LA TECNOLOGIA A L'ESO 
            Un Web Personal "d'autor".






COM ES PRODUEIX L'ELECTRICITAT ?

Una mica d'història... 

Any 585 a.C. Tales de Mileto, considerava la matèria vivificada per una força interna i essencial a la mateixa. A ell se li deu el descobrimient dels principis de l'electricitat. D'ell es deu el fenòmen de l'electricitat electroestàtica en descobrir l'àmbar. L'àmbar és una resina d'arbre que, un cop dura, se la pot magnetitzar fregant-la.
El 1269, l'enginyer Pedro Peregrinus va descobrir que un imant tenia pols. Aquesta circumstància el va portar a averigüar la manera d'aconseguir una brúixola perfecta, que seria adaptada a la navegació amb les conseqüents avantatges.
Otto von Gericke va construïr la primera màquina d'electricitat estàtica a l'any 1650. Contava amb una bola de sofre que girava sobre el seu eix. Fregant-la amb una franel.la va poder produir electricitat.
El 1745 es va construir la primera ampolla que podia acumular electricitat (ampolla de Leyden). Benjamin Franklin al 1750 va publicar una sèrie d'estudis que van culminar amb l'enunciat de les lleis de conservació de l'electricitat i la primera teoria dels fenòmens elèctrics, que li van conduir a la invenció del parallamps. Luis Galvani (1737-1798), professor de la universitat de Bolonia, experimentant amb granotes va observar que un escarpel, recolçat en el nervi crural d'una granota morta, provocava una sacsejada de les extremitats de l'animal en les ocasions en que saltaven espurnes. Poc després va aparéixer la pila elèctrica, gràcies al físic Alejandro Volta.
Hans Cristian Oersted, sabi danés, va descobrir al 1819 el principi del magnetisme. I els treballs d' Ampere, Davy y Sturgeon, van donar com a resultat el descobrimient de l'electroimant.
Joseph Henry i Michael Faraday trovaren la manera de produir electricitat en quantitats enormes i, a partir de les seves trovalles, aquesta força ha transformat el món, gràcies a la seva aplicació pràctica.

EL MAG QUE IL·LUMINÀ AL MON
A les tres del vespre del 4 de setembre de 1882, Thomas Alva Edison, es va embarcar en el que va anomenar "l'aventura més gran de la meva vida". Va posar en funcionament la primera central elèctrica de Nova York, al carrer Pearl, i a 85 llars, botigues i oficines es van il·luminar sobtadament amb 400 bombetes incandescents.
Fa molts anys que l'home sap que existeix electricitat per alguns dels seus efectes :en una tempesta, per exemple. En el segle XVIII l'electricitat va servir com a joguina de saló. Al segle XIX va ser sotmesa a un tractament més científic i al segle XX es convertí en motor de progrés. Però què és l'electricitat? Fins aquí la història.

Constitució de l'àtom.

Tots els cossos que podem veure, tocar...estan formats per àtoms. L'àtom està constituït per un nucli que en el seu interior conté protons, amb càrrega positiva, i neutrons amb càrrega neutre. Al voltant del nucli giren els electrons amb càrrega elèctrica negativa. A CADA ÀTOM EXISTEIXEN TANTES CÀRREGUES POSITIVES (PROTONS) COM NEGATIVES (ELECTRONS). És a dir, tenim un "empat". L'àtom és , doncs, elèctricament neutre. I què vol dir això? Doncs que no es convertirà com un imant positiu o negatiu. Què passarà si un electró és tret de l'àtom? Guanyaran els protons. L'àtom es convertirà amb un imant positiu. Si tinguéssim molts àtoms com aquest notariem el seu efecte com un imant. Què passaria si traguéssim un protó del nucli i deixéssim tots els electrons? Es convertiria en un imant negatiu, guanyarien les càrregues negatives. Per tant podem desfer un àtom i convertir-lo en un altre. Només es qüestió de muntar o desmuntar peces.

