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Corrientes Alternas

Resumen: Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico del conductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en este principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna.
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Autor: ilustrados
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Cuandose hace oscilar un conductor en un campo magnético, el flujo de corriente en elconductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento físico delconductor. Varios sistemas de generación de electricidad se basan en esteprincipio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corrientealterna. Esta corriente tiene una serie de características ventajosas encomparación con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energíaeléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La característicapráctica más importante de la corriente alterna es que su voltaje puedecambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético denominadotransformador. Cuando una corriente alterna pasa por una bobina de alambre, elcampo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se vuelve aintensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa otra bobinaen el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente conectada aella, el movimiento del campo magnético induce una corriente alterna en lasegunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras mayor que laprimera, la tensión inducida en ella será mayor que la tensión de la primera,ya que el campo actúa sobre un número mayor de conductores individuales. Alcontrario, si el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensiónserá más baja que la de la primera.

Laacción de un transformador hace posible la transmisión rentable de energía eléctricaa lo largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios depotencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje de 200.000voltios y una corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y unacorriente de 100 amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión ycorriente. La potencia perdida en la línea por calentamiento es igual alcuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia. Porejemplo, si la resistencia de la línea es de 10 ohmios, la pérdida de potenciacon 200.000 voltios será de 10 vatios, mientras que con 2.000 voltios será de100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia disponible.

Enun circuito de corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varíaconstantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente enel circuito debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje aplicado auna bobina ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por dichabobina es tal que la intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es máximacuando el voltaje es nulo. Además, el campo magnético variable induce unadiferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y sentido opuesto a ladiferencia de potencial aplicada. En la práctica, las bobinas siempre presentanresistencia y capacidad además de autoinducción

Sien un circuito de corriente alterna se coloca un capacitor la intensidad decorriente es proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variacióndel voltaje en el mismo. Por tanto, por un capacitor cuya capacidad es de 2faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. En uncapacitor ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad. Cuandoel voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio devoltaje es nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque enese punto la velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de uncapacitor circula intensidad —aunque no existe una conexión eléctricadirecta entre sus placas— porque el voltaje de una placa induce una cargaopuesta en la otra.

Delos efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobinao capacitor ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos prácticoslos circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de autoinduccióny capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida depende de laproporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.

Sise mueve el polo de un imán metiéndolo y sacándolo de una bobina conmovimiento armónico simple, el corte de líneas magnéticas va a generar una fem.alterna. Cada electrón oscila en torno a una posición media.

           Si se tiene un generador simple en el que la fuerza electromotriz en labobina gira con rapidez constante y cambia sinusoidamente con el tiempo, y loconectamos con un pedazo de alambre que obra como una resistencia pura, esto es,su autoinducción y su capacidad son muy pequeños. El voltaje entre losextremos del alambre y la corriente que pasan por él varían. (Ver figura V1)

 

 

 

Enel eje de las X está delimitado el tiempo (el tiempo es directamenteproporcional al ángulo que ha girado la bobina del generador. Se debe tener encuenta que el voltaje y la corriente estan en fase, llegan a sus maximos valoresy a los valores nulos (0), que el voltaje maximo es de 170 voltios y lacorriente maxima es de 2 amperios, y que el periodo de la corriente y delvoltaje es de 1/60 seg. Y su frecuencia es de 60 ciclos.

           Se pueden escribir ecuaciones para la corriente i y el voltaje v en untiempo cualquiera t.

I=Isen (2Õ)/Tt = I sen 2Õf t

v=Vsen (2Õ)/Tt = V sen 2Õf t

siendoI la amplitud de la corriente, V la amplitud del voltaje, T el perido derotacion del generador y f la frecuencia del generador.

Cuandola corriente y el voltaje estan en fase, la corriente y el voltaje instantaneosestan relacionados por la ley de Ohm:

I=v/R y I=V/R (solo Resistencia)

SiendoR la resistemncia del circuito.

Lacorriente efectiva Ief y el voltaje efectivo Vef estan relacionados con lapotencia del circuito. Estas magnitudes son cantidades que se miden conamperimetros y voltimetros de corriente alterna. Por ejemplo, Ief=0.707 I yVef=0.707 V

Unampere efectivo (en corriente alterna) es aquella corriente alterna que calientaun conductor con la misma rapidez que un ampere de corriente directa.

Unampere efectivo es la fuerza electromotriz alterna en un circuito tal, que lacorriente efectiva es de un ampere cuando la resistencia del circuito es de unohm.

 

Diferenciade potencial

 

Tambiénllamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una cargapositiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; enrealidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB).La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Véase Electricidad.

