LA CORRIENTE ALTERNA

Anteriormente se describió a la corriente como el movimiento de electrones libres a lo largo de un conductor conectado a un circuito en el que hay una diferencia de potencial. La corriente fluye en tanto exista una diferencia de potencial. Si la polaridad de la diferencia de potencial no varía, la corriente siempre fluirá en una dirección y se llama corriente directa o continua, o simplemente c-c. La corriente continua y los circuitos de c-c se han descrito detalladamente en el volumen 2.

Existe un tipo de corriente eléctrica que no siempre fluye en la misma dirección, sino que alterna y fluye primero hacia una dirección y luego se invierte y fluye hacia la otra. A este tipo de corriente se le llama corriente alterna o c-a.

En todo circuito la corriente fluye de la terminal negativa de la fuente hacia la terminal positiva, por tanto es obvio que para haber flujo de corriente alterna la polaridad de la fuente debe alternar o cambiar de dirección. Las fuentes que pueden hacer esto se llaman fuentes de poten­cia de c-a. Los circuitos alimentados Por fuentes de energía de c-a y que, por lo tanto, tienen corriente alterna, se llaman circuitos de c-a. En forma similar, la potencia consumida en un circuito de c-a es potencia de c-a.

Cuando se inicia el estudio de la corriente alterna, cabe preguntarse si tiene alguna aplicación práctica. Puesto que invierte su dirección, pu­diera parecer que cuanto hiciera al fluir en una dirección, lo desharía al invertirse y fluir en la dirección opuesta. Sin embargo, esto no sucede.

En un circuito, los electrones mismos no efectúan trabajo útil. Lo que importa es el efecto que producen las cargas a través de las cuales fluyen. Este efecto es el mismo, independientemente de la dirección que tenga la corriente. Por ejemplo, cuando fluye corriente a través de una resistencia, siempre se produce calor, sin importar que la corriente fluya siempre en una dirección o siempre en la dirección contraria, o bien, por momentos en una dirección y por momentos en la otra.

PORQUE SE UTILIZA LA CORRIENTE ALTERNA

Las primeras fuentes de energía eléctrica que usaron ampliamente proporcionaban corriente directa. Pero, mientras mejor se conocían las carac­terísticas de la corriente alterna, ésta fue sustituyendo a la corriente directa como la forma de energía más usada en el mundo. Actualmente, de toda la energía que se consume en el mundo, cerca del 90% es de corriente alterna. En Estados Unidos este porcentaje es aún mayor. Es cierto que aun allí hay colonias en las ciudades más antiguas en donde todavía se usa energía eléctrica de c-c; sin embargo, también en estas colonias se está cambiando gradualmente a c-a.

¿ Cuáles son las razones de este cambio? ¿ Por qué es nueve veces mayor el consumo de energía de c-a que de c-c? Básicamente, hay dos razones para esto. Una de ellas es que, por lo general, la c-a Sirve para las mismas aplicaciones que la c-c y, además, es más fácil y barato transmitir c-a desde el punto donde se produce hasta el punto donde se consumirá. La segunda razón para el amplio uso de la c-a es que con ella se pueden hacer ciertas cosas y sirve para ciertas aplicaciones en las cuales la c-c no es adecuada.

No debe pensarse que se dejará de usar la c-c y que toda la electricidad utilizada será de c-a. Hay muchas aplicaciones en donde sólo la c-c puede efectuar la función deseada, especialmente en el interior de equipo eléctrico.

TRANSMISIÓN DE POTENCIA ELÉCTRICA

DE CORRIENTE ALTERNA

En un circuito eléctrico ideal, toda la energía producida por la fuente, la carga la convertirá en alguna forma útil, por ejemplo luz o calor. Sin embargo, en la práctica, es imposible construir un circuito ideal. Parte de la energía que procede de la fuente se consume en los conductores de interconexión del circuito y parte se consume dentro de la misma fuente de potencia. Este consumo de energía fuera de la carga es energía des­perdiciada o potencia desperdiciada, por lo que su valor debe mante­nerse al mínimo posible. La mayor parte de estas pérdidas de potencia son en forma de calor generado cuando la corriente del circuito fluye a través de la resistencia en el alambrado y la resistencia interna de la fuente.

Según lo estudiado en el volumen 2, se recordará que estas resistencias generalmente son muy bajas y que, en consecuencia, las pérdidas de po­tencia serán muy pequeñas. No obstante, la excepción importante a esto ocurre cuando el alambrado entre la fuente y la carga es muy largo, corno en el caso de la transmisión de potencia eléctrica desde las estaciones ge­neradoras hasta los usuarios Estas líneas de fuerza eléctrica con las que el lector seguramente está familiarizado, pueden tener longitudes de cientos de kilómetros. Aun un alambre de cobre de gran diámetro, cuya resistencia es muy baja. Tiene una resistencia total considerable cuando se trata de cientos de kilómetros. Podría usarse el alambre de plata, que tiene la resistencia más baja de todas, pero esto no reduciría sustancialmente la resistencia total y su costo sería excesivo.

¿Cómo pueden entonces, transmitirse grandes cantidades de potencia eléctrica a través de grandes distancias sin grandes pérdidas en las lí­neas de transmisión? Esto no se puede hacer con c-c. Sin embargo, es relativamente fácil lograrlo con c-a.

PERDIDAS DE POTENCIA POR TRANSMISIÓN

DE CORRIENTE ALTERNA

Al transmitirse energía eléctrica, una parte de ésta se convierte en calor a lo largo de la línea de transmisión. De lo estudiado en el volumen 2 se recordará que esta pérdida en forma de calor es directamente propor­cional a la resistencia y al cuadrado de la corriente. Esto se puede apreciar en la siguiente fórmula para pérdida de potencia:

P=12R

Así, las pérdidas en forma de calor o de potencia (P) se pueden re­ducir si se baja la corriente (1) que lleve la línea de transmisión o la resistencia (R) del conductor, o bien, ambas. Sin embargo, la resistencia tiene mucho menos efecto en la pérdida de potencia que la corriente, ya que la corriente está elevada al cuadrado.