Una qüestió més... L'ELECTRICITAT DE CASA ÉS IGUAL QUE L'ELECTRICITAT QUE ATREU EL PAPER AMB UN BOLI? En condicions normals l’aire que ens envolta conté ions (són els àtoms que han perdut o guanyat electrons: són imants) de dues menes: positius i negatius. Tots es troben més o menys barrejats. Però quan es forma una tempesta, aquests ions se separen. Els ions positius se’n van a la part superior del núvol de tempesta, on hi ha els cristalls de gel. Els ions negatius se’n van a la part inferior, on hi ha el vapor d’aigua. I la superfície de la terra es carrega indistintament de forma positiva i negativa, però les zones que sobresurten (arbres punxeguts, antenes, cims...) es carreguen molt més positivament.

Entre la zona superior molt positiva i la zona inferior molt negativa es pot arribar a crear un diferència de potencial (voltatge) tan important que es produeix una descàrrega elèctrica per igualar aquesta diferència. Si la diferència de potencial es crea entre una zona molt negativa de la part inferior o la mitjana del núvol i la terra positiva, també es produeix una descàrrega elèctrica. En ambdós casos direm que s’ha produït un llamp. La temperatura a l'interior del llamp és de 24.000ºC.

El llamp és la descàrrega elèctrica entre el núvol i la terra. El llampec és la descàrrega entre dos núvols. El tro és el soroll que acompanya aquest fenomen.

Un apunt més: El parallamps fou inventat per BENJAMIN FRANKLIN (1706-1790) el 1752. Un dia de tempesta Franklin va elevar un estel amb un clau i va fer que saltés una guspira entre el clau i la seva mà, amb la qual cosa va demostrar la causa dels llamps. Va tenir sort de sortir-ne il.lès, doncs dues persones que ho van intentar posteriorment van morir electrocutades. Va ser el creador de la coneguda "teoria de les puntes".En quan al fenòmen del llamp, ha estat més complexe del que semblava a primera vista. En una primera fase hi a unes petites descàrregues invisibles, separades per centèsimes de segon en un període de temps molt curt (dècimes de segon). Totes segueixen el mateix camí. Quan arriben a 100-150 m del terra, d'aquesta surt el llamp que segueix el camí marcat pels anteriors. Poden arribar als 100.000 A(amperes). Així doncs, el llamp no cau sinó puja!

L'electricitat estàtica no és la mateixa que tenim a casa per a fer funcionar els aparells elèctrics. S'origina en l'estructura atòmica i de la mateixa manera que l'elèctrica. Aleshores, on està la diferència? Bàsicament es troba amb la manera de conduir els electrons en el sí del material. És a dir, un bon conductor deixarà passar ràpidament els electrons i no es quedaran en el cos perquè són bons conductors de l'electricitat. Alguns aïllants -mals conductors- aprofiten aquesta propietat per retenir els electrons i no deixar-los marxar. Si l'àtom augmenta de nombre d'electrons es converteix en positiu. En aquest curt periode de temps, els cossos, adquireixen electricitat. Si són més els electrons que els protons, serà negatiu. En cas contrari, positiu. Això només succeiex en alguns materials que són fàcils de "convèncer" perquè donin o agafin electrons. Amb el pas dels segons es van tornant a col.locar els electrons on els hi correspon i el cos perd el magnetisme. El vidre i la llana en són un exemple: quan freguem el vidre amb la llana alguns electrons del vidre van a la llana. El vidre es queda amb més protons, es converteix amb un imant positiu. Amb el pas dels segons aquests electrons de més tornaran a l'aire que envolti al vidre, normalment per les punxes o extrems que pugui tenir i es quedarà com al principi. Aquest fenòmen només succeix en els cossos aïllants i no en tots degut a la estructura atòmica -mol.lecular- del cos que els fa tenir un comportament diferent.

