CONDUCTORES Y AISLADORES ELCTRICOS Y TRMICOS

INTRODUCCIN.En nuestra vida diaria, los conductores y aisladores elctricos y trmicos juegan un papel muy importante, ya que aunque no les demos mucha importancia, intervienen en muchas procesos y cubren un sinfn de necesidades. Adems de estar su estudio latente en diversas ciencias de la Ingeniera. a) Conductores elctricos: Son materiales cuyaresistenciaal paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores elctricos son metales el cobre el hierro y el aluminio los metalesy sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metlicos que tambin poseen la propiedad de conducir la electricidad, como elgrafitoo las disolucionesy solucionessalinas(por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material enestado de plasma.Para el transporte de energa elctrica, as como para cualquier instalacin de uso domstico o industrial, los mejores conductores son eloroy laplata, pero debido a su elevado precio, los materiales empleados habitualmente son elcobre(en forma decablesde uno o varioshilos), o elaluminio; metal que si bien tiene unaconductividad elctricadel orden del 60% inferior es, sin embargo, un material tres veces ms ligero, por lo que su empleo est ms indicado en lneas areas de transmisin de energa elctrica en lasredes de alta tensinLaconductividad elctricadel cobre puro fue adoptada por laComisin Electrotcnica Internacionalen1913como la referencia estndar para esta magnitud, estableciendo elInternational Annealed Copper Standard(Estndar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Segn esta definicin, la conductividad del cobre recocido medida a 20Ces igual a 58.0 MS/m. A este valor es a lo que se llama 100% IACS y la conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayora de los metales tienen valores de conductividad inferiores a 100% IACS pero existen excepciones como laplatao los cobres especiales de muy alta conductividad designados C-103 y C-110.

Usos: Conducir la electricidad de un punto a otro (pasar electrones a travs del conductor; los electrones fluyen debido a la diferencia de potencial). Establecer una diferencia de potencial entre un punto A y B. Crear campos electromagnticos (como en las bobinas y electroimanes). Modificar el voltaje (con el uso de transformadores). Crear resistencias (con el uso de conductores no muy conductivos).El uso ms significativo de los conductores elctricos en la historia de la humanidad:

RED DE TRANSPORTE DE ENERGA ELCTRICA

Torre para el transporte de energa elctrica.

Placa de caractersticas.Lared de transporte de energa elctricaes la parte delsistema de suministro elctricoconstituida por los elementos necesarios para llevar hasta los puntos de consumo y a travs de grandes distancias laenerga elctricagenerada en lascentrales elctricas.Para ello, los niveles de energa elctrica producidos deben ser transformados, elevndose su nivel detensin. Esto se hace considerando que para un determinado nivel depotenciaa transmitir, al elevar la tensin se reduce lacorrienteque circular, reducindose las prdidas por efecto Joule. Con este fin se emplazansubestacioneselevadoras en las cuales dicha transformacin se efecta empleandotransformadores, o bienautotransformadores. De esta manera, una red de transmisin emplea usualmente voltajes del orden de 220kVy superiores, denominados alta tensin, de 400 o de 500 kV.Parte de la red de transporte de energa elctrica son las lneas de transporte.Una lnea de transporte de energa elctrica o lnea dealta tensines bsicamente el medio fsico mediante el cual se realiza la transmisin de la energa elctrica a grandes distancias. Est constituida tanto por el elemento conductor, usualmente cables deacero,cobreoaluminio, como por sus elementos de soporte, lastorres de alta tensin. Generalmente se dice que los conductores "tienen vida propia" debido a que estn sujetos a tracciones causadas por la combinacin de agentes como el viento, la temperatura del conductor, la temperatura del viento, etc.Existen una gran variedad de torres de transmisin como son conocidas, entre ellas las ms importantes y ms usadas son las torres de amarre, la cual debe ser mucho ms fuertes para soportar las grandes tracciones generadas por los elementos antes mencionados, usadas generalmente cuando es necesario dar un giro con un ngulo determinado para cruzar carreteras, evitar obstculos, as como tambin cuando es necesario elevar la lnea para subir un cerro o pasar por debajo/encima de una lnea existente.Existen tambin las llamadas torres de suspensin, las cuales no deben soportar peso alguno ms que el del propio conductor. Este tipo de torres son usadas para llevar al conductor de un sitio a otro, tomando en cuenta que sea una lnea recta, que no se encuentren cruces de lneas u obstculos.La capacidad de la lnea de transmisin afecta al tamao de estas estructuras principales. Por ejemplo, la estructura de la torre vara directamente segn el voltaje requerido y la capacidad de la lnea. Las torres pueden ser postes simples de madera para las lneas de transmisin pequeas hasta 46kilovoltios(kV). Se emplean estructuras de postes de madera en forma de H, para las lneas de 69 a 231 kV. Se utilizan estructuras de acero independientes, de circuito simple, para las lneas de 161 kV o ms. Es posible tener lneas de transmisin de hasta 1.000 kV.Al estar estas formadas por estructuras hechas de perfiles de acero, como medio de sustentacin del conductor se empleanaisladores de discoy herrajes para soportarlos.