Si se duplicara la resistencia, las pérdidas de potencia serian cl doble. pero si se duplica la corriente, las pérdidas de potencia se cuadruplican. Así que la mejor manera de reducir las pérdidas de potencias es reducir la corriente Sin embargo, los usuarios de energía eléctrica necesitan tener, grandes corrientes al final de la línea de transmisión. Por lo tanto, lo más conveniente es un método por el cual se transmitan bajas corrientes por las líneas de transmisión, pero se pueden obtener altas corrientes al final de la línea. Esto es posible con potencia producida por c-a. En las líneas se envían corrientes relativamente bajas y, cuando llegan al punto corle debe consumirse. Se convierten en corrientes elevadas.

TRANSMISIÓN DE POTENCIA DE CORRIENTE ALTERNA

Tal vez parezca raro que se pueda transmitir potencia eléctrica con baja corriente en la línea de transmisión y, en cambio, obtener potencia con alta corriente al final de la línea. Para comprender esto debe tenerse presente la relación que hay entre potencia eléctrica, tensión y comente, según la siguiente ecuación:

P=EI

Se concluye eléctrica (P) Por ejemplo, Sión de 100 de 200 volts, 1,000 volts y de esta ecuación que puede producirse la misma potencia con muchas combinaciones de comente (1) y tensión (E). puede obtenerse una potencia de 1,000 watts con una ten­volts y una corriente de 10 amperes, o con una tensión y una corriente de 5 amperes, o bien, con una tensión de una corriente de un ampere.

Por lo tanto, hay muchas maneras de obtener una potencia de un millón de watts en una línea de transmisión; por ejemplo, puede obte­nerse con una tensión de 1,000 volts y, en este caso, la corriente sería de 1,000 amperes y muy grandes las pérdidas de potencia en la línea. También puede obtenerse esa misma potencia con una tensión de 100,000 volts y una corriente de sólo 10 amperes y las pérdidas de potencia serian mucho menores. Al final de la línea de transmisión, la combinación de tensión y corriente se puede convertir a cualquier otra combinación de tensión y corriente que produzca un total de un millón de watts.

Los dispositivos que se utilizan para convertir potencia de c-a de una combinación de valores de tensión y corriente a otra se llaman transformadores y se estudiarán más adelante en este mismo volumen.

LA FUENTE DE ENERGIA DE CORRIENTE ALTERNA

El objeto de cualquier fuente de potencia es producir una tensión o diferencia de potencial entre sus terminales de salida y mantener esta tensión cuando el circuito se cierra y fluye corriente. En fuentes de potencia de c-c, la polaridad de la tensión de salida nunca cambia. Una terminal es siempre negativa y la otra es siempre positiva. Por lo tanto, la corriente del circuito siempre tiene la misma dirección; sale de la terminal negativa de la fuente y regresa al polo positivo de la misma, después de haber pasado por la carga. Por otra parte, las fuentes de c-a cambian de polaridad constantemente. En determinado momento, una terminal es negativa y la otra positiva. Un instante más tarde, la terminal negativa se vuelve positiva y la positiva se vuelve negativa. Estas inversiones de polaridad son continuas y cada vez que suceden, la corriente del circuito cambia de dirección, ya que debe fluir siempre de la ter­minal negativa hacia la positiva.

Las fuentes de energía de c-a se llaman generadores de c-a o alter­nadores.

GENERADORES DE CORRIENTE ALTERNA (ALTERNADORES)

Como se decía antes, un generador simple sin conmutador producirá una corriente eléctrica que cambia de sentido a medida que gira la armadura. Este tipo de corriente alterna es ventajosa para la transmisión de potencia eléctrica, por lo que la mayoría de los generadores eléctricos son de este tipo. En su forma más simple, un generador de corriente alterna se diferencia de uno de corriente continua en sólo dos aspectos: los extremos de la bobina de su armadura están sacados a los anillos colectores sólidos sin segmentos del árbol del generador en lugar de los conmutadores, y las bobinas de campo se excitan mediante una fuente externa de corriente continua más que con el generador en sí. Los dos polos. La frecuencia de la corriente que suministra un generador de corriente alterna es igual a la mitad del producto del número de polos por el número de revoluciones por segundo de la armadura.

A veces, es preferible generar un voltaje tan alto como sea posible. Las armaduras rotatorias no son prácticas en este tipo de aplicaciones, debido a que pueden producirse chispas entre las escobillas y los anillos colectores, y a que pueden producirse fallos mecánicos que podrían causar cortocircuitos. Por tanto, los alternadores se construyen con una armadura fija en la que gira un rotor compuesto de un número de imanes de campo. El principio de funcionamiento es el mismo que el del generador de corriente alterna descrito con anterioridad, excepto en que el campo magnético (en lugar de los conductores de la armadura) está en movimiento.

tres bobinas La corriente que se genera mediante los alternadores descritos más arriba aumenta hasta un pico, cae hasta cero, desciende hasta un pico negativo y sube otra vez a cero varias veces por segundo, dependiendo de la frecuencia para la que esté diseñada la máquina. Este tipo de corriente se conoce como corriente alterna monofásica. Sin embargo, si la armadura la componen dos bobinas, montadas a 90º una de otra, y con conexiones externas separadas, se producirán dos ondas de corriente, una de las cuales estará en su máximo cuando la otra sea cero. Este tipo de corriente se denomina corriente alterna bifásica. Si se agrupan de armadura en ángulos de 120º, se producirá corriente en forma de onda triple, conocida como corriente alterna trifásica. Se puede obtener un número mayor de fases incrementando el número de bobinas en la armadura, pero en la práctica de la ingeniería eléctrica moderna se usa sobre todo la corriente alterna trifásica, con el alternador trifásico, que es la máquina dinamoeléctrica que se emplea normalmente para generar potencia eléctrica

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Se diseñan dos tipos básicos de motores para funcionar con corriente alterna polifásica: los motores síncronos y los motores de inducción. El motor síncrono es en esencia un alternador trifásico que funciona a la inversa. Los imanes del campo se montan sobre un rotor y se excitan mediante corriente continua, y las bobinas de la armadura están divididas en tres partes y alimentadas con corriente alterna trifásica. La variación de las tres ondas de corriente en la armadura provoca una reacción magnética variable con los polos de los imanes del campo, y hace que el campo gire a una velocidad constante, que se determina por la frecuencia de la corriente en la línea de potencia de corriente alterna.

