Ut 7 taller d'electricitat 2 eso

1

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida L’energia que mou el mon.

Què és l’electricitat?

L’electricitat és una forma d’energia que prové de l’àtom. Les propietats elèctriques són degudes a la mobilitat dels electrons en els materials. L’electricitat és una conseqüència de l’existència d’electrons quasi lliures en els àtoms.

Els materials són constituïts per àtoms, i en aquests, els electrons es mouen entorn dels nuclis. Quan un àtom té menys electrons que protons té tendència a agafar electrons d’un àtom que tingui un sobrant d’electrons.

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida L’energia que mou el mon.

Hi ha materials que contenen més electrons lliures que d’altres i en aquests, els electrons presenten més facilitat per desplaçar-se d’un costat a l’altre. Un bon exemple en són els materials metàl·lics.

Si tenim una cadena d’àtoms (cosa que passa a qualsevol tros de matèria) els àtoms poden tenir una certa facilitat per moure’s d’un cap al l’altre (en uns materials més que en altres). Si en un d’ells li falten electrons, pot intentar agafarlos dels àtoms que l’envolten. Això pot fer que s’acabi produint un moviment d’electrons d’un àtom a un altre.

Aquest moviment d’electrons és el que anomenen corrent elèctric.

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida L’energia que mou el mon.elèctric: Hi ha dos tipus de corrent Corrent continu

Els electrons en aquest tipus de corrent es mouen sempre en el mateix sentit, des del pol negatiu al positiu del generador.

Corrent altern

Els electrons en aquest tipus de corrent es mouen no sempre en el mateix sentit, sinó que alternen constantment el sentit del seu moviment. .

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida La instal·lació elèctrica de l’habitatge L’empresa elèctrica subministra energia a l’usuari mitjançant la xarxa pública de distribució. La xarxa de distribució entra a l’edifici a través de la línia d’escomesa i arriba a la caixa general de protecció.

La instal·lació elèctrica d’un edifici d’habitatges està formada per la instal·lació d’enllaç i per la instal·lació interior de cada habitatge, i també per la instal·lació elèctrica dels elements comuns de l’edifici (llum de l’escala, ascensor, etc.)

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida Sobrecàrregues i curt circuits • Un curtcircuit és quan s’uneixen dos conductors sense resistència elèctrica. El seu origen pot ser una connexió incorrecta o en un defecte de l’aïllant dels conductors.

• Una sobrecàrrega és quan el corrent que passa per un circuit té una intensitat que supera el valor de la intensitat nominal.

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida Dels fusibles als PIA Per controlar les sobrecàrregues de corrent es fan servir uns elements anomenats “fusibles”, avui en dia PIA • Un PIA és un interruptor que disposa de dos sistemes de desconnexió un de tèrmic i l’altre de magnètic.

• Un fusible és un dispositiu de seguretat que conté un fil metàl·lic que fon abans que el conductor de la instal·lació elèctrica.

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida El quadre de comandament i protecció

És el conjunt destinats ia protecció la seguretat, la protecció i el control de la instal·lació Quadre ded’elements comandament interior.

Elements

Funció

Es dispara quan...

ICP Interruptor de control de potència

Protegir la derivació individual contra sobrecàrregues i curtcircuits

...es produeix una sobrecàrrega i la potència de tots els aparells connectats sobrepassa la potència màxima total contractada.

IGA Interruptor General Automàtic

Permet obrir o tancar voluntàriament el subministrament a tot l’habitatge

Manualment

ID Interruptor diferencial

Protegir les persones contra contactes directes

...hi ha un defecte a la instal·lació: es produeix un curtcircuit i es deriva el corrent a terra.

PIA Petit interruptor automàtic

Protegir contra sobrecàrregues i curtcircuits de la part que controla

...es sobrepassa la potència nominal de la part que controla.

Hi ha un curtcircuit en aquesta ramificació.

