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Corriente alterna

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Categoría: Apuntes y Monografas > Fsica >
Material educativo de Alipso relacionado con Corriente alterna
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    Trabajo de Fisica

    Corriente Alterna.

    Corrientes alternas

    Cuando se hace oscilar un conductor en un campo magntico, el flujo de corriente en el conductor cambia de sentido tantas veces como lo hace el movimiento fsico del conductor. Varios sistemas de generacin de electricidad se basan en este principio, y producen una forma de corriente oscilante llamada corriente alterna. Esta corriente tiene una serie de caractersticas ventajosas en comparacin con la corriente continua, y suele utilizarse como fuente de energa elctrica tanto en aplicaciones industriales como en el hogar. La caracterstica prctica ms importante de la corriente alterna es que su voltaje puede cambiarse mediante un sencillo dispositivo electromagntico denominado transformador. Cuando una corriente alterna pasa por una bobina de alambre, el campo magntico alrededor de la bobina se intensifica, se anula, se vuelve a intensificar con sentido opuesto y se vuelve a anular. Si se sita otra bobina en el campo magntico de la primera bobina, sin estar directamente conectada a ella, el movimiento del campo magntico induce una corriente alterna en la segunda bobina. Si esta segunda bobina tiene un nmero de espiras mayor que la primera, la tensin inducida en ella ser mayor que la tensin de la primera, ya que el campo acta sobre un nmero mayor de conductores individuales. Al contrario, si el nmero de espiras de la segunda bobina es menor, la tensin ser ms baja que la de la primera.

    La accin de un transformador hace posible la transmisin rentable de energa elctrica a lo largo de grandes distancias. Si se quieren suministrar 200.000 vatios de potencia a una lnea elctrica, 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 tensin y corriente. La potencia perdida en la lnea por calentamiento es igual al cuadrado de la intensidad de la corriente multiplicado por la resistencia. Por ejemplo, si la resistencia de la lnea es de 10 ohmios, la prdida de potencia con 200.000 voltios ser de 10 vatios, mientras que con 2.000 voltios ser de 100.000 vatios, o sea, la mitad de la potencia disponible.

    En un circuito de corriente alterna, el campo magntico en torno a una bobina vara constantemente, y la bobina obstaculiza continuamente el flujo de corriente en el circuito debido a la autoinduccin. La relacin 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 mximo, y es mxima cuando el voltaje es nulo. Adems, el campo magntico variable induce una diferencia de potencial en la bobina de igual magnitud y sentido opuesto a la diferencia de potencial aplicada. En la prctica, las bobinas siempre presentan resistencia y capacidad adems de autoinduccin

    Si en un circuito de corriente alterna se coloca un capacitor la intensidad de corriente es proporcional al tamao del condensador y a la velocidad de variacin del voltaje en el mismo. Por tanto, por un capacitor cuya capacidad es de 2 faradios pasar el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. En un capacitor ideal, el voltaje est totalmente desfasado con la intensidad. Cuando el voltaje es mximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de voltaje es nula. La intensidad es mxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la velocidad de variacin del voltaje es mxima. A travs de un capacitor circula intensidad aunque no existe una conexin elctrica 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 prcticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia adems de autoinduccin y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida depende de la proporcin relativa de las tres magnitudes en el circuito.

    Si se mueve el polo de un imn metindolo y sacndolo de una bobina con movimiento armnico simple, el corte de lneas magnticas va a generar una fem. alterna. Cada electrn oscila en torno a una posicin 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 autoinduccin y su capacidad son muy pequeos. El voltaje entre los extremos del alambre y la corriente que pasan por l varan. (Ver figura V1)

    En el eje de las X est delimitado el tiempo (el tiempo es directamente proporcional al ngulo 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 (2)/T t = I sen 2 f t

    v=V sen (2)/T t = V sen 2 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

    Tambin llamada tensin elctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo elctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Vase Electricidad.

