La velocidad de transmisión de la electricidad se considera generalmente igual a la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas, es decir, la velocidad de la luz. Sin embargo, a través de observaciones, se ha descubierto que cuando toda una ciudad se queda sin electricidad durante una noche y luego se restaura, las luces de la ciudad no se encienden al mismo tiempo. Algunas luces se encienden antes que otras, e incluso algunas áreas de la ciudad tienen luces que se encienden antes que otras. La diferencia de tiempo entre las luces que se encienden primero y las que se encienden después puede ser de siete u ocho segundos o más. ¿Cómo se puede explicar esto? ¿Cuál es la velocidad de transmisión de la electricidad a través de los cables?
La velocidad de la luz es de aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo, mientras que la longitud total de los cables de distribución en una gran ciudad no supera los 10,000 kilómetros. Por lo tanto, en teoría, la diferencia de tiempo en la iluminación de todas las luces de la ciudad no debería ser superior a un segundo. Para comprender este problema, debemos analizar los principios de transmisión de la electricidad.
Tabla de contenidos
- Los Principios de Transmisión de la Electricidad
- Transmisión de Energía en Cables Eléctricos
- ¿Por qué la electricidad no se restaura al mismo tiempo?
Los Principios de Transmisión de la Electricidad
Concepto erróneo: Electricidad es igual a ondas electromagnéticas
La corriente eléctrica en cables, ya sea continua o alterna, es el movimiento de portadores de carga, es decir, electrones. Por otro lado, las ondas electromagnéticas implican el movimiento de campos eléctricos y magnéticos (campos que no son sustancias físicas). De acuerdo con la teoría de la relatividad, los campos eléctricos y magnéticos se pueden unificar en un único «campo electromagnético» en diferentes situaciones, pero no entraremos en detalle aquí. La corriente fluye a través de conductores, mientras que las ondas electromagnéticas se propagan a través de medios o el vacío.
Concepto erróneo: La velocidad de la corriente es igual a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada del producto de la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética.
La velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada del producto de la constante dieléctrica y la permeabilidad magnética da la velocidad de las ondas electromagnéticas en un medio. Los cables conductores no son medios, sino metales. Las ondas electromagnéticas no pueden propagarse a través de los conductores de cables eléctricos. Sin embargo, es importante destacar que en ciertas condiciones, las ondas electromagnéticas pueden propagarse en la superficie de los conductores, lo que se conoce como ondas superficiales, aunque esto no está relacionado con la transmisión de electricidad en este contexto.
Velocidad de la corriente eléctrica
En una sección continua de un cable conductor, cuando se aplica una corriente eléctrica, se crea un campo eléctrico entre los extremos del conductor. Este campo eléctrico transporta la información sobre los cambios en la fuente del campo a una velocidad cercana a la de la luz. Estos campos eléctricos pueden impulsar el movimiento de electrones libres, lo que da lugar a la corriente eléctrica.
Este proceso no requiere que los electrones viajen desde un extremo del conductor al otro para que se establezca la corriente eléctrica. Es similar a abrir un grifo de agua, donde el agua fluye inmediatamente cuando se abre el grifo, sin necesidad de que el agua viaje desde el depósito hasta el grifo. La velocidad a la que la energía se transmite de un extremo a otro se debe al campo eléctrico, no a los electrones.
Dado que la formación de la corriente eléctrica implica el establecimiento rápido del campo eléctrico, que prácticamente se mueve a la velocidad de la luz, la velocidad de la corriente eléctrica es aproximadamente igual a la velocidad de la luz.
Transmisión de Energía en Cables Eléctricos
Capacidad de transmisión de los cables
Aunque la velocidad de la corriente eléctrica es cercana a la velocidad de la luz, la capacidad de transmisión de los cables eléctricos es finita. La capacidad de las líneas de transmisión de energía eléctrica depende de varios factores, que incluyen el nivel de voltaje de la línea, el área transversal de los conductores, las condiciones ambientales y la longitud de la línea, entre otros. La fórmula más comúnmente utilizada para calcular la capacidad de una línea es:
Capacidad de la línea = Voltaje × Área transversal del conductor × Factor de capacidad de transmisión
La capacidad se mide comúnmente en kilovatios (kW) o megavatios (MW), el voltaje en kilovoltios (kV), y el área transversal del conductor en milímetros cuadrados (mm2). El factor de capacidad de transmisión es un valor empírico que tiene en cuenta las características técnicas y las condiciones ambientales de la línea.