D8

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida Quadre de comandament i protecció PIA Petit interruptor automàtic (abans fusibles)

Neutre + Born de terra

Fase

ICP Interruptor de control de potència

IGA Interruptor general automàtic

ID Interruptor diferencial

C1 C2 C3 (circuits independents)

D9

UNITAT 1: L’electricitat i la nostra forma de vida Cablejat de l’habitatge • Els cables han de passar per un tub de protecció que evita que les humitats afecten l’instal·lació.

• Els elements de l’instal·lació han de connectar-se amb línies rectes i els girs sempre en angles de 90º.

• Mai NO farem línies en diagonal!

• Les línies verticals i horitzontals han començar i/o d’acabar sempre en un element visible.

D 10

Els perills de l’electricitat La utilització de l’energia elèctrica és un dels motius més freqüents d’accidents laborals i domèstics. La majoria de les vegades són de petita consideració, però poden arribar a ocasionar ferides molt greus i fins i tot la mort. La gravetat d’un accident pot variar per factors tècnics i factors humans: • Classe de corrent i voltatge • Intensitat i tensió elèctrica • Temps d’exposició • Recorregut del corrent.

• Les tensions CC (corrent continu) superiors a 25 Volts per a infants i 60 Volts per a adults es consideren perilloses.

• Les tensions CA (corrent altern) de 220 V habituals als habitatges es considera perillós tan per nens i joves com per adults

Intensitat

Efectes fisiològics del corrent

1-3

Pràcticament imperceptibles

3-5

Formigueig inofensiu.

5-10

Contraccions involuntàries de músculs, petites alteracions respiratòries

10-15

Contraccions violentes i fins i tot permanents de les extremitats.

15-30

Contraccions violentes i permanents de tot el cos. Alteració del ritme cardíac

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Principals fonts d’energia elèctrica Al llarg de la història l’aprofitament de l’energia del vent (eòlica) va possibilitar la construcció de molins de vent, amb els quals es podia moldre el gra, i de vaixells de vela, gràcies als quals es va poder viatjar pel mar.

L’energia cinètica de l’aigua (hidràulica) es va aprofitar per a construir molins, moure màquines simples com les sínies, acumular aigua i utilitzarla per al rec, i moltes d’altres aplicacions.

Fotografia i dibuix d’una sínia i un moli fariner

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Principals fonts d’energia elèctrica A més, la possibilitat d’utilitzar noves fonts d’energia, com l’energia solar fotovoltaica, la geotèrmica o la mareomotriu, ha afavorit el desenvolupament de línies d’investigació que permetran, en un futur, garantir el subministrament energètic, sense deteriorar el medi ambient.

CENTRAL MAREOMOTRIU

D 13

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Principals fonts d’energia elèctrica • Per transformació química (Piles i bateries).

• Per inducció, quan es desplaça un conductor dins un camp magnètic, o a l’inrevés (electromagnetisme i sistemes dinamoelèctrics).

• Per acció de la llum sobre un semiconductor cristal·lí com el silici (plaques fotovoltaiques).

• Per fregament: fenòmens electrostàtics.

• Per escalfament. Escalfant la soldadura de dos metalls diferents apareix una tensió elèctrica.

• Per piezoelectricitat amb cristalls de quars. Aquests tenen la propietat que sota l’acció de forces mecàniques deixen anar càrregues elèctriques.

Els generadors d’energia elèctrica De generadors d’energia elèctrica en distingim de diferents tipus:  Piles i bateries.  Generadors de plaques fotovoltaiques.  Generadors dinamoelèctrics.

1 6

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Piles i bateries.

• •

L’energia química pot convertir-se en energia elèctrica Tenen dos borns està senyalats amb • signe +  born positiu, ànode o pol positiu • signe -  born negatiu, càtode o pol negatiu

•

La pila de Volta està formada per una • solució d’àcid sulfúric (elèctrolit) • una làmina de zinc (ànode o pol positiu) • una làmina de coure (càtode o pol negatiu)

•

La pila seca està formada per • una carcassa metàl·lica de zinc que fa de pol positiu i que fa de contenidor • productes químics que constitueixen l’elèctrolit sec • una vareta de carbó que fa de pol negatiu

•

Les piles alcalines estan formades per • una carcassa metàl·lica de protecció • un ànode (pol positiu) de pols de zinc • i un càtode (pol negatiu) de òxid de manganès i carboni

ZINC (ÀNODE) FIELTRE ACID COURE (CÀTODE)

D 15

Generadors de plaques fotovoltaiques.

