a una resistencia de 3 . Supón que el rendimiento del transformador es del 100%.
(a) Haz un esquema del montaje empleando símbolos eléctricos.
(b) Calcula el voltaje en los extremos de la resistencia , la intensidad que la atraviesa y la potencia que disipa.
(c) Calcula la potencia de entrada al transformador y la intensidad que circula por el primario.
Contesta al apartado (b)
El voltaje en los extremos de la resistencia será el voltaje en el
secundario, que se calcula por la relación de transformación:
Dibuja el esquema
del apartado (a)
V 2  V1 
220 V
3
V2
R

5,5 V
3
= 1,8 A
;
 220 V 
150
 5, 5 V
N1
6000
La intensidad se calcula por la ley de Ohm y la potencia por la expresión
de la misma:
I2 
Contesta al apartado (c)
N2
P2 = V 2 I 2 = 5,5 V 
5,5 V
3Ω
= 10,1 W
La potencia de entrada al transformador es la misma que la de salida,
es decir 10,1 W, puesto que su rendimiento es del 100%, de donde
se despeja la intensidad que circula por el primario:
I1 
P1
V1
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química

10,1 W
220 V
 0, 046 A
EJERCICIO 14
Calcula el rendimiento de los siguientes transformadores:
(a) Potencia de entrada 5000 W y potencia de salida 4750 W.
(b) Entrada: 220 V y 0,5 A; salida: 12 V y 9 A.
Contesta al apartado (a)
El rendimiento del transformador se define como el porcentaje de potencia del
primario que suministra el secundario:
R endim iento =
potencia de salida
 100 =
potencia de entrada
Contesta al apartado (b)
4750
 100  95%
5000
Análogamente al apartado anterior:
R endim iento =
potencia de salida
potencia de entrada
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
 100 =
V2  I 2
V1  I 1

12 V  9 A
220 V  0,5 A
 100  98%
EJERCICIO 15
Un transformador de 250 MW (1 MW = 106 W) de una subestación transformadora tiene un rendimiento de 96%.
(a) ¿Qué potencia se disipa en él?
(b) Este tipo de transformadores llevan un circuito de refrigeración. ¿Podrías razonar cuál es el motivo?
Contesta al apartado (a)
La potencia disipada es la diferencia entre la potencia suministrada al circuito primario y la
proporcionada por el circuito secundario:
R endim iento 
P2
P1
 100

P2 
R endim iento  P1

96  250 M W
100
100
Pdisipada  P1  P2  250 M W  240 M W  10 M W  10 W
7
Contesta al apartado (b)
Llevan un circuito de refrigeración por razones de
seguridad, ya que la potencia disipada es grande y
podría calentar los circuitos y quemar componentes del
transformador, destruyéndolo finalmente.
I.E.S. Élaios
Departamento de Física y Química
 240 M W
Descargar

Diapositiva 1