Impacto del nivel de voltaje
El nivel de voltaje se refiere al voltaje utilizado en una línea de transmisión de energía eléctrica. En general, las líneas de transmisión con niveles de voltaje más altos tienen una mayor capacidad. Esto se debe a que un voltaje más alto puede reducir la corriente eléctrica y, por lo tanto, disminuir las pérdidas de energía en la línea. Sin embargo, las líneas eléctricas de alto voltaje también requieren un aislamiento más grande y medidas de seguridad adicionales. Por lo tanto, al elegir un nivel de voltaje, es necesario considerar una variedad de factores de manera integral.
Selección del área transversal del conductor
El área transversal del conductor se refiere al tamaño de la sección transversal de los conductores en una línea de transmisión de energía eléctrica. La elección del área transversal del conductor debe cumplir dos condiciones: primero, debe ser capaz de soportar la carga de corriente requerida y, segundo, debe garantizar que la temperatura del conductor se mantenga dentro de un rango seguro. Por lo general, a medida que aumenta el área transversal del conductor, la capacidad de la línea también aumenta, pero al mismo tiempo, esto puede aumentar los costos y las pérdidas de transmisión de energía.
Consideración del factor de capacidad de transmisión
El factor de capacidad de transmisión es un valor empírico que se utiliza para tener en cuenta las características técnicas y las condiciones ambientales de la línea. Este factor se ve influenciado por varios factores, como el material de los conductores, la longitud de la línea, la temperatura ambiente, la velocidad del viento, entre otros. Diferentes factores de capacidad de transmisión pueden aplicarse a diferentes tipos de líneas para reflejar sus capacidades de transmisión respectivas.
Un ejemplo práctico
Para comprender mejor el cálculo de la capacidad de transmisión de la línea, podemos usar un ejemplo práctico. Supongamos que tenemos una línea de transmisión con un nivel de voltaje de 110 kV, un área transversal del conductor de 300 mm² y un factor de capacidad de transmisión de 0.9.
Según la fórmula de cálculo mencionada anteriormente, podemos determinar la capacidad de esta línea:
Capacidad = 110 kV × 300 mm² × 0.9 = 29.7 MW
Por lo tanto, la capacidad de esta línea de transmisión es de 29.7 megavatios.
¿Por qué la electricidad no se restaura al mismo tiempo?
En realidad, la razón por la que la electricidad se restaura en etapas después de un apagón en la ciudad se debe a que la red eléctrica es un sistema complejo compuesto por numerosos cables, controladores, relés y otros componentes. Aunque la transmisión de corriente es rápida, el proceso implica cálculos en los controladores y respuestas de los relés, lo que lleva tiempo.
Por lo general, en el momento en que los equipos se ponen en marcha, la corriente es muy alta, a veces incluso más de diez veces la corriente de funcionamiento normal. Si todos los dispositivos en una misma línea se activaran al mismo tiempo, la corriente instantánea y elevada activaría sin duda los dispositivos de protección, lo que resultaría en un corte de la corriente.
Además, la electricidad para una ciudad proviene de múltiples líneas de suministro. Estas líneas de cables subterráneos también se deben poner en funcionamiento en etapas para evitar impactos significativos en las instalaciones de suministro de electricidad de nivel superior.
En resumen, aunque la velocidad de transmisión de la electricidad a través de los cables es prácticamente igual a la velocidad de la luz, la restauración de la electricidad en una ciudad después de un apagón no ocurre instantáneamente debido a la complejidad de la red eléctrica y la necesidad de coordinar y equilibrar la carga de manera segura. Los sistemas de control y los dispositivos de protección desempeñan un papel crucial en garantizar que la electricidad se restablezca de manera controlada y segura en diferentes partes de la ciudad, evitando sobrecargas y cortes inesperados.