IMPACTO AMBIENTAL DE LA ELECTRICIDAD Y CONDUCTORES ELECTRICOS El impactoambientalpotencial de lneas de transmisin de energa elctrica incluye la red de transporte de energa elctrica, el derecho de va, las playas de distribucin, lassubestacionesy los caminos de acceso o mantenimiento. Las estructuras principales de la lnea de transmisin son la lnea misma, los conductores, las torres y los soportes.Las lneas de transmisin pueden tener pocos, o cientos dekilmetrosde longitud. El derecho de va donde se construye la lnea de transmisin puede variar de 20 a 500metrosde ancho, o ms, dependiendo del tamao de la lnea, y el nmero de lneas de transmisin. Las lneas de transmisin son, principalmente, sistemas terrestres y pueden pasar sobre los humedales,arroyos,rosy cerca de las orillas de loslagos,bahas, etc. Son tcnicamente factibles, pero muy costosas, las lneas de transmisin subterrneas.Las lneas de transmisin elctrica son instalaciones lineales que afectan los recursos naturales y socioculturales.1Los efectos de las lneas cortas son locales; sin embargo, las ms largas pueden tener efectos regionales. En general, mientras ms larga sea la lnea, mayores sern los impactos ambientales sobre los recursos naturales, sociales y culturales. Como se tratan de instalaciones lineales, los impactos de las lneas de transmisin ocurren, principalmente, dentro o cerca del derecho de va. Cuando es mayor el voltaje de la lnea, se aumenta la magnitud e importancia de los impactos, y se necesitan estructuras de soporte y derechos de va cada vez ms grandes. Se aumentan tambin los impactos operacionales. Por ejemplo, los efectos delcampo electromagntico(EMF) son mucho mayores para las lneas de 1.000 kV, que para las de 69 kV.Los impactos ambientales negativos de las lneas de transmisin son causados por la construccin, operacin y mantenimiento de las mismas. Las causas principales de los impactos que se relacionan con la construccin del sistema incluyen las siguientes:

El desbroce de la vegetacin de los sitios y los derechos de va; y, La construccin de los caminos de acceso, los cimientos de las torres y las subestaciones.La operacin y mantenimiento de la lnea de transmisin incluye el control qumico o mecnico de la vegetacin dentro del derecho de va y, de vez en cuando, la reparacin y mantenimiento de la lnea. Estas actividades, ms la presencia fsica de la lnea misma, pueden causar impactos ambientales.En el lado positivo, al manejarlos adecuadamente, los derechos de va de las lneas de transmisin pueden ser beneficiosos para la fauna. Las reas desbrozadas pueden proporcionar sitios de reproduccin y alimentacin para las aves y los mamferos. El efecto de "margen" est bien documentado en la literatura biolgica; se trata del aumento de diversidad que resulta del contacto entre el derecho de va y la vegetacin existente. Las lneas y las estructuras pueden albergar los nidos y servir como perchas para muchas aves, especialmente las de rapia.

Efectos sobre el uso de la tierraEl mayor impacto de las lneas de transmisin de energa elctrica se produce en los recursos terrestres. Se requiere un derecho de va exclusivo para la lnea de transmisin de energa elctrica. Normalmente, no se prohbe el pastoreo o uso agrcola en los derechos de va, pero, en general, los otros usos son incompatibles. Si bien no son muy anchos los derechos de va, pueden interrumpir o fragmentar el uso establecido de la tierra en toda su extensin. Las lneas de transmisin largas afectarn reas ms grandes y causarn impactos ms significativos.Las lneas de transmisin pueden abrir las tierras ms remotas para las actividades humanas como colonizacin, agricultura, cacera, recreacin, etc. La ocupacin de espacio reservado al derecho de va puede provocar la prdida o fragmentacin del hbitat, o la vegetacin que encuentra en su camino. Estos efectos pueden ser importantes si se afectan las reas naturales, como humedales o tierras silvestres, o si las tierras recin accesibles son el hogar de los pueblos indgenas.

