1 FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA
1.2 EL CAMPO ELÉCTRICO VARIANTE EN EL TIEMPO
Los campos electromagnéticos variantes en el tiempo o campos CA (de corriente alterna), se propagan en forma de ondas electromagnéticas tanto en el medio material como en el vacío; las cuales lejos del foco emisor, pueden considerarse como ondas transversales planas formadas por un campo magnético y por un campo eléctrico , perpendiculares entre sí y perpendiculares a su vez a la dirección de propagación.
Tanto el campo eléctrico como el magnético poseen una intensidad y una dirección, pero cuando son campos variando en el tiempo, ambos oscilan en una dirección definida, es decir se pueden describir como una onda sinusoidal a través del tiempo, donde su intensidad de campo pico se conoce como la amplitud. Dichos campos se propagan a la velocidad de la luz, y debido a su naturaleza ondulatoria, transportan energía y están caracterizados por tener asociadas una frecuencia ( ) y una longitud de onda ( ). La frecuencia es el número de oscilaciones de la onda por unidad de tiempo, medido en múltiplos de un hertzio (1 Hz = 1 ciclo por segundo), y la longitud de onda es la distancia recorrida por la onda en una oscilación (o ciclo). Para una mayor comprensión del campo electromagnético, este se distribuye energéticamente en un
espectro electromagnético (ver Anexo A).
El campo eléctrico en un punto en el espacio, es un vector definido por sus componentes espaciales a lo largo de tres ejes ortogonales. Para campos sinusoidales en estado estable, cada componente espacial es un fasor (o número complejo). Las magnitudes de los componentes, son expresadas por sus valores eficaces (rms) en volts por metro (V/m), y no es necesario que sus ángulos de fase sean iguales:
(1.4)
Donde ,
,
son los vectores unitarios a lo largo de los ejes ,,
respectivamente; y a su vez , ,son fasores expresados como funciones que presentan una variación espacio-temporal, como se ve para la componente dada en la dirección del eje x:
cos
(1.5)Donde la magnitud, ángulo de fase y ángulo dependiente del tiempo están
visualizar el vector , expresado en la ecuación (1.4), como un vector rotando en un plano en el espacio y describiendo una elipse, donde la longitud de su semieje mayor representa el valor de la máxima intensidad de campo eléctrico, mientras que la longitud de su semieje menor representa la magnitud del campo un cuarto de periodo después de presentarse su máximo valor de intensidad, tal y como se muestra en la Figura 1. Al mismo tiempo, se tiene que el campo eléctrico en la dirección perpendicular al plano de la elipse es nulo.
Figura 1. Elipse descrita por un vector de campo eléctrico , que se encuentra rotando en un plano en el espacio.
Fuente: EPRI. Transmission line reference book 345 kV and above. 1982.
Las ondas electromagnéticas son transportadas por partículas llamadas cuantos de luz (fotones). La propagación de la energía electromagnética como una onda, está descrita en la ecuación de energía de Planck:
(1.6)
Donde , es la constante de Planck que equivale a 6,62607 x 10-34 J/s y es la frecuencia de la onda en hertz (Hz). De lo anterior se deduce que los cuantos de luz de ondas electromagnéticas con frecuencias más altas transportan más energía que los de las ondas de menor frecuencia, por lo tanto se hace clara la división del espectro electromagnético en dos tipos de radiaciones: la ionizante y la no ionizante.
• Radiación ionizante:
Es aquel tipo de radiación donde sus ondas electromagnéticas transportan tanta energía por cuanto de luz, que son capaces de romper los enlaces químicos existentes entre las moléculas de los seres vivos. De las radiaciones que componen el espectro electromagnético, los rayos gamma que emiten los materiales radioactivos, los rayos cósmicos y los rayos X tienen esta capacidad, es decir, radiaciones cuyo de rango de frecuencias está por encima de los 3 PHz (es decir, 3x1015 Hz).
• Radiación no ionizante:
Es la radiación que está compuesta por cuantos de luz sin energía suficiente para romper los enlaces moleculares. Su rango de frecuencias está comprendido entre los cero (0) y los 300 GHz del espectro.
Por lo tanto, para esta clase de radiaciones, la longitud de onda es mucho mayor que el cuerpo que ha sido sometido a su exposición, y el calentamiento por corrientes inducidas ocurre en raras ocasiones. Una de las fuentes de ondas electromagnéticas a las cuales está asociada este tipo de radiación son las tecnologías que operan a frecuencias industriales, entre las cuales se pueden encontrar las instalaciones del sistema de energía eléctrica, que en el caso de Colombia, producen campos electromagnéticos a una frecuencia de
60 Hz, es decir se encuentran dentro del rango de los campos de FEB4 o de frecuencia extremadamente baja.
En los sistemas eléctricos, se considera que los campos electromagnéticos de FEB allí generados, tienen un comportamiento cuasiestacionario, lo que permite medir o calcular el campo eléctrico y el campo magnético en forma independiente mediante la teoría cuasiestática, en la cual el campo magnético no se considera acoplado al campo eléctrico, y por lo tanto estos pueden tratarse por separado como si fueran estáticos, tanto para su medición como para su modelamiento.
En adición al concepto de los campos cuasiestáticos, aplicable a cargas en reposo y movimiento, las cargas que presentan una aceleración producen una componente de radiación. A frecuencias extremadamente bajas el campo radiante de una fuente es despreciable, por lo tanto en situaciones prácticas de exposición, la radiación es absolutamente despreciable en el rango de los campos de FEB. La radiación solo llega a ser dominante para distancias que son largas comparadas con la longitud de onda.
Las principales fuentes de campos eléctricos de FEB son el inevitable resultado de la actividad humana, en particular, de la operación de sistemas de potencia o el uso cotidiano de electrodomésticos y aparatos en el hogar. Algunas de estas fuentes de campos artificiales son: las líneas eléctricas aéreas, electrodomésticos, cables subterráneos, subestaciones y la industria de energía eléctrica. En Colombia, dentro de las instalaciones de transporte y distribución de la energía eléctrica, los campos electromagnéticos más significativos son debidos a los tendidos de alta tensión y a las subestaciones eléctricas. En estas tecnologías, se tiene que cualquier conductor eléctrico cargado genera un campo eléctrico asociado, que está presente aunque no fluya la corriente eléctrica. Cuanto mayor sea la tensión, más intenso será el
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Los campos de FEB, o de frecuencia extremadamente baja (procede de la traducción al español del término que en inglés se lee como: “ELF fields” o “extremely low frequency fields”), son aquellos campos electromagnéticos variables en el tiempo que generalmente operan con frecuencias de hasta 300 Hz. Son producidos por los aparatos eléctricos y las instalaciones de transporte y distribución de energía eléctrica.
campo eléctrico a una determinada distancia. Al mismo tiempo, los campos eléctricos son más intensos cuanto menor es la distancia al conductor cargado que los genera y su intensidad disminuye rápidamente al aumentar la distancia.
1.3 CÁLCULO DEL CAMPO ELÉCTRICO PRODUCIDO POR LÍNEAS DE