Els generadors de plaques fotovoltaiques converteixen la llum del Sol en energia elèctrica. Aquesta conversió es fa mitjançant uns dispositius molt avançats anomenats cèl·lules fotoelèctriques.

Les cèl·lules solars fetes amb làmines fines de silici, arsenur de gal·li o un altre material semiconductor en estat cristal·lí, converteixen la radiació en electricitat de forma directa..

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Generadors dinamoelèctrics.

Els generadors dinamoelèctrics converteixen en energia elèctrica l’energia del moviment...

• • • •

a partir de la força del vent, en les centrals eòliques, a partir de la caiguda d’aigua en les centrals hidroelèctriques, a partir de la combustió de gas, carbó o petroli en les centrals tèrmiques. a partir de l’energia dels nuclis dels àtoms, en les centrals nuclears.

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat

L’energia elèctrica es produeix en les centrals per transformació d’un altre tipus d’energia anomenada energia primària, algunes d’aquestes són renovables i d’altres no ho són: Energies renovables • hidràulica: aigua embassada • solar: radiació solar • eòlica: vent • gravitatòria: marees • geotèrmica: fonts termals, volcans

Energies no renovables • tèrmica: carbó, petroli, gas natural • nuclear: Urani, plutoni, tori

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Transport d’electricitat • L’energia elèctrica es transporta des de les centrals elèctriques fins els nuclis de consum mitjançant línies d’alta tensió aèries.

• Depenent el seu voltatge podem distingir alta tensió  380 KV (1 KV són 1000 Volts ) per al transport mitja tensió 25 KV per transport i distribució baixa tensió  per consum domèstic (220 V) o industrial (380 V) • Als nuclis urbans l’energia elèctrica es transporta mitjançant línies subterrànies adossada a les façanes.

La xarxa elèctrica és una estesa de cables elèctrics que uneix els punts de producció d’electricitat amb els punts on l’energia elèctrica es consumeix.

D 19

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Transport d’electricitat Els materials Als cables s’utilitza preferentment el coure com a conductor en aplicacions elèctriques, tot i que en les línies de transport aèries també es fan servir alumini i aliatges d’aquests metalls. L’alumini és un material més lleuger i econòmic que el coure. Els cables no estan en contacte directe amb les torres, normalment de ferro i acer i per tant, conductors, sinó que per evitar accidents estan separats per aïllants, que són peces de ceràmica.

Detall d’aïllant s per a torres i pals d’alta i mitja tensió.

UNITAT 3: Centrals elèctriques

FORÇA - MOVIMENT

ROTACIO

ELECTRONS (Inducció electromagnètica)

DINAMO

ELÈCTRICS

D 21

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals i fonts d’energia Les principals fonts d’energia que emprem a les centrals elèctriques són els combustibles fòssils, (carbó, petroli, gas natural), l’energia solar, l’energia eòlica, l’energia hidràulica, l’energia nuclear i l’energia de la biomassa.

Producció d’energia a l’estat espanyol Nuclear 51,8% Carbó 34,1% Hidràulica 11,0% Altres 1,4% Consum d’energia a l’estat espanyol Petroli 55,2% Carbó 17,0% * Nuclear 13,9% * Gas natural 10,6% Hidràulica 2,9% * Altres 0,4% * Suma*: 34,2%

UNITAT 3: Centrals elèctriques

Les fonts d’energia no renovables són les que s’exhaureixen a mesura que els utilitzem.

Fonts d’energia renovables i no renovables: Així direm que, per exemple, els recursos de carbó i el petroli són limitats: El carbó i el petroli s’han format al llarg de milions d’anys i, al ritme actual, d’aquí a pocs anys els consumirem totalment.