La velocidad constante de un motor síncrono es ventajosa en ciertos aparatos. Sin embargo, no puede utilizarse este tipo de motores en aplicaciones en las que la carga mecánica sobre el motor llega a ser muy grande, ya que si el motor reduce su velocidad cuando está bajo carga puede quedar fuera de fase con la frecuencia de la corriente y llegar a pararse. Los motores síncronos pueden funcionar con una fuente de potencia monofásica mediante la inclusión de los elementos de circuito adecuados para conseguir un campo magnético rotatorio.

El más simple de todos los tipos de motores eléctricos es el motor de inducción de caja de ardilla que se usa con alimentación trifásica. La armadura de este tipo de motor consiste en tres bobinas fijas y es similar a la del motor síncrono. El elemento rotatorio consiste en un núcleo, en el que se incluye una serie de conductores de gran capacidad colocados en círculo alrededor del árbol y paralelos a él. Cuando no tienen núcleo, los conductores del rotor se parecen en su forma a las jaulas cilíndricas que se usaban para las ardillas. El flujo de la corriente trifásica dentro de las bobinas de la armadura fija genera un campo magnético rotatorio, y éste induce una corriente en los conductores de la jaula. La reacción magnética entre el campo rotatorio y los conductores del rotor que transportan la corriente hace que éste gire. Si el rotor da vueltas exactamente a la misma velocidad que el campo magnético, no habrá en él corrientes inducidas, y, por tanto, el rotor no debería girar a una velocidad síncrona. En funcionamiento, la velocidad de rotación del rotor y la del campo difieren entre sí de un 2 a un 5%. Esta diferencia de velocidad se conoce como caída.

Los motores con rotores del tipo jaula de ardilla se pueden usar con corriente alterna monofásica utilizando varios dispositivos de inductancia y capacitancia, que alteren las características del voltaje monofásico y lo hagan parecido al bifásico. Estos motores se denominan motores multifásicos o motores de condensador (o de capacidad), según los dispositivos que usen. Los motores de jaula de ardilla monofásicos no tienen un par de arranque grande, y se utilizan motores de repulsión-inducción para las aplicaciones en las que se requiere el par. Este tipo de motores pueden ser multifásicos o de condensador, pero disponen de un interruptor manual o automático que permite que fluya la corriente entre las escobillas del conmutador cuando se arranca el motor, y los circuitos cortos de todos los segmentos del conmutador, después de que el motor alcance una velocidad crítica. Los motores de repulsión-inducción se denominan así debido a que su par de arranque depende de la repulsión entre el rotor y el estátor, y su par, mientras está en funcionamiento, depende de la inducción. Los motores de baterías en serie con conmutadores, que funcionan tanto con corriente continua como con corriente alterna, se denominan motores universales. Éstos se fabrican en tamaños pequeños y se utilizan en aparatos domésticos.

UN GENERADOR ELEMENTAL DE

CORRIENTE ALTERNA

Los generadores de c-a combinan el movimiento físico y el magne­tismo para producir una tensión de c-a. En el volumen 1 se vio que si se mueve un conductor a través de un campo magnético, de tal manera que atraviese las líneas de flujo se ejerce una fuerza sobre los electrones libres y los hace moverse. Puesto que dicha fuerza produce flujo de corriente, puede considerarse como Una fem o como una tensión. Este es el principio básico según el cual funcionan los generadores de c-a.

El tipo más sencillo de generador c-a se ilustra en la figura. Consta de una sola espira de alambre que se coloca entre los polos de un imán permanente y se le hace girar. Al hacerlo, atraviesa las líneas de fuerza magnéticas; entonces se dice que las corta y se origina una tensión. En la práctica, la espira realmente está formada por una serie de espiras dentro de un rotor o una armadura

La tensión se origina entre los dos extremos de la espira y se usan anillos deslizantes y carbones para aplicar la tensión a un circuito externo. Los anillos deslizantes están pulidos y hechos de material conductor. Se conecta un anillo a cada uno de los extremos de la espira y ambos anillos giran al mismo tiempo que la espira. Así la tensión de salida del ge­nerador se produce entre los dos anillos deslizantes. Las escobillas o car­bones están en contacto con los anillos deslizantes, una con cada uno de ellos. Los carbones no se mueven sino que permanecen en contacto con los anillos deslizantes y frotan su superficie al girar éstos. De esta manera, la tensión de salida del generador ocurre entre los carbones y se puede aplicar fácilmente a un circuito. Se puede apreciar, de acuerdo con la descripción, que debe contarse con algo que haga girar la espira para que el generador funcione. Este “algo”, puede ser agua corriente, un motor de gasolina, vapor originado por combustión de carbón o aun vapor producido por un reactor nuclear.