Desbroce y control de la vegetacin en los derechos de vaHay una variedad de tcnicas para limpiar la vegetacin del derecho de va y controlar la cantidad y tipo de la nueva vegetacin. Desde el punto de vista ambiental, el desbroce selectivo utilizando medios mecnicos o herbicidas es preferible y debe ser analizado en lasevaluaciones ambientalesdel proyecto.Se debe evitar el roco areo de herbicidas porque no es selectivo e introduce grandes cantidades de qumicos al medio ambiente, y adems es una tcnica de aplicacin imprecisa y puede contaminar las aguas superficiales y las cadenas alimenticias terrestres, y eliminar las especies deseables y envenenar la fauna.Riesgos para la salud y la seguridadAl colocar lneas bajas o ubicarlas prximas a reas con las actividades humanas (carreteras, edificios) se incrementa el riesgo de electrocucin. Normalmente, las normas tcnicas reducen este peligro. Las torres y las lneas de transmisin pueden interrumpir la trayectoria de vuelo de los aviones cerca de los aeropuertos y poner en peligro las naves que vuelan muy bajo, especialmente, las que se emplean para actividades agrcolas.Las lneas de transmisin de energa elctrica crean campos electromagnticos. Se disminuye la potencia de los campos, tanto elctricos, como magnticos, con el aumento de la distancia de las Lneas de transmisin. La comunidad cientfica no ha llegado a ningn consenso en cuanto a las respuestas biolgicas especficas a lafuerza electromagntica, pero resultados emergentes en comunidades anexas a esta influencia fsica, sugieren que hay antecedentes fundamentados de riesgos para la salud, asociados a algunos tipos decncer. Se han promulgado normas en varios estados de los Estados Unidos que reglamentan la fuerza electromagntica que est asociada con las lneas de transmisin de altovoltaje.Si bien, existe gente que argumenta que las lneas de alta tensin pudiesen afectar el medioambiente y a la gente que vive cerca de las lneas de transmisin, lo cierto es que dicha contaminacin electromagntica se ve aplacada por los beneficios econmicos de transportar la potencia a una tensin elevada. Existen pases en los cuales se subsidia a la gente que vive bajo o en las inmediaciones de las lneas de alta tensin, bajo el supuesto que los tejidos orgnicos pudiesen ser perjudicados por los campos electromagnticos provocados. Existen evidencias irrevocables que habitar en las cercanas de las lneas de alta tensin por periodos de tiempo mayores a los 6 meses, podra provocar enfermedades comoAlzheimer, diversos tipos decncer,diabetes,depresin, etc.

Desarrollo inducidoDependiendo de su ubicacin, las lneas de transmisin pueden inducir desarrollo en los derechos de va o junto a estos, o en las tierras que se han vuelto ms accesibles. En los lugares donde la vivienda sea escasa, los derechos de va, a menudo, son sitios atractivos para construir viviendas informales, y esto, a su vez, causa otros impactos ambientales y sobrecarga la infraestructura y servicios pblicos locales.

Equilibrio entre produccin y consumoLa electricidad es una de las pocas energas que no es posible almacenar a gran escala (excepto los sistemas de bateras o las presas hidrulicas que pueden ser consideradas reservas electromecnicas de energa de baja inercia). Por ello los operadores de red deben de garantizar el equilibrio entre la oferta y la demanda en permanencia. Si se produce un desequilibrio entre oferta y demanda, se pueden provocar dos fenmenos negativos:En el caso en que el consumo supera la produccin, se corre el riesgo de apagn por la rpida prdida de sincronismo de los alternadores, mientras que en el caso de que la produccin sea superior al consumo, tambin puede provocarse un apagn por la aceleracin de los generadores que producen la electricidad.Esta situacin es tpica de las redes elctricas insulares donde la sobre-produccin elica conlleva a veces la aparicin de frecuencias "altas" en las redes.Las interconexiones entre los pases pueden repartir mejor el riesgo de apagones en los territorios interconectados, al ser estos solidarios entre s en la gestin del equilibrio entre la oferta y la demanda.La aparicin masiva de redes deGeneracin distribuidatambin conduce a tener en cuenta este balance global de las redes, especialmente en cuestiones en tensin. La aparicin de redes inteligentes oSmart Griddeben contribuir al equilibrio general de la red de transporte (frecuencia y tensin), con el equilibrio las redes locales de distribucin. Para ello los operadores europeos reflexionan sobre las soluciones tcnicas pertinentes teniendo en cuenta la evolucin de los modos de generacin, hoy por hoy muy centralizados (hidroelctrica, trmica o nuclear), pero que podran llegar a ser mucho ms descentralizados en un futuro cercano (elica o fotovoltaica).

b) Aisladores Elctricos Aisladores elctricos, o dielctricos, son materiales que pueden soportar el flujo decorrienteelctrica.En otras palabras, son materiales no conductores. Ellos son lo contrario de los conductores elctricos que permiten que la electricidad fluya a travs de unmaterial.Losaisladores elctricosayudar abrigo, proteccin o apoyo de conductores elctricos de manera que los flujos de corriente elctrica a travs del director deorquesta.Aisladores son materiales de proteccin que ayudan a prevenir descargas elctricas o chispas.

