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 (D_Æ/Dt) ₁

E₂ = - N₂ (D_Æ/Dt) ₂

Si el núcleo de hierro está bien diseñado todas las líneas magnéticas producidas por el primario pasarán por el secundario. Por consiguiente (D_Æ/Dt) ₁ será igual que (D_Æ/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.