Trabajo de Fisica
Corriente Alterna.
Corrientes
alternas
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. Esta corriente tiene una serie de características ventajosas en
comparación con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de
energía eléctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La
característica práctica más importante de la corriente alterna es que su
voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagnético
denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por una bobina de
alambre, el campo magnético alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se
vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sitúa
otra bobina en el campo magnético de la primera bobina, sin estar directamente
conectada a ella, el movimiento del campo magnético induce una corriente
alterna en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un número de espiras
mayor que la primera, 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.
Al contrario, si el número de espiras de la segunda bobina es menor, la tensión
será más baja que la de la primera.
La acción de un
transformador hace posible la transmisión rentable de energía eléctrica a lo
largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de
potencia a una línea eléctrica, puede hacerse con un voltaje de 200.000 voltios
y una corriente de 1 amperio o con un voltaje de 2.000 voltios y una corriente
de 100 amperios, ya que la potencia es igual al producto de tensión y
corriente. La potencia perdida en la línea por calentamiento es igual al
cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia. Por
ejemplo, si la resistencia de la línea es de 10 ohmios, la pérdida de potencia
con 200.000 voltios será de 10 vatios, mientras que con 2.000 voltios será de
100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia disponible.
En un circuito de
corriente alterna, el campo magnético en torno a una bobina varía
constantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en
el circuito debido a la autoinducción. La relación entre el voltaje aplicado a
una bobina ideal (es decir, sin resistencia) y la intensidad que fluye por
dicha bobina es tal que la intensidad es nula cuando el voltaje es máximo, y es
máxima cuando el voltaje es nulo. Además, el campo magnético variable induce
una diferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y sentido opuesto a
la diferencia de potencial aplicada. En la práctica, las bobinas siempre
presentan resistencia y capacidad además de autoinducción
Si en un circuito
de corriente alterna se coloca un capacitor la intensidad de corriente es
proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variación del
voltaje en el mismo. Por tanto, por un capacitor cuya capacidad es de 2
faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. En un
capacitor ideal, el voltaje está totalmente desfasado con la intensidad. Cuando
el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de
voltaje es nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque en
ese punto la velocidad de variación del voltaje es máxima. A través de un
capacitor circula intensidad —aunque no existe una conexión eléctrica directa
entre sus placas— porque el voltaje de una placa induce una carga opuesta en la
otra.
De los efectos
indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o
capacitor ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos
prácticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de
autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida
depende de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.
Si se mueve el polo de un imán
metiéndolo y sacándolo de una bobina con movimiento 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 la bobina gira con rapidez constante y cambia sinusoidamente
con el tiempo, y lo conectamos con un pedazo de alambre que obra como una
resistencia pura, esto es, su autoinducción y su capacidad son muy pequeños. El
voltaje entre los extremos del alambre y la corriente que pasan por él varían.
(Ver figura V1)
En el eje de las X está
delimitado el tiempo (el tiempo es directamente proporcional al ángulo que ha
girado la bobina del generador. Se debe tener en cuenta que el voltaje y la
corriente estan en fase, llegan a sus maximos valores y a los valores nulos
(0), que el voltaje maximo es de 170 voltios y la corriente maxima es de 2
amperios, y que el periodo de la corriente y del voltaje 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 un tiempo cualquiera t.
I=I sen (2Õ)/T t = I sen 2Õ f t
v=V sen (2Õ)/T t = V sen 2Õ f t
siendo I la amplitud de la
corriente, V la amplitud del voltaje, T el perido de rotacion del generador y f
la frecuencia del generador.
Cuando la corriente y el
voltaje estan en fase, la corriente y el voltaje instantaneos estan
relacionados por la ley de Ohm:
I=v/R y I=V/R (solo Resistencia)
Siendo R la resistemncia del
circuito.
La corriente efectiva Ief y el
voltaje efectivo Vef estan relacionados con la potencia del circuito. Estas
magnitudes son cantidades que se miden con amperimetros y voltimetros de
corriente alterna. Por ejemplo, Ief=0.707 I y Vef=0.707 V
Un ampere efectivo (en
corriente alterna) es aquella corriente alterna que calienta un conductor con
la misma rapidez que un ampere de corriente directa.
Un ampere efectivo es la
fuerza electromotriz alterna en un circuito tal, que la corriente efectiva es
de un ampere cuando la resistencia del circuito es de un ohm.
Diferencia de potencial
También llamada
tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva
unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se
habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La
unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Véase Electricidad.