FORMAS DE ONDA DE CORRIENTE ALTERNA

A menudo es muy útil saber cómo cambian la corriente y la tensión al transcurrir el tiempo. La forma más fácil de hacer esto consiste en graficar una forma de onda en papel milimétrico, con lo cual se obtiene una representación gráfica de la corriente y la tensión. Una forma de onda muestra la magnitud y dirección de la corriente o la tensión en cualquier instante. Para graficar una forma de onda, se definen los dos ejes como se ilustra en la figura. Un eje, generalmente el vertical, es el de corriente o de tensión y se grafica con el número adecuado de divi­siones de corriente o tensión. Generalmente, el otro eje es el eje de tiempo, y se divide en unidades adecuadas de tiempo, por ejemplo, segundos. Con los ejes identificados, se puede graficar la corriente o tensión en cada unidad de tiempo, como un punto en la gráfica. Y cuando todos los pun­tos se unen con una línea continua, la figura resultante es la forma de onda.

A veces, cuando se estudian fuentes de potencia de c-a, se desea conocer cómo varía la tensión de un generador al cambiar la posición de la armadura durante su rotación. En este caso, en lugar de marcar el eje horizontal en unidades de tiempo, se dividiría en grados de rotación. Entonces, la forma de onda indicará la magnitud y polaridad de la tensión para cada posición de la armadura.

La polaridad y magnitud de una corriente o una tensión continuas nunca cambian. Por lo tanto, la forma de onda de una tensión continua de 2 volts sería una línea recta.

Una corriente o una tensión alternas cambian tanto en magnitud como en polaridad. Esto puede apreciarse por la forma de onda de una corriente alterna. Cuando la onda está arriba de la línea de corriente cero, la corriente fluye en una dirección, a la que se le llama dirección positiva, en este caso. Cuando la onda está debajo de la línea de corriente cero, como se muestra en color, la corriente ha invertido su sentido y fluye en la dirección opuesta.

LA ONDA SINUSOIDAL

La tensión producida por el generador simple de c-a descrito anteriormente, tiene una forma de onda característica que es importante en el estudio de toda la teoría de circuitos de c-a. Esta forma de onda re­presenta la tensión de salida del generador durante una revolución com­pleta de la armadura. La tensión comienza en cero cuando la armadura no corta líneas magnéticas de fuerza. Al girar la armadura, la tensión aumenta desde cero hasta un valor máximo en una dirección. Luego disminuye otra vez hasta cero. En este punto la tensión cambia de pola­ridad y aumenta hasta que llega a un máximo con esta polaridad opuesta. Luego disminuye nuevamente hasta cero. Entonces, la armadura del generador ha completado una revolución.

En cada revolución que realice la armadura, la tensión variará en esta misma forma. La onda que representa esta variación de tensión en una revolución completa de la armadura, recibe el nombre de onda sinusoidal. Recibe este nombre del hecho de que la tensión generada en cualquier punto del recorrido de la armadura es proporcional al seno del ángulo entre el campo magnético y la dirección de movimiento de la armadura.

SIMETRIA EN LAS FORMAS DE ONDA DE

CORRIENTE ALTERNA

Quizás el lector haya notado en la página anterior que la parte de la onda sinusoidal que queda abajo del eje horizontal tiene la misma forma que la parte de arriba del eje, ambas tienen la misma altura y varían de la misma manera. En otras palabras, si la parte negativa de la onda se hiciese girar con respecto al eje y se hiciera coincidir con la parte positiva, ambas mitades de la onda sedan idénticas. Esta simetría entre las partes positiva y negativa de las ondas es característica de las tensiones y corrientes alternas. Cuando la onda no es simétrica con res­pecto al eje horizontal no se trata de c-a pura. Por lo tanto, la corriente o tensión alternas se pueden definir como aquellas que cambian periódicamente de dirección y que, en ambas direcciones varían exactamente en la misma forma.

Al trabajar con c-a, el lector conocerá bien otras ondas además de la sinusoidal. Dos de las más comunes, con las cuales habrá de familia­rizarse, son la onda cuadrada y la onda diente de sierra.

ONDAS CUADRADAS DE CORRIENTE ALTERNA

Un tipo muy común de onda en la cual la magnitud de la corriente o la tensión no varia continuamente, se llama anda cuadrada. En una onda cuadrada, la corriente o tensión aumenta instantáneamente de cero a un valor máximo. Luego, no varia, sino que se mantiene a este, valor máximo durante un período, después del cual la corriente o la tensión hacen instantáneamente tres cosas: 1) disminuye a cero; 2) invierte su dirección, y 3) aumenta hasta su valor máximo en esta dirección opuesta. Se mantiene en este valor máximo negativo durante un tiempo y luego disminuye instantáneamente a cero. Por lo tanto, la onda está formada de una serie de líneas rectas.

En realidad, la corriente y la tensión no pueden cambiar entre sus valores máximos y cero instantáneamente. Sin embargo, estos cambios se efectúan tan rápidamente que, desde cl punto de vista práctico, se pueden considerar instantáneos. Se observará que esto ocurre con mu­cha frecuencia en el campo de la electricidad. Muchas cosas suceden Con tal rapidez que se pueden considerar, y se les llamará instantáneas, a pesar de que, estrictamente, no lo sean.

ONDAS DIENTE DE SIERRA DE CORRIENTE ALTERNA

Probablemente se ha notado que las ondas reciben sus nombres, según sus formas. Por lo tanto, una onda cuadrada es cuadrada, o posiblemente rectangular, y una onda sinusoidal tiene la forma de curva que repre­senta la variación de un seno trigonométrico. Existe otra onda muy común y, en cuanto se sepa su nombre, probablemente se tendrá una buena idea de su forma A ésta se le llama onda diente de sierra y se asemeja mucho a los dientes de una sierra común.