Ungenerador de corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencialconstante y, en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre losextremos de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia depotencial, los distintos conductores difieren entre sí en el valor de laintensidad de corriente obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo.Existe una relación de proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre ladiferencia de potencial entre los extremos de un conductor y la intensidad quelo recorre. La constante de proporcionalidad se denomina resistencia delconductor y su valor depende de su naturaleza, de sus dimensiones geométricas yde las condiciones físicas, especialmente de la temperatura.

Ladiferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltímetro,instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos del circuitocuya diferencia de potencial se quiere medir.

 

Resistencia

 

Propiedadde un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de unacorriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —segúnla llamada ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se leaplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es laresistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperiocuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para laresistencia eléctrica es R, y el símbolo del ohmio es la letra griega omega,W. En algunos cálculos eléctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R,que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia essiemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras ladenominación antigua de esta unidad, mho.

Laresistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustanciaque lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficietransversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, laresistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamenteproporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, laresistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

Eltérmino resistencia también se emplea cuando se obstaculiza el flujo de unfluido o el flujo de calor. El rozamiento crea resistencia al flujo de fluido enuna tubería, y el aislamiento proporciona una resistencia térmica que reduceel flujo de calor desde una temperatura más alta a una más baja.

 

Impedancia

 

Lacorriente alterna no siempre esta en fase con el voltaje interno del circuito.La figura I1 muestra un circuito en el que hay una resistencia A (una lampara) yun inductor B, que tiene un nucleo de hierro.

 

 

 

Siel sistema se conecta a una fuente de corriente directa de 120 v., la corrientees de 0.5 amp. Aplicando la ley de Ohm., vemos que laresistencia es de 240 W.Si conectamos el circuito a una fuente de corriente alterna de 120 voltios, conun voltaje efectivo de 120 v., la corriente sera menor que antes y la lamparabrillara con menos intensidad. La disminucion de la corriente se debe a que alflujo de electricidad se le opone no solo la resistencia, sino tambien la fuerzaelectromotriz inducida en la bobina (debida a las variaciones de su propio campomagnetico)

Larelacion entre la diferencia de potencial efectiva entre los terminales de uncircuito y corriente efectiva, es la impedancia, que se expresa en Ohms. Un Ohm es la impedancia de un circuito, en el cual hay una corriente de unampere efectivo, cuando la diferencia de potencial alterna, entre los terminalesdel conductor, es de un volt efectivo.

Lacorriente efectiva Ief en un circuito de impedancia Z esta dada por

Ief=Vef/Z

 

Laimpedancia de un circuito depende de su resistencia y de la reactancia. Lareactancia inductiva XL de un circuito depende de su autoinduccion y de lafrecuencia f de la corriente alterna. La reaccion inductiva de un inductor quetiene autoinduccion L esta dada por

 

Kl=2ÕfL

 

Factorde potencia

 

Cuandola reactancia total de un circuito es cero, su retraso de fase es cero, y suimpedancia es igual a sus resistencia. Al aumentar la reactancia inductiva,aumenta el retraso.

Sila corriente y el voltaje de un circuito de corriente alterna estan en fase, lapotencia se calcula con la formula

P=Vef. I ef

Sino estan en fase el maximo voltaje y la corriente ocurren en nomentos diferentesen cada ciclo. La potencia no esta dada por el producto del voltaje y lacorriente, sino por

P=Vef. Ief . cos Q(Qes el angulo de retraso de fase o retraso)

Larelacion entre la potencia "verdadera" dada por la ecuacion previa, yla potencia aparente VefIef se llama factor de potencia.

Factorde potencia = Potencia verdadera = cos Q= R

                                    Potenciaaparente                   Z

 

Cualquiersistema de distribución de electricidad requiere una serie de equipossuplementarios para proteger los generadores, transformadores y las líneas detransmisión. Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensiónque se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.

Enmuchas zonas del mundo las instalaciones están conectadas formando una red quepermite que la electricidad generada en un área se comparta con otras zonas.Estas redes son operados por grupos diversos pero aumentan el riesgo de un apagóngeneralizado, ya que si un pequeño cortocircuito se produce en una zona, porsobrecarga en las zonas cercanas puede transmitirse en cadena a todo el país.Muchos hospitales y edificios públicos tienen sus propios generadores paraeliminar el riesgo de apagones.

Laslargas líneas de transmisión presentan inductancia, capacitancia y resistenciaal paso de la corriente eléctrica. El efecto de la inductancia y de lacapacitancia de la línea es la variación de la tensión si varía lacorriente, por lo que la tensión suministrada varía con la carga acoplada. Seutilizan muchos tipos de dispositivos para regular esta variación no deseada.La regulación de la tensión se consigue con reguladores de la inducción ymotores síncronos de tres fases. Ya que la inductancia y la capacitanciatienden a anularse entre sí, cuando la carga del circuito tiene mayorreactancia inductiva que la potencia suministrada para una tensión y corrientedeterminadas es menor que si las dos son iguales. Como las pérdidas en las líneasde transmisión son proporcionales a la intensidad de corriente, se aumenta lacapacitancia para que el factor de potencia tenga un valor lo más cercanoposible a 1. Por esta razón se suelen instalar grandes condensadores en lossistemas de transmisión de electricidad.