Els combustibles fòssils són fonts d’energia no renovables.

Proporcionen la major part d’energia que consumeixen els països desenvolupats.

UNITAT 3: Centrals elèctriques

Fonts d’energia renovables i no renovables: Les fonts d’energia renovables són les que no s’exhaureixen encara que les utilitzem de manera constant.

Per exemple, el Sol continuarà brillant (com a mínim durant uns 4000 o 5000 milions d’anys més) malgrat que n’aprofitem l’energia en centrals solars.

L’energia eòlica, hidràulica, de la biomassa i la mareomotriu són energies renovables. La crisi dels anys 70 del segle XX va fomentar la investigació de fonts d’energia alternatives.

Els recursos energètics no renovables del planeta s’acabaran exhaurint, per tant, és molt important buscar energies renovables alternatives.

D’altra banda, aquestes són menys contaminants que els no renovables

UNITAT 3: Centrals elèctriques Convencionals no convencionals • Definim les convencionals com les que generen la major quantitat d’energia útil d’un país.

Com a convencionals tenim: carbó, petroli combustibles gasosos, energia nuclear i hidràulica.

• Les no convencionals són les que per manca del seu desenvolupament tecnològic o pels elevats costos d’extracció i aprofitament, no generen gran quantitat d’energia útil: energia solar, eòlica, mareomotriu,...

D 25

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals d’energia renovables Les centrals d’energies renovables són aquelles que aprofiten les fonts d’energia renovable per transformar-la en electricitat. Tot i les avantatges esmentades abans tenen alguns inconvenients, són molt irregulars ja que depenen de fenòmens naturals no controlables absolutament: • • • •

les hores diàries de Sol la intensitat del vent el règim de pluges Estacions de l’any

D 26

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals hidroelèctriques • Aprofiten l’energia mecànica de l’aigua dels embassaments • L’impuls de l’aigua mou els àleps de la roda de la turbina i accionen els alternadors • Dins de l’alternador un rotor dins d’un camp magnètic genera electricitat.

El desnivell de la presa fa que l’aigua arribi a la turbina a gran velocitat.

D 27

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals hidroelèctriques



Turbina Pelton



Turbina Francis

Turbina Kaplan D 28

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals hidroelèctriques L'energia hidroelèctrica es una de les fonts d'energia més netes, ja que el seu aprofitament no genera residus contaminants.

Tanmateix, s'ha d'estudiar amb molt de compte l’emplaçament de les preses per a evitar impacte ecològic i paisatgístic que puguin provocar

La major presa del mon és la de las Tres Gargantas en China amb 2 km de llarg, 185 m d’alçada i 26 turbines, creant un embasament de 600 km riu a dalt.

250m

D 29

UNITAT 3: Centrals elèctriques

D 30

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals mareomotrius • Quan el nivell del mar fora de la presa baixa i puja amb la marea • L’aigua retinguda pasa amb molta força per les turbines i accionen els alternadors • Dins de l’alternador un rotor dins d’un camp magnètic genera electricitat

Moviments de l’aigua a una central mareomotriu

D 31

UNITAT 3: Centrals elèctriques Les centrals eòliques aprofiten la força del vent per produir electricitat Centrals eòliques amb un alternador.

Les centrals poden agrupar desenes de aerogeneradors en zones de vent, ja sigui a l’interior o a la costa • Un molí o aerogenerador aprofita la força del vent • El vent fa girar un rotor a la part més alta del molí.

• El rotor mou l’eix de l’alternador que genera electricitat

Camp eòlic marí al Mar del Nord, a prop de Dinamarca

Parc eòlic de Carnota, A Coruña

Camp a la costa de Weatherwise, Inglaterra

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals eòliques Els aerogeneradors més freqüents són els anomenats rotor tripala, però no són el únic disseny, es poden fer servir altres models depenent de la quantitat i tipus de vent predominant.

