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Corriente alterna parte 2 - Monografía



 
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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:
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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.

Autor:

Willian Alvarez





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