La corriente alterna
es la forma usada
para el suministro
de electricidad en
la industria y en los
hogares.
Se caracteriza
porque su magnitud
y dirección varían
cíclicamente.
La Corriente Alterna
En la mayoría de las líneas de electricidad se transporta corriente alterna.
Muy poca corriente continua se utiliza para iluminación eléctrica y como fuerza motriz.
Existen muy buenas razones para elegir la corriente alterna en la transmisión de fuerza motriz. Una
de ellas, es que la tensión de corriente alterna puede elevarse o disminuirse con facilidad y con
pérdidas despreciables de potencia mediante el transformador, mientras que las tensiones de
corriente continua no se pueden modificar sin una pérdida considerable de potencia.
Este factor reviste gran importancia en la transmisión de la energía eléctrica ya que grandes
cantidades de fuerza motriz deben transportarse a voltajes muy altos.
En la planta electromotriz, el voltaje es elevado por los transformadores a tensiones muy altas,
que se envían a las líneas de transmisión. Luego en el otro extremo de la línea, otros
transformadores se encargan de reducir la tensión a valores aprovechables para iluminación y
fuerza motriz común.
Los distintos equipos eléctricos exigen tensiones diferentes
para el funcionamiento correcto, tensiones que pueden
obtenerse con facilidad mediante el transformador y una
línea transmisora de corriente alterna. Para obtener esas
tensiones en corriente continua se requeriría un circuito
complejo y poco rendidor.
Ciclos de Corriente Alterna
Se dice que completa un ciclo cuando
la onda de tensión o intensidad de CA
describe un juego completo de valores
positivos y negativos.
Generador elemental de Corriente Alterna
Un generador elemental consiste en una espira
de alambre colocado de manera que se la pueda
hacer girar dentro de un campo magnético
estacionario, para que éste produzca una
corriente inducida en la espira. Para conectar la
espira con un circuito externo y aprovechar la
corriente inducida se utilizan contactos
deslizantes.
Posición
La tensión del generador se denomina “tensión alterna”, puesto que alterna periódicamente entre
positivo y negativo. El flujo de corriente, puesto que varía a medida que varía la tensión, también
tiene que ser alterno. En cuanto a la intensidad, también se le denomina intensidad alterna. La
intensidad alterna siempre está asociada a un voltaje alterno, puesto que la tensión alterna siempre
provocará un flujo alterno de corriente.
Frecuencia de la Corriente Alterna
Cuando la armadura de un generador de CA gira,
cuanto más veloz sea su movimiento de rotación
entre los polos magnéticos, con mayor frecuencia
la corriente se invertirá cada segundo. Por lo tanto
se completan más ciclos por segundo, ya que cada
inversión de corriente cierra medio ciclo de flujo.
La cantidad de ciclos por segundo se denomina
“frecuencia”.
Sinusoide: función seno o la curva
que la representa.
Valor máximo y pico a pico de una sinusoide.
Valor medio de una sinusoide.
A este último valor, se le llama valor eficaz de la primera corriente (la alterna). La tensión o la potencia eficaz, se nombran muchas veces por las letras RMS. O sea, el decir 10 VRMS ó 15 WRMS sifnificarán 10 voltios eficaces ó 15 watios eficaces, respectivamente.
Instrumentos para medir Corriente
Alterna.
Los instrumentos para corriente alterna funcionan en base a
un dispositivo de bobina móvil suspendida en un campo
magnético entre los polos de un imán permanente. El flujo
de corriente en el sentido correcto (polaridad) hace que la
bobina gire, moviendo la aguja sobre la escala. Sin embargo
usted recordará que la inversión de la polaridad hace que la
bobina móvil se vuelva en sentido opuesto, llevando la aguja
más debajo de cero.
Si se hiciera pasar corriente alterna de 60 ciclos por un
dispositivo de bobina móvil, la aguja no podría seguir la
inversión de giro y se dañaría. Además cuando la aguja
pudiera hacer el vaivén con rapidez, la velocidad del vaivén
impediría hacer la lectura.