Para comprender cómo se produce una onda “diente de sierra”, primero se debe saber lo que es un aumento lineal de corriente o tensión. Ya se sabe que un cambio instantáneo en corriente o tensión se repre­senta por medio de una onda, por una línea recta vertical. Por ejemplo, las líneas curvas de una onda sinusoidal, indican que la corriente O la tensión cambian en forma no lineal. Esto significa que en cada incre­mento igual o unidad de tiempo, la corriente o la tensión cambian en una cantidad diferente. Por ejemplo, en el primer segundo, la corriente puede variar de cero a cinco amperes, o aumentar 5 amperes. En el siguiente segundo puede pasar de 5 a 8 amperes; o sea, un aumento de 3 amperes; y en el siguiente segundo puede elevarse a 10 amperes; o sea, aumentar 2 amperes. Por lo tanto, en incrementos iguales, de 1 segundo, la corriente ha tenido aumentos de 5, 3 y 2 amperes. Este es un cambio no lineal de corriente. Para cambiar linealmente, la corriente o la tensión deben variar cantidades iguales en intervalos de tiempo iguales. Esto sig­nifica que en el ejemplo anterior hubiera tenido que pasar de cero a 5 amperes en el primer segundo, de 5 a 10 amperes en el segundo si­guiente y de lo a 15 amperes en el tercer segundo. Su aumento lineal seria de 5 amperes por segundo. En una onda, un cambio lineal de la corriente o la tensión se representa con una recta inclinada.

La onda diente de sierra comienza en cero y aumenta linealmente a su valor máximo, en una dirección. Luego, instantáneamente desciende a cero, invierte su dirección y aumenta a su valor máximo en esta otra dirección. En el instante en que llega a su valor máximo, comienza a disminuir linealmente, nuevamente a cero.

COMPONENTE DE CORRIENTE ALTERNA

La corriente continua fluctuante es similar a la c-c común en que no cambia de dirección. También es similar a la c-a, ya que varia en mag­nitud. Algunos tipos de c-c fluctuante se pueden considerar como com­binaciones de c-a y c-c a menudo se hace esto en circuitos eléctricos reales. Una tensión o una corriente continua se combina con una tensión o una corriente alterna y se produce c-c fluctuante. Cuando esto sucede, la magnitud de la c-c varía en la misma forma que la de la c-c. La variación de c-a se llama componente de c-a y a la c-c se llama nivel de referencia de c-c.

La onda para una tensión o una corriente de este tipo es idéntica a una onda de c-a, excepto porque se encuentra completamente arriba del eje horizontal. La referencia de c-c para este tipo de onda es la línea horizontal que divide a la mitad a la onda de manera que una mitad queda arriba y la otra abajo. Así pues, la componente de c-a varía con respecto a la referencia de c-c.

Por medio de dispositivos llamados transformadores y capacitores se puede separar la componente de c-a de su referencia de c-c y convertirla en tensión o corriente alterna pura que varía con respecto a cero.

FRECUENCIA DE CORRIENTE ALTERNA

En una onda de c-a, la variación de tensión o corriente, por ejemplo, de cero a un máximo y nuevamente a cero, en la dirección positiva; y de cero a máximo y nuevamente a cero, en la dirección negativa, constituye un ciclo completo.

Al número de ciclos generados en un segundo se le conoce como la frecuencia de la tensión o de la corriente y se expresa en ciclos por segundo, o cps. Cuanto mayor sea el número de ciclos producidos en un segundo, más alta es la frecuencia. Esto significa que cuanto más rápi­damente gire la armadura del generador, mayor número de ciclos genera en cada segundo y en consecuencia, la frecuencia de la tensión de salida será más alta. Si el generador simple girara a una velocidad de 10 revo­luciones por segundo, la frecuencia sería de 10 cps; a 100 revoluciones por segundo, la frecuencia sería de 100 cps.

La mayor parte de la potencia eléctrica que se genera en los Estados Unidos tiene una frecuencia de 60 cps. En la mayor parte de los apara­tos eléctricos hay una anotación de que el aparato debe usarse sólo en 60 cps. Estos aparatos están diseñados para esta frecuencia estándar de alimentación y si se conectan a una fuente que tenga una frecuencia diferente, pueden averiarse o bien no trabajar correctamente.

Las frecuencias eléctricas vigentes en otros países varían desde 25 a

125 cps. Por ejemplo, muchos de los países de Europa y Sudamérica emplean energía eléctrica con una frecuencia estándar de 50 cps. En algunos casos especiales —por ejemplo en sistema eléctrico aeronáutico— la frecuencia de la energía eléctrica empleada puede ser de 400 a 1,000 cps.

LONGITUD DE ONDA DE CORRIENTE ALTERNA

Aunque cada uno de los electrones que integran la corriente eléctrica recorren un conductor en forma relativamente lenta, el campo eléctrico o impulso que produce el flujo de corriente, avanza en un conductor aproximadamente a 300,000 kilómetros por segundo. Puesto que la corriente avanza a una velocidad definida, sólo puede recorrer cierta distancia durante determinado tiempo. Y puesto que la frecuencia en realidad es una medida del número de ciclos por determinado tiempo, es posible calcular hasta dónde puede lle­gar la corriente durante un ciclo de tensión alterna. Esta distancia recibe el nombre de longitud de onda y es la distancia que puede recorrer la corriente en el tiempo que requiere la terminación de un ciclo completo de tensión alterna.

En una tensión de 60 cps, por ejemplo, un ciclo tarda un sesentavo de segundo. Y, puesto que la corriente recorre 300,000 kilómetros en un segundo, sólo puede avanzar 5,000 kilómetros. Puesto que la longitud de onda de una tensión alterna depende de su frecuencia y de la velo­cidad con la que el impulso eléctrico recorre el conductor, se puede calcular según la siguiente ecuación:

Longitud de onda = velocidad de la corriente/frecuencia

Por lo que respecta a la electricidad básica la velocidad de la corriente es igual a la velocidad de la luz: 300,000 kilómetros por segundo. Entonces, la ecuación para la longitud de onda será:

Longitud de onda (metros) = 300.000,000/frecuencia

La longitud de onda para un ciclo de una tensión 60 cps será pues de 5.000,000 de metros.

Así, pues, Longitud de onda es sólo otra forma de expresar la frecuencia. La longitud de onda no es muy importante en aplicaciones de potencia eléctrica pero suele tener aplicación en el campo de las comunicaciones.