Multipala americà

Tripala

Giromil

Sabonius

Darrieus

D 33

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals tèrmiques solars Hi ha diferents formes d’aprofitament de la energia solar: • per aprofitament tèrmic • per producció elèctrica directa (cèl·lules fotovoltaiques) • per producció elèctrica indirecta (centrals termoelèctriques)

D 34

UNITAT 3: Centrals elèctriques

Centrals tèrmiques solars Les centrals solars de torre central, fan servir miralls plans per orientar la llum del Sol concentrada a una caldera. A la caldera s’escalfa un fluid per moure les turbines i els alternadors.

A les centrals solars de col·lectors distribuïts es fan servir miralls còncaus per concentrar la llum a una canonada per la qual passa un fluid. Aquest fluid escalfat es fa servir per moure les turbines i els alternadors.

D 35

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals de generadors de plaques fotovoltaiques Els generadors de plaques fotovoltaiques converteixen l’energia de la radiació de la llum del Sol en energia elèctrica de forma directa. Aquesta conversió es fa mitjançant uns dispositius anomenats cèl·lules fotoelèctriques, que estan fetes amb fines làmines de silici, arsenur de gal·li o un altre material semiconductor en estat cristal·lí.

L’ús de les cèl·lules solars més habitual és alimentar dispositius de baixa potència, remots i sense manteniment, com boies i equipament de naus espacials.

Tot i així la connexió de moltes d’aquestes cèl·lules en mòduls permet crear sistemes per alimentar habitatges sencers (plaques a les teulades), o fins i tot grans superfícies que aporten energia a la xarxa general.

D 36

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals geotèrmiques Les centrals geotèrmiques introdueixen aigua freda a l’interior de la Terra, a prop d’una bossa de magma. L’aigua torna en forma de vapor cap a la superficie.

Aquest vapor calent serveix per escalfar un fluid que en augmentar de pressió mou les turbines i els alternadors

UNITAT 3: Centrals elèctriques

Centrals d’energia NO renovables Les centrals d’energies no renovables són aquelles que aprofiten les fonts d’energia no renovable per transformar-la en electricitat.

Tot i els inconvenients mediambientals que provoquen tenen alguns avantatges importants especialment: • produeixen gran quantitat d’energia • produeixen energia de forma regular • produeixen energia de forma constant i controlable

D 38

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals tèrmiques Les centrals tèrmiques utilitzen la calor alliberada en la combustió de gas-oil, carbó, gas, per a convertir l’aigua que circula per una extensa xarxa de conductes que cobreixen les parets de la caldera en vapor. Aquest vapor, a pressió i temperatures elevades, mou les paletes (àleps) del rodet de la turbina, l’eix de la qual mou l’eix de l’alternador que genera electricitat.

• l’aigua que circula per la caldera es converteix en vapor, • el vapor mou els àleps de la turbina alta pressió • l’eix de la turbina mou l’eix de l’alternador que genera electricitat.

D 39

UNITAT 3: Centrals elèctriques Centrals termonuclears Les centrals nuclears funcionen a base de l’energia alliberada en la fissió nuclear de determinats elements fissibles (per exemple, urani 235). La fissió es produeix en cadena al reactor nuclear. Aquesta energia es manifesta en forma de calor.

La resta del procés és semblant al de les centrals tèrmiques .

• l’aigua que circula per la caldera es converteix en vapor, • el vapor mou els àleps de la turbina • l’eix de la qual mou l’eix de l’alternador que genera electricitat.

D 40

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Complerta les frases d’aquesta classificació parcial de centrals elèctriques i l’energia primària que utilitzen.

• Centrals _________________ ?

Acció: ____________________ de gas-oil, carbó, gas,... ?

• Centrals ______________________ ?

Acció: l’energia ________________ intern del planeta. ?

• Centrals _______________________ ?

Acció: _______________________________ del vent ?

• Centrals _____________________ ?

Acció: aprofita les variacions ________________ amb la marea ?

• Centrals _____________ ?

Acció: l’energia alliberada en la ____________ nuclear ?

• Centrals hidràuliques NO  hidroelèctriques.

Acció: ________________________ dels embassaments ?