Un generador de
corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencial constante y,
en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre los extremos de un
conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los
distintos conductores difieren entre sí en el valor de la intensidad de
corriente obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo. Existe una relación
de proporcionalidad, dada por la ley de Ohm, entre la diferencia de potencial
entre los extremos de un conductor y la intensidad que lo recorre. La constante
de proporcionalidad se denomina resistencia del conductor y su valor depende de
su naturaleza, de sus dimensiones geométricas y de las condiciones físicas,
especialmente de la temperatura.
La diferencia de
potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltímetro,
instrumento que se coloca siempre en derivación entre los puntos del circuito
cuya diferencia de potencial se quiere medir.
Resistencia
Propiedad de un
objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente
eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina —según la llamada
ley de Ohm— cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un
voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la
resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio
cuando se le aplica una tensión de 1 voltio. La abreviatura habitual para la
resistencia 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 es
siemens, cuyo símbolo es S. Aún puede encontrarse en ciertas obras la
denominación antigua de esta unidad, mho.
La resistencia de
un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo
compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie
transversal del objeto, así como por la temperatura. A una temperatura dada, la
resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente
proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la
resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.
El término
resistencia también se emplea cuando se obstaculiza el flujo de un fluido o el
flujo de calor. El rozamiento crea resistencia al flujo de fluido en una
tubería, y el aislamiento proporciona una resistencia térmica que reduce el
flujo de calor desde una temperatura más alta a una más baja.
Impedancia
La corriente 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) y un inductor B, que
tiene un nucleo de hierro.
Si el sistema se conecta a una
fuente de corriente directa de 120 v., la corriente es 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, con un voltaje efectivo de 120 v., la
corriente sera menor que antes y la lampara brillara con menos intensidad. La
disminucion de la corriente se debe a que al flujo de electricidad se le opone
no solo la resistencia, sino tambien la fuerza electromotriz inducida en la
bobina (debida a las variaciones de su propio campo magnetico)
La relacion entre la
diferencia de potencial efectiva entre los terminales de un circuito 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 un ampere efectivo, cuando la diferencia de potencial
alterna, entre los terminales del conductor, es de un volt efectivo.
La corriente efectiva Ief en
un circuito de impedancia Z esta dada por
I ef=Vef/Z
La impedancia de un circuito
depende de su resistencia y de la reactancia. La reactancia inductiva XL de un
circuito depende de su autoinduccion y de la frecuencia f de la corriente
alterna. La reaccion inductiva de un inductor que tiene autoinduccion L esta
dada por
Kl=2ÕfL
Factor de potencia
Cuando la reactancia total de
un circuito es cero, su retraso de fase es cero, y su impedancia es igual a sus
resistencia. Al aumentar la reactancia inductiva, aumenta el retraso.
Si la corriente y el voltaje
de un circuito de corriente alterna estan en fase, la potencia se calcula con
la formula
P=Vef . I ef
Si no estan en fase el maximo
voltaje y la corriente ocurren en nomentos diferentes en cada ciclo. La
potencia no esta dada por el producto del voltaje y la corriente, sino por
P=Vef . Ief . cos Q (Q es el angulo de retraso de fase o retraso)
La relacion entre la potencia
"verdadera" dada por la ecuacion previa, y la potencia aparente
VefIef se llama factor de potencia.
Factor de potencia = Potencia
verdadera = cos Q = R
Potencia aparente Z
Cualquier sistema
de distribución de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios
para proteger los generadores, transformadores y las líneas de transmisión.
Suelen incluir dispositivos diseñados para regular la tensión que se
proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.
En muchas zonas
del mundo las instalaciones están conectadas formando una red que permite 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 apagón
generalizado, ya que si un pequeño cortocircuito se produce en una zona, por
sobrecarga en las zonas cercanas puede transmitirse en cadena a todo el país.
Muchos hospitales y edificios públicos tienen sus propios generadores para
eliminar el riesgo de apagones.
Las largas líneas
de transmisión presentan inductancia, capacitancia y resistencia al paso de la
corriente eléctrica. El efecto de la inductancia y de la capacitancia de la línea
es la variación de la tensión si varía la corriente, por lo que la tensión
suministrada varía con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de
dispositivos para regular esta variación no deseada. La regulación de la
tensión se consigue con reguladores de la inducción y motores síncronos de tres
fases. Ya que la inductancia y la capacitancia tienden a anularse entre sí,
cuando la carga del circuito tiene mayor reactancia inductiva que la potencia
suministrada para una tensión y corriente determinadas es menor que si las dos
son iguales. Como las pérdidas en las líneas de transmisión son proporcionales
a la intensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el factor de
potencia tenga un valor lo más cercano posible a 1. Por esta razón se suelen
instalar grandes condensadores en los sistemas de transmisión de electricidad.
Transformadores
Un transformador
logra cambiar facilmente el voltaje de la corriente alterna. Un transformador
es simple, no tiene partes mecánicas que se muevan y puede ser muy eficiente.