FASE DE CORRIENTE ALTERNA

La salida de un generador simple de c-a varia en forma de onda sinusoidal. Por lo tanto, si dos de estos generadores se ponen a funcionar, cada uno generará una salida sinusoidal completa después de una revo­lución. Si los generadores se hacen funcionar en el mismo instante y giran exactamente a la misma velocidad, las dos formas de onda comen­zarán y terminarán simultáneamente. También alcanzarán sus valores máximos y pasarán por cero al mismo tiempo. Entonces se dice que las dos formas de onda “coinciden” entre sí y que las tensiones que repre­sentan están en fase. De aquí se concluye que el término fase se usa para indicar la relación de tiempo entre tensiones y corrientes alternas.

El que dos corrientes o tensiones estén en fase no significa que sus magnitudes sean iguales. Las magnitudes máximas se alcanzan al mismo tiempo, pero sus valores pueden ser diferentes.

Aunque generalmente se usa el término fase para comparar la relación de tiempo de dos ondas, también se puede usar para indicar un punto de una onda en determinado instante.

DIFERENCIA DE FASE DE CORRIENTE ALTERNA

Si dos generadores idénticos arrancan al mismo tiempo y giran a la misma velocidad, sus valores máximo y mínimo ocurrirán simultánea­mente, de manera que ambas salidas estarán en fase. Pero si un generador se arranca después del otro, sus valores máximo y mínimo de salida ocurrirán después de los valores correspondientes al otro generador. En el caso que se considera, ambas salidas están de basados, o, dicho de otra manera, existe una diferencia de fase entre ambas salidas. La magnitud de la diferencia de fase depende de cuánto atraso tenga una salida con respecto a la otra.

La diferencia de fase se puede expresar en fracciones de ciclo. Luego. si una salida comienza cuando la otra acaba de completar la mitad de un ciclo, la diferencia de fase es de medio ciclo, sin embargo, la diferencia de fase se mide generalmente en grados para mayor precisión. Y puesto que una onda sinusoidal completa corresponde a 360 grados. una dife­rencia de fase de medio ciclo será una diferencia de fase de 180 grados: una diferencia de fase de un cuarto de ciclo será una diferencia de 90 grados

Los términos adelantado y atrasado se usan para definir las posiciones relativas en el tiempo, de dos tensiones o corrientes que estén fuera de fase. La que está adelante en el tiempo, se dice que está adelantada, en tanto que la otra estará atrasada.

TÉRMINOS RELATIVOS A LA CORRIENTE ALTERNA

El lector ya conoce la mayor parte de los términos que se usan nor­malmente para describir tensiones y corrientes alternas y sus formas de onda. Sin embargo, además de los términos de ciclo, frecuencia, longitud de anda y fase, existen otros términos relativos a la c-a que se usan muy a menudo y que el lector debe conocer. Por ejemplo, a veces a la mitad de un ciclo se le llama alternación.

Otro término es amplitud. La amplitud de una corriente o tensión alterna es el valor máxima que esa corriente o tensión alcanza. Es igual en la dirección positiva que en la negativa. En una onda, la amplitud es la distancia del eje horizontal al punto más alto de la onda sobre el eje, o bien, al punto más bajo, abajo del eje. La amplitud con frecuencia se conoce también como valor pico.

Otro término que debe conocerse es periodo. El período de una magnitud alterna —por ejemplo una tensión o una corriente alterna— es el tiempo que tarda dicha magnitud en efectuar un ciclo completo. Si se conoce la frecuencia, el período se puede calcular con facilidad. Por ejemplo, para una tensión de 60 cps, se generan 60 ciclos en un segundo. Por lo tanto, se requiere 1/60 de segundo para generar un ciclo. Así pues. el período se obtiene dividiendo la unidad entre la frecuencia:

Período = ____1_____

frecuencia

El periodo se indica en segundos y la frecuencia en ciclos por segundo o cps.,

VALORES DE TENSIÓN Y CORRIENTE ALTERNA

Especificar el valor de tensión o corriente continua no es problema, ya que los valores de c-c no cambian. Por otra parte, los valores de c-a, tan­to de tensión como de corriente, varían constantemente, de manera que no es fácil especificarlos. Antes de que se pueda dar el valor de una tensión o corriente alterna, generalmente hay que determinar qué tipo de valor se necesita. Y esto, a su vez, depende de la forma en que se desee emplear el valor. El más obvio probablemente sería el valar pico que, según se ha dicho, es la amplitud o valor máximo de la tensión o la corriente. Otro valor que se usa algunas veces es el valor pico-pico, al cual es el doble del valor pico. En una onda, el valor pico es la distancia vertical del valor máximo positivo al valor máximo negativo.

Ocasionalmente, el valor instantáneo de una tensión o corriente puede ser importante. Este es el valor de un instante determinado según el Instante seleccionado, este valor puede ser cualquiera entre cero y el valor pico.

En la mayor parte de los casos, ninguno de estos valores (pico, pico-pico o instantáneo) son suficientes para dar los valores reales de tensiones y corrientes alternas. En su lugar, generalmente se usan otros dos valores, llamados valor medio y valor efectivo.

VALORES MEDIOS DE CORRIENTE ALTERNA

El valor medio de una tensión o una corriente alternas es el promedio de todos los valores instantáneos durante medio ciclo, o sea, una alternación. Puesto que durante medio ciclo la tensión o la corriente aumen­tan de cero al valor pico y luego disminuyen a cero, el valor promedio debe encontrarse en algún punto entre cero y el valor pico. Para una onda sinusoidal pura, que es la forma de onda más común en los cir­cuitos de c-a, el valor promedio es 0.637 veces el valor pico. Para tensión. esto se expresa mediante la ecuación:

EMED = 0.637 pico

Por ejemplo. si la tensión pico de un circuito es de 100 volts, la tensión media será:

EMED = 0.637 ~ = 0.637 X lOO = 63.7 volts

La ecuación para calcular la corriente media en función de corriente pico es idéntica a la que se dio para el caso de la tensión.