D 41

UNITAT 3: Centrals elèctriques

L’efecte de l’electricitat sobre el medi ambient En general la construcció de les centrals elèctriques, renovables o no renovables, i les infraestructures necessàries per a dur a terme tot el procés d’obtenció d’energia, des que s’extreu del medi natural fins que es consumeix en els diferents punts de distribució, implica tota una sèrie d’alteracions del paisatge, que acaben generant un gran impacte estètic o visual.

UNITAT 3: Centrals elèctriques L’efecte de l’electricitat sobre el medi ambient Aquest inconvenients són majors en el cas de les fons no renovables.

Durant la fase d’extracció del carbó es detecta un augment considerable de la quantitat de sòlids en suspensió en l’aire al voltant de les zones d’extracció, degut a l’activitat minera, i a la seva combustió s’alliberen a l’atmosfera diversos agents contaminants, com el diòxid de sofre, diversos òxids de nitrogen i monòxid i diòxid de carboni.

Aquestes substàncies són les responsables de la pluja àcida i de l’efecte hivernacle, que tenen conseqüències molt greus per al medi ambient.

D 43

UNITAT 3: Centrals elèctriques

L’efecte de l’electricitat sobre el medi ambient

Problemes similars es produeixen en l’extracció del petroli, el seu transport, i especialment en el tractament de les refineries. Les canalitzacions per a traslladar els hidrocarburs fins al centre de tractament poden provocar el vessament accidental al sòl, el medi marí o en carretera, i la consegüent contaminació química de les aigües.

D 44

UNITAT 3: Centrals elèctriques

L’efecte de l’electricitat sobre el medi ambient També hem de considerar la contaminació tèrmica de les aigües superficials, en evacuar les aigües de les centrals tèrmiques (tant convencional com termonuclears) del procés directament a la xarxa natural, a unes temperatures que inhibeixen la vida aquàtica en un radi més o menys gran, al voltant del punt de sortida.

D 45

UNITAT 3: Centrals elèctriques L’efecte de l’electricitat sobre el medi ambient La producció d’electricitat pot provocar • alteracions del paisatge amb un gran impacte estètic o visual • sòlids en suspensió en l'aire • contaminació de l’atmosfera • pluja àcida • vessament accidental o premeditat al medi marí o terrestre • la contaminació química de les aigües • contaminació tèrmica de les aigües superficials • efecte hivernacle Efectes de la pluja àcida produïda per les indústries i centrals tèrmiques del nord d’Alemanya. A la dreta una fotografia de l’hostal Hanskühenburg a les muntanyes del Harz feta en 1972. A la dreta el mateix lloc a 1983.

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Complerta les frases sobre els procediments (formes) de produir electricitat i cita alguns exemples.

• Per transformació química. ?

Exemple  ________________________________ • Per acció de la llum del Sol. ? una capa de seleni o teluri neix una tensió Al ________________________ elèctrica. ?

Exemple _____________________________ • Per inducció electromagnètica, ? quan es desplaça un ___________? dins un ________________.

Exemple  dinamos i alternadors ?

• Per transformació ________________________ Exemple  piles i bateries ?

• Per acció de la _____________________.

Al il·luminar una capa de seleni o teluri neix una tensió elèctrica.

Exemple  plaques fotovoltaiques ?

• Per _________________________ quan es desplaça un conductor dins un camp magnètic.

Exemple  dinamos i alternadors D 47

UNITAT 2: Producció i transport d’electricitat Complerta les frases d’aquesta classificació parcial de centrals elèctriques i l’energia primària que utilitzen.

• Centrals _________________ ?

Acció: ____________________ de gas-oil, carbó, gas,... ?

• Centrals ______________________ ?

Acció: l’energia ________________ intern del planeta. ?

• Centrals _______________________ ?

Acció: _______________________________ del vent ?

• Centrals _____________________ ?

Acció: aprofita les variacions ________________ amb la marea ?

• Centrals _____________ ?

Acció: l’energia alliberada en la ____________ nuclear ?

• Centrals hidràuliques NO  hidroelèctriques.

Acció: ________________________ dels embassaments ?

D 48