Voltímetros con rectificador para Corriente Alterna.
Para medir corriente alterna se puede utilizar un dispositivo móvil para corriente continua mediante
el empleo de rectificadores, que sirven para convertir CA en CC. El rectificador sólo permite el flujo
de corriente en un sentido, de manera que al aplicar CA, ésta sólo pasa en la mitad de cada uno de
los ciclos completos.
Instrumento de hierro móvil
Un instrumento que se puede utilizar para medir intensidad y tensión de CA es el dispositivo de
hierro móvil; que funciona en base al principio de repulsión magnética entre polos iguales.
• La corriente a medir pasa por una bobina que produce un campo magnético que es directamente
proporcional a la intensidad de corriente.
• Dentro de este campo hay suspendidos dos armazones de hierro, uno fijo en una posición
determinada y otro móvil, en el cual está montada la aguja del instrumento.
• El campo magnético imana estos armazones de hierro con igual polaridad, cualquiera sea el
sentido del flujo de la corriente en la bobina.
• Dado que los polos iguales se repelen, el armazón móvil se aleja del fijo desplazando la aguja del
instrumento. Este movimiento ejerce una fuerza de rotación sobre el resorte.
• La distancia que el armazón se desplazará venciendo la fuerza del resorte, dependerá de la
potencia del campo magnético, la cual depende a la vez de la corriente en la bobina.
Los instrumentos de hierro móvil, pueden
utilizarse como:
• Voltímetro, en cuyo caso la bobina consiste
en varias vueltas de alambre delgado que
produce un fuerte campo magnético con un
pequeño flujo de corriente. • Amperímetros, en cuyo caso tienen una
bobina de alambre de mayor calibre pero con
menos vueltas y dependen de una corriente
mayor para generar un campo fuerte.
Estos instrumentos están calibrados para una
frecuencia determinada, pero se pueden
utilizar con otras. También se los puede
utilizar para medir intensidad y voltaje de
corriente continua.
Electrodinámicos
El instrumento electrodinámico está basado en el
mismo principio que la bobina móvil del
instrumento para corriente continua, excepto que
el imán permanente es reemplazado por bobinas
fijas. Consta de una bobina móvil, en la cual está
montada la aguja indicadora, suspendida entre
dos bobinas de campo conectadas en serie con
ella; las tres bobinas están conectadas en serie con
los terminales del instrumento, de manera que
por las tres circula la misma corriente.
Como la inversión de la corriente no invierte la
fuerza de rotación, este instrumento también se
puede usar en corriente continua.
Resistencia de los Circuitos de
Corriente Alterna
Muchos circuitos de CA consisten en resistencias, solamente. Para ellos rigen las mismas normas y
leyes que para los de corriente continua. Al aplicar estas mismas normas y leyes del circuito se
deberá basar en los valores eficaces de tensión e intensidad de la CA.
Cuando se aplica tensión
a una resistencia, el
voltaje aumenta al
máximo en una polaridad,
disminuye a cero,
aumenta al máximo en la
polaridad contraria y
nuevamente vuelve a
cero, completando un
ciclo de voltaje.
El ciclo de corriente coincide exactamente con la tensión: cuando ésta aumenta, la intensidad
aumenta también; cuando la tensión disminuye, la intensidad también disminuye y, en el
momento en que el voltaje cambia de polaridad, el flujo de corriente invierte su sentido.
Potencia.
P = V * I
donde P = Potencia
V = Tensión
I = Corriente
La potencia consumida en un circuito de CA constituye el promedio de todos los valores
instantáneos de potencia o de efecto de calentamiento para el ciclo completo.
Para determinar la potencia, todos los valores instantáneos de tensión e intensidad se multiplican
entre sí para hallar los valores instantáneos de potencia, que entonces se esquematizan con el
tiempo correspondiente formando la curva de potencia. El promedio de esta curva de potencia es la
potencia real que se utiliza en el circuito.