Debe tenerse cuidado de no confundir el valor medio, que es el prome­dio de medio ciclo, con el promedio de un ciclo completo. Puesto que ambos medios ciclos son idénticos, excepto porque uno es positivo y el otro negativo, el promedio sobre un ciclo completo, seria cero.

VALORES EFECTIVOS DE CORRIENTE ALTERNA

Aunque los valores medios de una tensión o una corriente alternas son útiles, no tienen relación con valores correspondientes en c-c. Puede saberse que en un circuito fluye una corriente alterna cuyo valor medio es 10 amperes, pero esto no proporciona información sobre cómo se compararía con 10 amperes de c-c en el mismo circuito. Puesto que muchos equipos eléctricos tienen circuitos tanto de c-a como de c-c, es muy útil si se pueden expresar corrientes y tensiones alternas en valores que se relacionen con c-c. Es posible hacer esto gracias al uso de valores efectivos.

El valor efectivo de una tensión o corriente alterna es el que, en un circuito que sólo contenga resistencia, produce la misma cantidad de calor que la producida por una tensión o corriente continua del mismo valor. Por lo tanto, una corriente alterna cuyo valor eficaz sea de 1 ampere, genera el mismo calor en una resistencia de 10 ohms que una comente directa de 1 ampere. El valor efectivo también se llama raíz cuadrático media, o rom, debido a la forma en que se obtiene: es igual a la raíz cuadrada del valor medio de los cuadrados de todos los valores instantá­neos de corriente o tensión, durante medio ciclo.

En una onda sinusoidal pura, el valor efectivo es 0.707 veces el valor pico. Por lo tanto, las ecuaciones para calcular los valores efectivos de corriente y tensión son las siguientes:

EEF = 0.707pico EEF = 0.707 pico

Por lo tanto, para una tensión pico de 100 volts el valor rcm de una tensión alterna seria 70.7 volts. Esto significa que un resistor conectado a una fuente de c-a de 100 volts, producirá el mismo calor que si se colocara en una fuente de c-c de 70.7 volts.

El valor efectivo se usa para clasificar tensiones y corrientes alternas. La tensión de 110 volts que llega a los hogares es el valor rcm. También lo es la tensión de potencia de 220 volts para usos industriales.

FACTORES DE CONVERSIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

Al trabajar Con circuitos de c-a, a menudo será necesario convertir a otros valores los dados o medidos de tensión o de corriente alterna. Por ejemplo, puede ser necesario convertir un valor medio a un valor pico, o quizá un valor eficaz a valor medio. Para todas las conversiones entre valores pico, medio y efectivo, existen seis ecuaciones básicas que pueden aplicarse. Mediante la ecuación apropiada, es fácil convertir cualquiera de estos valores, a otro.

En algunos casos, puede ser necesario convertir a 0 de valores pico-pico. Para esto es preferible usar las ecuaciones para valor pico y tener presente que el valor pico-pico es lo doble del valor pico y, recíprocamente, que el valor pico es la mitad del valor pico-pico.

CIRCUITOS RESISTIVOS DE CORRIENTE ALTERNA

En un circuito de c-c, la resistencia es la única propiedad que se opone al flujo de la corriente, a que lo reduce. La resistencia también se opone al flujo de la corriente de un circuito de c-a, aunque en este caso no siempre es la única propiedad que lo hace. Posteriormente se verá que los circuitos de c-a tienen otras propiedades que, igual que la resis­tencia, afectan la relación de corriente y tensión en un circuito. Sin embargo, el tipo mds simple de circuito de e-a contiene sólo resistencia. Además, en la misma forma que un circuito de e-e, esta resistencia incluye la resistencia particular de las cargas, la fuente de energía y los con­ductores.

Sin embargo, en la práctica, no hay circuitos de c-a que contengan sólo resistencia. Las demás propiedades que influyen en la tensión y la corriente, siempre están presentes en alguna medida. Sin embargo, cuando sus efectos son muy pequeños comparados con los de la resistencia, se pueden considerar inexistentes. Entonces el circuito es completamente resistivo.

TENSIÓN DE CORRIENTE ALTERNA

Cuando se aplica una tensión alterna a e una resistencia, fluye una corriente alterna a través de la resistencia. La magnitud de la corriente en cualquier instante es directamente proporcional a la magnitud de la tensión en ese instante e inversamente proporcional al valor de la resistencia. Esta es la misma relación que existe entre corriente, tensión y resistencia en un circuito de c-c, de manera que la ley de Ohm también se aplica a los valores instantáneos de corriente - y tensión en un circuito de c-a.

Puesto que los valores medio, eficaz y pico de una corriente y de una tensión alternas se derivan de los valores instantáneos también se les aplica la ley de Ohm. Esto significa que, para determinar resistencias, corrientes y tCflStOflCS en circuitos resistivos de c-a.

INDUCCIONES DE FASE DE CORRIENTE ALTERNA

Puesto que los valores instantáneos de corriente y tensión en un circuito de c-a que contiene sólo resistencia siguen la ley de Ohm, esto significa que en cualquier instante en que la tensión sea cero, la corriente será también cero cuando la tensión es máxima, la corriente también debe ser máxima, puesto que la resistencia es constante. Cuando la tensión se invierte, haciéndose negativa, la corriente también se invierte, debido a que siempre fluye de negativo a positivo. Así, en todo instante la corriente está exactamente en fase con la tensión aplicada.

Por lo tanto, en un circuito resistivo de c-a, la corriente y la tensión están en fase. Esto ocurre no solamente por lo que se refiere a la corriente total del circuito y a la tensión de la fuente, sino que también ocurre en lo que respecta a la tensión y corriente en todas las partes del circuito.