Estaries d'acord en afirmar que els llamps són electricitat estàtica? Per què?I què passa quan per un cable elèctric passen els electrons i són capaços de donar llum, música, calor...?Te'n recordes del comportament del vidre respecte a la llana? Perdia electrons convertint-se en un imant positiu. I si posem electrons en un cos conductor d'electricitat? Què faran aquests electrons?

El conductors d'electricitat tenen una característica comuna: tenen un nombre atòmic elevat (molts electrons). Els últims electrons són atrets dèbilment pel nucli de l'atom. Podriem comparar-lo si el nucli fos el Sol i l'electrò més llunyà fos Plutó.

És relativament fàcil fer-los sortir de la seva òrbita: queden lliures. El conjunt d'electrons lliures s'anomena "núvol electrònic". En haver-hi molts àtoms, també són moltíssims els electrons lliures i que queden atrapats per un altre àtom. Dit de pas, és gràcies a la pèrdua d'electrons de l'última capa el que permet les reaccions químiques. Just en el moment en què els electrons es desplacen cap un mateix sentit es produeix un "fluix d'electrons", és a dir, s'acaba de produir un corrent elèctric. Si en el mig d'aquest recorregut posem una bombeta incandescent, aquesta s'escalfarà i farà llum. Vols veure un video sobre això? Clica aquí
Si posem un imant negatiu a la dreta del cable i un positiu a l'esquerra, els electrons es veuran obligats a moure's en el sentit assenyalat en el dibuix. En passar per la bombeta, xoquen amb els àtoms del filament, produint calor, es produeix molta calor i fa que s'encengui el filament. Un cop els electrons hagin canviat de costat, deixarà de il.luminar. Què hauriem de fer perquè torni a donar llum? La resposta és en el requadre (selecciona amb el botó esquerra del ratolí el text amagat):
Efectivament, canviant de posició els imants aconseguirem que els electrons es desplacin a l'altre costat. Aquest sistema és substituït pels generadors de corrent: dinamos o alternadors.

Centrant-nos en el món de l'electricitat (I què hem fet fins ara? Hi ha coses que és impossible explicar en poques paraules), començarem per dos investigadors que van ser els que van aportar dos descobriments bàsics: Oersted i Faraday.

Hans Christian Oersted. Professor. Un dia de classe de l'any 1819 va deixar una brúixola al costat d'un fil per on passava electricitat, la casualitat el va fer que se n'adonés que la brúixola no senyalava el nord. Va descobrir que quan per un fil elèctric hi circulen els electrons es produeix un camp magnètic.