Para ondas de tensión e intensidad “en fase” todas las potencias instantáneas están por encima del
eje cero y la curva correspondiente está integrada arriba de dicho eje.
Esto se debe a que si se multiplican dos valores positivos, el resultado es positivo, lo mismo que si se
multiplican dos valores negativos, el resultado también es positivo; sin olvidar que cuando se
multiplican dos valores menores que uno el resultado es menor que cualquiera los dos valores; tal
como se ve en la curva.
Factor de Potencia.
Cuando Ief y Eef están en fase el producto de la potencia se denomina watts, igual que en los
circuitos de CC. Cuando no están en fase, se lo denomina “volt-amperes”.
La relación entre la potencia en watts y los volt-amperes de un circuito se denomina “factor de
potencia”.
Inductancia de los Circuitos de
Corriente Alterna.
F.E.M de Autoinducción
La inductancia existe en un circuito porque la corriente eléctrica siempre produce un campo
magnético. Las líneas de fuerza de este campo rodean al conductor que transporta la corriente,
formando círculos concéntricos a su alrededor. La fuerza del campo magnético depende de la
cantidad de flujo de corriente, puesto que un flujo grande produce muchas líneas de fuerza mientras
que un flujo pequeño sólo produce unas pocas.
El flujo de corriente I, a través de un conductor, produce un campo magnético.
Si el flujo de corriente es pequeño, el campo magnético será pequeño.
=> La intensidad de la corriente determina la fuerza del campo magnético.
Cuando la intensidad de corriente
del circuito aumenta o disminuye,
la fuerza del campo magnético
aumenta o disminuye en el mismo
sentido.
Cuando la fuerza del campo
aumenta, las líneas de fuerza
aumentan en cantidad y se van
extendiendo hacia afuera desde el
centro del conductor. Del mismo
modo, cuando la fuerza del campo
magnético disminuye, las líneas del
campo magnético se contraen
hacia el centro del conductor.
Es esta expansión y contracción del campo magnético, según varía la intensidad de la corriente, la
que provoca una f.e.m autoinducida cuyo efecto se conoce como “inductancia”.
La inductancia cuyo símbolo es se indica con la letra L.
Dado que la CC tiene normalmente un valor constante, salvo cuando se inicia o se interrumpe el
flujo de corriente, la inductancia sólo afecta el flujo de CC en esos momentos y, por lo general, su
efecto en el funcionamiento del circuito es muy escaso.
La CA, en cambio, está variando
constantemente. Por esta razón,
la inductancia afecta al flujo de
CA en todo momento. Aunque
todos los circuitos tienen alguna
inductancia, su valor depende de
la forma en que está construido el
circuito y de los dispositivos
eléctricos que intervengan en él.
En algunos circuitos la inductancia
es tan pequeña que su efecto es
prácticamente nulo hasta para CA.
Factores que afectan la inductancia
• Un núcleo de hierro inserto en el centro de una bobina hace aumentar la inductancia ya que ofrece
a las líneas de campo un camino mejor que el aire. • La inductancia también es afectada por otros factores como ser el número de espiras, la distancia
entre espiras, el espacio entre espiras, el diámetro de la bobina y la sección del conductor.
Inducción mutua
El término “inducción mutua” hace referencia al
canje de energía de un circuito al otro.
La bobina A obtiene energía de la batería
cuando se cierra el circuito y se crea un campo
magnético en la bobina A; entonces cuando el
campo magnético de la bobina A está en
expansión, atraviesa la bobina B induciendo una
f.e.m en la bobina B.
El medidor del instrumento experimenta una
desviación y muestra que por el circuito está
pasando una corriente cuyo origen es la f.e.m
inducida.
¿Cómo funciona un transformador?