 

Transformadores

 

Untransformador logra cambiar facilmente el voltaje de la corriente alterna. Untransformador es simple, no tiene partes mecánicas que se muevan y puede sermuy eficiente.

Eltransformador consta de un núcleo de hierro por el cual van enrolladas bobinasseparadas. Cuando conectamos una de las bobinas a una bateria, se crean líneasmagnéticas que van por el núcleo de hierro hacia la otra bobina. El cambio deflujo magnético inducirá una fem en la segunda bobina, la que durará sólo eltiempo que esté cambiando el campo. Si abrimos el circuito, desaparece elcampo. Se inducirá entonces una fuerza contraelectromotriz. Si conectamos laprimera bobina a una fuente de corriente alterna, la corriente que pasa por labobina se invertirá repetidas veces, dependiendo de la frecuencia de lacorriente alterna; las líneas magnéticas serán obligadas a pasar por lasegunda bobina repetidas veces repetidas veces. En las bobinas se producira unafem. ¿Pero de qué magnitud en cada una?

Segúnla cantidad de vueltas de las dos bobinas se determinará que tipo detransformador es el que tenenmos entre nuestras manos. Un transformador dondelas bobinas de salida tienen más vueltas que las bobinas de entrada, se llamatransformador elevador. Un transformador donde las bobinas de salida tienenmenos vueltas, se llama transformador reductor.

Segúnel principio de inducción electromagnética, las fuerzas electromotrices de lasdos bobinas son:

 

E1= - N1(DÆ/Dt)1

 

E2= - N2(DÆ/Dt)2

 

Siel núcleo de hierro está bien diseñado todas las líneas magnéticasproducidas por el primario pasarán por el secundario. Por consiguiente (DÆ/Dt)1será igual que (DÆ/Dt)2.Dividiendo miembro a miembro las dos ecuaciones anteriores tenemos:

 

E1= N1

E2   N2

 

Untransformador no puede crear corriente; por consiguiente, la potencia de lasalida no puede ser mayor que la potencia de entrada. Si un transformadoraumenta el voltaje, la corriente debe disminuir en la misma relación.

 

 

(I1)ef= N2

(I2)ef   N1

 

Transformadoresde potencia

 

Songrandes dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte deelectricidad y en pequeñas unidades electrónica. Los transformadores depotencia industriales y domésticos, pueden ser monofásicos o trifásicos y estándiseñados para trabajar con voltajes y corrientes elevados. Para que eltransporte de energía resulte rentable es necesario que en la planta productorade electricidad un transformador eleve los voltajes, reduciendo con ello laintensidad. Para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia seutilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En elextremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentandola intensidad, y adaptan la corriente a los nivele. Los transformadores depotencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible deenergía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas deeficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizandoaleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidosentre las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% dela potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo quehace necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores depotencia convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de uncircuito de refrigeración que contiene. El aceite circula por el transformadory disipa el calor mediante radiadores exteriores.

 

Electrónica

 

Enel campo de la electrónica se suelen utilizar con más frecuenciatransformadores con capacidades de alrededor de 1 kilovatio antes de losrectificadores, que a su vez proporcionan corriente continua (CC) al equipo.Estos transformadores electrónicos de energía se fabrican normalmente conbloques de láminas de aleación de acero, llamadas laminaciones, alrededor delas cuales se instalan las bobinas de hilo de cobre. Los transformadores aniveles de entre 1 y 100 vatios se usan principalmente como transformadoresreductores, para acoplar circuitos electrónicos a los altavoces de equipos deradio, televisión y alta fidelidad. Conocidos como transformadores de audio,estos dispositivos utilizan sólo una pequeña fracción de su potencia nominalpara la producción de señales en las frecuencias audibles, con un nivel dedistorsión mínimo. Los transformadores se valoran según su capacidad dereproducción de frecuencias de ondas audibles (entre 20 Hz y 25 KHz) condistorsiones mínimas a lo largo de todo el espectro de sonido.

Aniveles de potencia por debajo de un milivatio, los transformadores se utilizansobre todo para acoplar frecuencias extremadamente elevadas (UHF), frecuenciasmuy altas (VHF), frecuencias de radio (RF) y frecuencias intermedias (IF), asícomo para aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operanpor lo general en circuitos en los que se utiliza la sintonización paraeliminar ruidos eléctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fueradel rango de transmisión deseado.

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