Michael Faraday  tenia trenta anys quan l'electricitat començà a captivar la seva atenció. És el moment en què els descobriments d'Oersted despertaren arreu la curiositat dels físics, també s'estudiaven les noves experiències d'Ampère. L'any 1821, Michael Faraday descobrí el principi fonamental del motor elèctric, relacionat amb les investigacions del francès André Marie Ampère, que daten de l'any 1820, al voltant de les desviacions que experimenten les agulles magnètiques per l'acció del corrent elèctric, i els treballs de François Arago, que descobrí també l'any 1820 que el ferro situat al costat d'un conductor elèctric pel qual circula el corrent es magnetitza, i que les agulles magnètiques col·locades en el centre d'una bobina elèctrica modifiquen la seva polaritat depenent de la direcció de les espires. El principi fonamental del motor elèctric consisteix en un conductor elèctric que gira constantment al voltant d'un imant permanent, i que no es desenvoluparia fins a l'any 1829. L'any 1822, Faraday reflexionà sobre la possibilitat d'invertir el principi i obtenir electricitat a partir del magnetisme. La sèrie d'experiments realitzats no van donar fruit fins l'any 1831.
La següent imatge correspon a l'expressió més senzilla per produir electricitat. Es tracta d'una bobina (anomenada solenoide) que té una obertura que permet introduir imants. Al seu extrem superior disposa de dos connexions per a connectar-hi els cables que ens serviran per "recollir l'electricitat produida: és a dir, la bobina comença en el pol positiu -color vermell- comencem a donar voltes i voltes i l'últim extrem anirà connectat al pol negatiu. Cada cop que introduim els imants (s'acostuma a fer amb dos imants rectangulars col.locats de manera que els camps magnètics es sumin) aportem un camp magnètic que farà que els electrons es reorganitzin produint-se un flux d'electrons i, per tant, electricitat. Un cop l'hem introduit al màxim, deixarà d'haver-hi corrent elèctric. Ens queda fer el moviment contrari que tornarà a produir electricitat. És en aquest moment quan  comencem a investigar en el camp de la producció d'electricitat a gran escala. Recordem que la producció d'electricitat fins aquest moment es basava en els descobriments que va fer Alessandro Volta amb la seva pila.
Vols veure un video sobre això? Clica aquí.
Comença una nova etapa: Producció d'electricitat a gran escala. Abans haurem de conèixer els primers passos. Amb el descobriment de Faraday només calia trobar la manera d'aconseguir que un camp magnètic estigués a prop de fils de coure en permanent moviment. El primer model més simple el trobem en una bobina feta de fil de coure (uns quants metres enrotllats de manera que pel centre pogués passar-hi un imant. Amb aquest experiment podem produir una determinada quantitat d'electricitat si bé el sistema no es pot aprofitar de manera seriosa. Més tard es va desenvolupar un altre model el qual no es movia l'imant si no la bobina de coure. Aquest mecanisme seria un avançament dels actuals generadors.
Vols veure un video sobre això? Clica aquí.
Aquí no acaben els inconvenients. El model anterior pot produir electricitat mentre algú es dediqui a fer girar el solenoide (bobina) però la producció d'electricitat a gran escala ens obliga a fer moure els generadors (anomenats alternadors) molt grans i a gran velocitat. Busquem alternatives i la de l'aigua (energia cinètica) n'és una de bona: en caure l'aigua per una canonada, és portada on estan les turbines. Aquestes turbines transmetran el seu moviment al generador d'electricitat.

A la següent imatge podem veure una central elèctrica convencional. Observa-la i contesta la pregunta.

CENTRALS ELÈCTRIQUES CONVECIONALS

Aquesta imatge correspon a una central tèrmica de carbó. Observa el seu funcionament.Series capaç d'explicar com funciona?. Un cop ho tinguis pensat, compara-ho amb el tex següent (passa el ratolí per seleccionar clicant el botó esquerre).l b

Amb el combustible (aquí s'utilitza carbó) i amb suficient aire (és forçat a entrar) es produeix la seva combustió (oxidació ràpida). El calor escalfa un serpentí (tub en forma de "esse") situat a la caldera que per el seu interior passa un líquid (aigua). En escalfar-se fins el punt d'ebullició, surt amb força i conduit, en forma de vapor, a la turbina. La turbina fa moure el generador i es produeix electricitat. El vapor surt per l'altre extrem i es condensa en el condensador mitjançant l'aportació d'aigua freda de l'exterior (les centrals tèrmiques estan a prop de rius, mars...Sempre aigua al costat. Amb la bomba retorna al principi. Si tens dubtes pots preguntar-ho

Una altra pregunta per pensar. A veure, si l'aigua, un cop ha mogut les turbines, torna a entrar, perquè se la refreda si després se la torna a escalfar per continuar el cicle?

El motiu més important és que per continuar el seu camí pel serpentí i amb la suficient quantitat, s'ha de tornar al seu estat líquid, així els mecanismes que la impulsen, bombes, poden fer bé la seva funció. D'altra banda, cal controlar la millor temperatura perquè els resuiltats siguin òptims per la instal.lació. Una temperatura superior podria fer malbé tota la instal.lació. A les centrals nuclears aquest és el seu punt feble.