El transformador simple consiste en dos bobinas
muy cerca entre sí, pero aisladas eléctricamente
una de otra. La bobina a la cual se le aplica CA se
llama “primario”. Esta genera un campo
magnético que atraviesa el arrollamiento de otra
bobina a la cual se llama “secundario” y produce
en ella una tensión. Las bobinas no están
conectadas una con otra. Sin embargo, existe
entre ambas un acoplamiento magnético porque
en el transformador se transfiere potencia
eléctrica de una bobina a la otra mediante un
campo magnético alternativo.
La capacidad de los transformadores
se expresa en kVA porque es
independiente del factor de potencia.
El transformador reductor es
aquel que reduce el voltaje. El
transformador elevador, en cambio, lo
eleva.
Potencia en Circuitos Inductivos
En un circuito teórico que sólo tuviese inductancia pura, la intensidad sufre un retardo de 90° con
respecto a la tensión. Para determinar la onda de potencia de un circuito así, se multiplican todos los
valores instantáneos de tensión y corriente para formar la curva de potencia.
En este caso cuando se multiplica un número positivo y otro negativo el resultado es un número
negativo; por lo tanto se halla que en este circuito hipotético de inductancia pura, la mitad de los
valores son negativos. Por lo tanto para este circuito el eje de la tensión y la intensidad es también el
eje de la potencia.
La frecuencia de la onda de potencia es doble
que la de las ondas de intensidad y tensión. La porción de potencia que está por
encima de cero, se llama “positiva” y
representa la energía aportada al circuito
por la fuente de potencia; la que está por
debajo de cero se llama “negativa”
y representa energía que el circuito
devuelve a la fuente de potencia.
En el circuito inductivo puro, la potencia suministrada al circuito da lugar a la formación de un
campo. Cuando este campo se contrae, devuelve una cantidad de energía igual a la fuente de
potencia.
La potencia real consumida en un circuito se determina restando la potencia negativa de la potencia
positiva.
Potencia aparente o verdadera
Todo circuito práctico contiene cierta resistencia, y, puesto que el ángulo de fase depende de la
relación entre la reactancia inductiva y la resistencia, siempre es menor de 90°.
Nota
Para ángulos de fase menores de 90° la cantidad de potencia positiva siempre es superior a
la potencia negativa, representando la diferencia entre ambas la potencia verdadera que se
utiliza para superar la resistencia de un circuito.
Factor de potencia.
En el circuito inductivo hay ángulo de fase y la potencia en watts no es igual a la potencia aparente;
en consecuencia, el factor de potencia estará comprendido entre cero y 100%.
El factor de potencia sirve para determinar el porcentaje de potencia que se aprovecha en watts y el
porcentaje que es devuelto a la fuente en forma de potencia devatiada.
El factor de potencia de un circuito inductivo puro es igual al cero por ciento y su ángulo de fase es
de 90°.
Capacitancia o Reactancia Capacitiva
de los Circuitos de Corriente Alterna.
La reactancia capacitiva es la oposición al flujo de corriente que ofrece la capacidad de un circuito.
Cuando se utiliza una fuente de CC, sólo circula corriente para cargar o descargar al capacitor. Dado
que en el circuito capacitivo de CC no hay flujo continuo, la reactancia capacitiva se considera
infinita.
En general, la tensión de CC varía únicamente cuando se cierra o se abre un circuito, por lo tanto la
capacitancia sólo afecta al circuito CC en esos momentos.
En los circuitos de CA, en cambio, el voltaje está variando continuamente, de manera que el efecto
de la capacitancia es continuo en ellos. La cantidad de capacitancia presente en un circuito depende
de la forma en que está construido y de los dispositivos eléctricos que intervienen en él. La
capacitancia puede ser tan pequeña que su efecto sobre el voltaje del circuito sea desdeñable.
La CA, en cambio, varía
continuamente de valor y
polaridad por lo cual el
capacitor siempre se está
cargando y descargando, dando
como resultado un flujo
continuo de corriente por el
circuito y un valor finito de
reactancia capacitiva.