POTENCIA DE CORRIENTE ALTERNA

La potencia consumida en determinado circuito depende de la tensión y la corriente que fluya en éste. Además, puesto que en un circuito pura­mente resistivo las tensiones y corrientes alternas siguen la ley de Ohm, podría pensarse que la potencia en este circuito se puede calcular de la misma manera que la potencia en un circuito de c-c. Esencialmente, lo anterior es correcto. La potencia en un circuito résistivo de c-a sigue la ecuación estándar de c-c, P = El. Sin embargo, las tensiones de c-a tienen diferentes tipos de valores y, por lo tanto, también lo tendrá la potencia de c-a.

En cualquier instante determinado, la potencia en un circuito resis­tivo de c-a es igual al producto de la tensión y la corriente en ese ins­tante. Esta es la potencia instantánea y se encuentra según la ecuación PINST = EINSTIINST. La potencia instantánea puede variar desde cero —si la corriente y la tensión en ese instante son cero hasta La potencia pico— si la corriente y la tensión tienen los valores pico en ese instante.

Generalmente, lo que importa no es la potencia instantánea, sino la potencia consumida durante todo un ciclo. A ésta se le conoce gene­ralmente corno potencia o potencia media. Para encontrar su valor se pueden usar los valores efectivos o rcm de tensión y corriente, ya que estos valores son los que dan la misma potencia que el equivalente de c-c, según se vio anteriormente.

CORRIENTES CIRCULANTES Y EFECTOS SUPERFICIAL DE CORRIENTE ALTERNA

En circuitos de c-c, la resistencia es una propiedad física de los con­ductores, que se opone al flujo de la corriente. La resistencia es directa­mente proporcional a la longitud del conductor e inversamente propor­cional al área transversal del mismo. Esta resistencia a c-c, a resistencia óhmica, se opone a la corriente alterna, de la misma manera que a la corriente continua. Sin embargo, cuando fluye corriente alterna en un conductor, la resistencia que el conductor presenta a la corriente, es un poco mayor que la resistencia que el mismo conductor presentaría a corriente continua. Existen dos razones para este aumento de resistencia, debidas ambas al hecho de que cuando fluye corriente alterna en un conductor, origina tensiones dentro del conductor. La forma en que se verifica este fenómeno se explicará posteriormente. Las tensiones originadas en el conductor producen pequeñas corrientes independientes, lla­madas corrientes circulantes. Estas, que se hallan en la resistencia del conductor, consumen potencia y, por lo tanto, representan una pérdida de potencia o aumento de resistencia en el circuito.

Además de producir corrientes circulantes, las tensiones originadas en un conductor por la corriente alterna, repelen al flujo de electrones hacia la superficie del conductor. De este modo, fluye más corriente en la superficie del conductor que en el centro del mismo. Esto tiene el efecto de reducir el área transversal del conductor y, según se ha estudiado, una disminución del área transversal produce un aumento en la resistencia. La concentración del flujo de corriente cerca de la superficie de un conductor, recibe el nombre de Efecto superficial.

CIRCUITOS NO RESISTIVOS DE CORIIENTE ALTERNA

En un circuito de c-c, la resistencia es lo único que se opone al flujo de corriente. Por lo tanto, un circuito de c-c sin resistencia, o con una resistencia muy baja, es un corto circuito. En este caso fluirán corrientes excesivas en el circuito, y no se puede lograr función útil. Por otra parte, en los circuitos de c-a, no es lo único que se opone a la corriente. Hay otras dos propiedades del circuito, llamadas inductancia y capacitancia, que se oponen al flujo de la corriente alterna. Por lo tanto, si se presenta cual­quiera de estas propiedades la corriente alterna queda limitada, aunque la resistencia del circuito fuera cero.

La naturaleza y características de la inductancia y la capacitancia se describen en las páginas restantes de este libro. La inductancia se estudia primero y posteriormente la capacitancia. Sin embargo, antes de examinar la inductancia se revisarán algunos de los principios básicos de electromagnetismo, ya que la inductancia es básicamente un fenómeno elec­tromagnético.

CAMPO MAGNETICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR

Una corriente eléctrica es formada por muchos electrones libres que se mueven en un conductor en la misma dirección. Cada electrón en movi­miento establece su propio campo magnético y, puesto que los electrones se mueven en la misma dirección, sus - campos particulares se combinan para producir un campo magnético general.

En un conductor al que no se le aplica tensión, la corriente es cero. Los electrones libres del conductor se desplazan y originan sus campos magnéticos particulares, pero su movimiento es al azar. En todo instante, por cada electrón que se mueva en una dirección, existe otro que se mueve en la dirección opuesta. A esto se debe que los campos magnéticos particu­lares se opongan o se anulen entre si. Como resultado, no hay campo mag­nético fuera del conductor.

Si se aplica una tensión al conductor, muchos de los electrones libres comienzan a desplazarse en la misma dirección. Entonces sus campos mag­néticos se combinan y se produce un campo magnético general. Este campo magnético se extiende fuera del conductor, de modo que cada linea de fuerza forma un círculo o trayectoria cerrada alrededor del conductor. Si la tensión aplicada al conductor aumenta, también la corriente aumenta. Entonces más electrones contribuirán al campo magnético general. de manera que su intensidad será mayor. La intensidad de un campo magnético generalmente se indica por medio del número de líneas de fuerza indi­viduales y de la distancia que hay entre ellas. Los campos intensos tienen muchas líneas y están muy poco espaciadas.

La dirección del campo magnético alrededor de un conductor que lleva corriente, se conoce por medio de la regla de la mano izquierda, la cual se estudió en el volumen 1: Si se cierra la mano izquierda alrededor de un conductor de manera que el pulgar señale a la dirección del flujo de la corriente, el campo magnético que rodea al conductor tendrá la di­rección de los dedos que rodean al conductor.

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I.U.T “ ANTONIO JOSE DE SUCRE “