El transformador
consta de un núcleo de hierro por el cual van enrolladas bobinas separadas.
Cuando conectamos una de las bobinas a una bateria, se crean líneas magnéticas
que van por el núcleo de hierro hacia la otra bobina. El cambio de flujo
magnético inducirá una fem en la segunda bobina, la que durará sólo el tiempo
que esté cambiando el campo. Si abrimos el circuito, desaparece el campo. Se
inducirá entonces una fuerza contraelectromotriz. Si conectamos la primera
bobina a una fuente de corriente alterna, la corriente que pasa por la bobina
se invertirá repetidas veces, dependiendo de la frecuencia de la corriente
alterna; las líneas magnéticas serán obligadas a pasar por la segunda bobina
repetidas veces repetidas veces. En las bobinas se producira una fem. ¿Pero de
qué magnitud en cada una?
Según la cantidad
de vueltas de las dos bobinas se determinará que tipo de transformador es el
que tenenmos entre nuestras manos. Un transformador donde las bobinas de salida
tienen más vueltas que las bobinas de entrada, se llama transformador elevador.
Un transformador donde las bobinas de salida tienen menos vueltas, se llama
transformador reductor.
Según el
principio de inducción electromagnética, las fuerzas electromotrices de las dos
bobinas son:
E1 = - N1 (DÆ/Dt) 1
E2 = - N2 (DÆ/Dt) 2
Si el núcleo de hierro está
bien diseñado todas las líneas magnéticas producidas por el primario pasarán
por el secundario. Por consiguiente (DÆ/Dt) 1 será igual que (DÆ/Dt) 2. Dividiendo miembro a miembro las dos ecuaciones anteriores
tenemos:
E1 = N1
E2 N2
Un transformador no puede
crear corriente; por consiguiente, la potencia de la salida no puede ser mayor
que la potencia de entrada. Si un transformador aumenta el voltaje, la
corriente debe disminuir en la misma relación.
(I1)ef = N2
(I2)ef N1
Transformadores
de potencia
Son grandes
dispositivos usados en los sistemas de generación y transporte de electricidad
y en pequeñas unidades electrónica. Los transformadores de potencia
industriales y domésticos, pueden ser monofásicos o trifásicos y están
diseñados para trabajar con voltajes y corrientes elevados. Para que el
transporte de energía resulte rentable es necesario que en la planta productora
de electricidad un transformador eleve los voltajes, reduciendo con ello la
intensidad. Para la transmisión de energía eléctrica a larga distancia se
utilizan voltajes elevados con intensidades de corriente reducidas. En el
extremo receptor los transformadores reductores reducen el voltaje, aumentando
la intensidad, y adaptan la corriente a los nivele. Los transformadores de
potencia deben ser muy eficientes y deben disipar la menor cantidad posible de
energía en forma de calor durante el proceso de transformación. Las tasas de
eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando
aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnéticos inducidos
entre las bobinas primaria y secundaria. Una disipación de tan sólo un 0,5% de
la potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que
hace necesario el uso de dispositivos de refrigeración. Los transformadores de
potencia convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un
circuito de refrigeración que contiene. El aceite circula por el transformador
y disipa el calor mediante radiadores exteriores.
Electrónica
En el campo de la
electrónica se suelen utilizar con más frecuencia transformadores con
capacidades de alrededor de 1 kilovatio antes de los rectificadores, que a su
vez proporcionan corriente continua (CC) al equipo. Estos transformadores
electrónicos de energía se fabrican normalmente con bloques de láminas de
aleación de acero, llamadas laminaciones, alrededor de las cuales se instalan
las bobinas de hilo de cobre. Los transformadores a niveles de entre 1 y 100
vatios se usan principalmente como transformadores reductores, para acoplar
circuitos electrónicos a los altavoces de equipos de radio, televisión y alta
fidelidad. Conocidos como transformadores de audio, estos dispositivos utilizan
sólo una pequeña fracción de su potencia nominal para la producción de señales
en las frecuencias audibles, con un nivel de distorsión mínimo. Los
transformadores se valoran según su capacidad de reproducción de frecuencias de
ondas audibles (entre 20 Hz y 25 KHz) con distorsiones mínimas a lo largo de
todo el espectro de sonido.
A niveles de
potencia por debajo de un milivatio, los transformadores se utilizan sobre todo
para acoplar frecuencias extremadamente elevadas (UHF), frecuencias muy altas
(VHF), frecuencias de radio (RF) y frecuencias intermedias (IF), así como para
aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operan por lo
general en circuitos en los que se utiliza la sintonización para eliminar
ruidos eléctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fuera del rango
de transmisión deseado.
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