Cuando el voltaje se mantiene
constante el capacitor se
comporta como si no estuviera.
La capacidad se opone a cualquier cambio en la
tensión de un circuito.
Cuando el voltaje
aumenta, la capacidad
trata de impedirlo.
Cuando el voltaje
disminuye, la capacidad
trata de sostenerlo.
Los circuitos eléctricos que se utilizan para agregar
capacitancia se denominan “condensadores” o “capacitores” y el símbolo es:
Constante de tiempo capacitiva
Cuando se aplica tensión en los terminales de un circuito que contiene capacitancia, el voltaje
en el condensador no iguala instantáneamente la tensión aplicada a los terminales.
Para que las placas del condensador adquieran carga completa se requiere cierto tiempo. La
tensión entre las placas aumenta hasta igualar el voltaje aplicado, describiendo una curva
similar a la curva de intensidad de corriente de un circuito inductivo.
Cuando mayor sea la resistencia del circuito, mayor será el tiempo necesario para que el
condensador alcance su tensión máxima, por cuanto la resistencia del circuito se opone al
flujo de corriente necesario para cargar el condensador.
El tiempo necesario para que el condensador se cargue depende del producto de la
resistencia por la capacidad. Este producto RC, o sea resistencia multiplicada por capacidad,
es la “constante de tiempo” de un circuito capacitivo.
La constante de tiempo RC es igual al tiempo en
segundos necesario para descargar el condensador hasta
que pierda el 63,2 % de su carga completa.
La puesta a tierra es una unión de todos los elementos metálicos que mediante cables de sección suficiente entre las partes de una instalación y un conjunto de electrodos, permite la desviación de corrientes
de falla o de las descargas de tipo atmosférico, y consigue que no se
pueda dar una diferencia de potencial peligrosa en los edificios,
instalaciones y superficie próxima al terreno.
Cualquier contacto directo o por humedades, en el interior del
aparato eléctrico, que alcance sus partes metálicas con conexión a la
toma a tierra encontrará por ella un camino de poca resistencia, evitando pasar al suelo a través del cuerpo del usuario que accidentalmente pueda tocar el aparato.
En las líneas de alta tensión de la red de transporte de energía eléctrica
el hilo de tierra se coloca en la parte superior de las torres de apoyo
de los conductores y conectado eléctricamente a la estructura de éstas,
que, a su vez, están dotadas de una toma de tierra como la descrita
anteriormente. En este caso el hilo de tierra cubre una doble función:
por una parte protege a las personas de una derivación accidental de los
conductores de alta tensión, y por otra, al encontrarse más alto que
los citados conductores, actúan como pararrayos,
protegiendo al conjunto de las descargas atmosféricas, que de esta
forma son derivadas a tierra causando el mínimo daño posible a las
instalaciones eléctricas.
Para hacer la conexión de este potencial de tierra a un circuito eléctrico se usa un electrodo de tierra, que puede ser algo tan simple como una barra metálica (usualmente de cobre) anclada al suelo, a veces humedecida para una mejor conducción.
La definición clásica de masa (en inglés de Estados Unidos ground de donde viene la abreviación GND, earth
en inglés de Reino Unido) es un punto que servirá como referencia de
tensiones en un circuito (0 voltios). El problema de la anterior
definición es que, en la práctica, esta tensión varía de un punto a
otro, es decir, debido a la resistencia de los cables y a la corriente que pasa por ellos, habrá una diferencia de tensión entre un punto y otro cualquiera de un mismo cable.
En la mayoría de las aplicaciones la masa del equipo o sea el chasis,
el soporte de los circuitos así como el valor 0 voltios deben, en
principio, ir conectados a tierra. Por lo que muchas veces cuando se
dice conexión a masa también significa conexión a tierra. En otras pocas
ocasiones la masa y la tierra en un circuito no tienen porque tener la
misma tensión. Incluso la forma de onda de la masa respecto a la tierra
puede ser variable, como ocurre en un convertidor Buck.