Aisladores elctricos estn compuestos de sustancias con electrones, o partculas de energa que estn comprimidos en conjunto mediante un proceso qumico. Es casi imposible conseguir el voltaje elctrico para pasar a travs de estos materiales. Algunos aisladores se considera que tienen umbrales ms elevados para el voltaje elctrico que otros, y se llama acertadamente aisladores de alta tensin.

El vidrio se utiliza como aislante elctrico antes. De vidrio, junto con otros materiales no metlicos tales como la porcelana, mica, y de cermica pueden soportar el ms alto de voltaje de la corriente elctrica. Desde la dcada de 1800, el cristal ayuda a proteger el cableado deltelgrafoexpuesto. La goma fue inventada a mediados de la dcada de 1800, y como un aislante elctrico, que se aplic inicialmente a partes de los aisladores de vidrio utilizadas para proteger el cableado del telgrafo. Goma, junto con los plsticos, tiene un umbral inferior de tensin de los de vidrio y porcelana, debido a su composicin de electrones sueltos.

Con el avance de las telecomunicaciones, Tefln y el dixido de silicio llegaron a ser utilizados como aislantes elctricos de proteccin contra el cableado expuesto. Estos materiales ayudan a proteger las lneas elctricas, y el cableado interno de los transformadores y generadores.

Tambin hay aisladores compuestos que se derivan de una mezcla de diversos materiales. Aisladores elctricos compuestos son adecuados para una variedad de propsitos de laingenieraelctrica que van desde automviles hasta electrodomsticos. Estos aisladores compuestos tienden a carecer de lafuerzaque el cristal y laporcelanaha de soportar el voltaje elctrico de alta y puede llevar a cabo ms rpido. Son ideales para aplicaciones de fabricacin a granescaladebido a subajocosto y versatilidad. Los aisladores de porcelana pueden romperse fcilmente y pueden ser voluminosos. De goma y otros aisladores compuestos, tambin llamada no-aislantes de cermica, por lo tanto ms ampliamente utilizado para el propsito de la ingeniera.

CONDUCTORES Y AISLADORES TRMICOSa) Conductores trmicos Laconductividad trmicaes una propiedad intrnseca de los materiales que valora la capacidad de conducir el calor a travs de ellos. El valor de la conductividad vara en funcin de la temperatura a la que se encuentra la sustancia, por lo que suelen hacerse las mediciones a 300Kcon el objeto de poder comparar unos elementos con otros.Es elevada enmetalesy en general en cuerpos continuos, y es baja en losgases(a pesar de que en ellos la transferencia puede hacerse a travs deelectroneslibres) y en materiales inicos y covalentes, siendo muy baja en algunos materiales especiales como lafibra de vidrio, que se denominan por esoaislantestrmicos. Para que exista conduccin trmica hace falta una sustancia, de ah que es nula en elvacoideal, y muy baja en ambientes donde se ha practicado un vaco elevado.En algunos procesos industriales se trabaja para incrementar la conduccin de calor, bien utilizando materiales de alta conductividad o configuraciones con un elevado rea de contacto. En otros, el efecto buscado es justo el contrario, y se desea minimizar el efecto de la conduccin, para lo que se emplean materiales de baja conductividad trmica, vacos intermedios, y se disponen en configuraciones con poca rea de contacto.

Coeficientes para distintos materiales

MaterialMaterialMaterial

Acero47-58Corcho0,04-0,30Mercurio83,7

Agua0,58Estao64,0Mica0,35

Aire0,02Fibra de vidrio0,03-0,07Nquel52,3

Alcohol0,16Glicerina0,29Oro308,2

Alpaca29,1Hierro80,2Parafina0,21

Aluminio209,3Ladrillo0,80Plata406,1-418,7

Amianto0,04Ladrillo refractario0,47-1,05Plomo35,0

Bronce116-186Latn81-116Vidrio0,6-1,0

Zinc106-140Litio301,2

Cobre372,1-385,2Madera0,13

La tabla que se muestra se refiere a la capacidad de ciertos materiales para transmitir el calor. Elcoeficiente de conductividad trmica() expresa la cantidad o flujo de calor que pasa a travs de la unidad de superficie de una muestra del material, de extensin infinita, caras plano paralelas y espesor unidad, cuando entre sus caras se establece una diferencia de temperaturas igual a la unidad, en condiciones estacionarias. La conductividad trmica se expresa en unidades deW/mK(J/s m C).La conductividad trmica tambin puede expresarse en unidades de British thermal units por hora por pie por grado Fahrenheit (Btu/hftF). Estas unidades pueden transformarse aW/mKempleando el siguiente factor de conversin: 1 Btu/hftF = 1,731W/mK.

Aprovechamiento de la energa solar trmicaEl agua caliente sanitaria es la aplicacin ms idnea para los sistemas de aprovechamiento trmico solar. Es importante disear bien el apoyo con energa convencional, e manera que sea realmente un complemento auxiliar. Se deben seguir una serie de principios para el desarrollo de correctos diseos:

Captar el mximo posible de energa solar Es necesario regular la captacin de energa para convertirla en energa til, mediante la medicin y comparacin del nivel de temperatura en el colector y en el almacenamiento. Mediante regulacin diferencial se puede activar la electrobomba o parar la circulacin. Consumir prioritariamente la energa solar Mediante un diseo adecuado del sistema de almacenamiento podemos favorecer el uso prioritario de la energa solar. Se puede incluir un acumulador con resistencia elctrica regulado por un termostato, que actuar cuando la temperatura del agua sea menor que la temperatura requerida del agua caliente para consumo. Asegurar la correcta complementariedad entre la energa solar y la convencional Si el nivel de temperatura conseguido con energa solar es frecuentemente inferior al deseado habr que aadir la energa auxiliar precisa. Se pueden dos casos:1. Produccin instantnea de la energa de apoyo Este sistema se coloca a la salida del acumulador solar, es muy prctico en viviendas si se usan calentadores instantneos de gas de tipo domstico, siempre que la llama se regule automticamente en funcin de la temperatura del agua de entrada.2. Produccin de energa de apoyo en un acumulador independiente Se emplea un acumulador ms pequeo que el principal y los puntos de consumo. No juntar la energa solar con la convencional Si el acumulador es nico habr que mezclar lo menos posible, puede conseguirse con un acumulador compartimentado.

ESQUEMA DE UNA TERMA SOLAR

b) Aisladores trmicos Unaislante trmicoes unmaterialusado en laconstrucciny laindustriay caracterizado por su altaresistencia trmica. Establece una barrera al paso del calor entre dos medios que naturalmente tenderan a igualarse en temperatura, impidiendo que entre o salga calor del sistema que nos interesa (como unaviviendao unanevera).Uno de los mejores aislantes trmicos es elvaco, en el que el calor slo se trasmite porradiacin, pero debido a la gran dificultad para obtener y mantener condiciones de vaco se emplea en muy pocas ocasiones. En la prctica se utiliza mayoritariamenteairecon bajahumedad, que impide el paso del calor por conduccin, gracias a su bajaconductividad trmica, y por radiacin, gracias a un bajo coeficiente de absorcin.El aire s transmite calor porconveccin, lo que reduce su capacidad de aislamiento. Por esta razn se utilizan como aislamiento trmico materiales porosos o fibrosos, capaces de inmovilizar el aire seco y confinarlo en el interior de celdillas ms o menos estancas. Aunque en la mayora de los casos el gas encerrado es aire comn, en aislantes de poro cerrado (formados por burbujas no comunicadas entre s, como en el caso del poliuretano proyectado), el gas utilizado comoagente espumantees el que queda finalmente encerrado. Tambin es posible utilizar otras combinaciones de gases distintas, pero su empleo est muy poco extendido.

EPLOGO

Hemos visto que, haciendo un mejor uso de los conductores y aislantes podemos disminuir el consumo de energa y desarrollas dos tipos de eficiencias: eficiencia energtica y ecoeficiencia, que nos permitirn reducir los efectos de impacto ambiental, y descubrir nuevas utilidades y usos.En Ingeniera Civil debemos tratar de buscar fuentes alternativas de energa, y nuevos conductores y aislantes con un solo objetivo: hacer infraestructuras estables sin sobrepasarse en los gastos de energa y econmicos.

Facultad de IngenieraCarrera profesional: Ingeniera Civil

REA:Fsica II DOCENTE:Ing. Katherine Fernndez Len ALUMNO: Zamora Garca, AngelCajamarca, 07 de diciembre del 2011