    Un generador de corriente elctrica permite mantener una diferencia de potencial constante y, en consecuencia, una corriente elctrica permanente entre los extremos de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los distintos conductores difieren entre s en el valor de la intensidad de corriente obtenida, aunque el campo elctrico sea el mismo. Existe una relacin 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 geomtricas y de las condiciones fsicas, especialmente de la temperatura.

    La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito se mide con un voltmetro, instrumento que se coloca siempre en derivacin 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 elctrica. La resistencia de un circuito elctrico determina segn la llamada ley de Ohm cunta 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 tensin de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia elctrica es R, y el smbolo del ohmio es la letra griega omega, W. En algunos clculos elctricos 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 smbolo es S. An puede encontrarse en ciertas obras la denominacin 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, as 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 trmino resistencia tambin 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 tubera, y el aislamiento proporciona una resistencia trmica que reduce el flujo de calor desde una temperatura ms alta a una ms 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=2fL

    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 distribucin de electricidad requiere una serie de equipos suplementarios para proteger los generadores, transformadores y las lneas de transmisin. Suelen incluir dispositivos diseados para regular la tensin que se proporciona a los usuarios y corregir el factor de potencia del sistema.

    En muchas zonas del mundo las instalaciones estn conectadas formando una red que permite que la electricidad generada en un rea se comparta con otras zonas. Estas redes son operados por grupos diversos pero aumentan el riesgo de un apagn generalizado, ya que si un pequeo cortocircuito se produce en una zona, por sobrecarga en las zonas cercanas puede transmitirse en cadena a todo el pas. Muchos hospitales y edificios pblicos tienen sus propios generadores para eliminar el riesgo de apagones.

    Las largas lneas de transmisin presentan inductancia, capacitancia y resistencia al paso de la corriente elctrica. El efecto de la inductancia y de la capacitancia de la lnea es la variacin de la tensin si vara la corriente, por lo que la tensin suministrada vara con la carga acoplada. Se utilizan muchos tipos de dispositivos para regular esta variacin no deseada. La regulacin de la tensin se consigue con reguladores de la induccin y motores sncronos de tres fases. Ya que la inductancia y la capacitancia tienden a anularse entre s, cuando la carga del circuito tiene mayor reactancia inductiva que la potencia suministrada para una tensin y corriente determinadas es menor que si las dos son iguales. Como las prdidas en las lneas de transmisin son proporcionales a la intensidad de corriente, se aumenta la capacitancia para que el factor de potencia tenga un valor lo ms cercano posible a 1. Por esta razn se suelen instalar grandes condensadores en los sistemas de transmisin de electricidad.

    Transformadores

    Un transformador logra cambiar facilmente el voltaje de la corriente alterna. Un transformador es simple, no tiene partes mecnicas que se muevan y puede ser muy eficiente.

    El transformador consta de un ncleo de hierro por el cual van enrolladas bobinas separadas. Cuando conectamos una de las bobinas a una bateria, se crean lneas magnticas que van por el ncleo de hierro hacia la otra bobina. El cambio de flujo magntico inducir una fem en la segunda bobina, la que durar slo el tiempo que est cambiando el campo. Si abrimos el circuito, desaparece el campo. Se inducir entonces una fuerza contraelectromotriz. Si conectamos la primera bobina a una fuente de corriente alterna, la corriente que pasa por la bobina se invertir repetidas veces, dependiendo de la frecuencia de la corriente alterna; las lneas magnticas sern obligadas a pasar por la segunda bobina repetidas veces repetidas veces. En las bobinas se producira una fem. Pero de qu magnitud en cada una?

    Segn la cantidad de vueltas de las dos bobinas se determinar que tipo de transformador es el que tenenmos entre nuestras manos. Un transformador donde las bobinas de salida tienen ms vueltas que las bobinas de entrada, se llama transformador elevador. Un transformador donde las bobinas de salida tienen menos vueltas, se llama transformador reductor.

    Segn el principio de induccin electromagntica, las fuerzas electromotrices de las dos bobinas son:

    E1 = - N1 (D/Dt) 1

    E2 = - N2 (D/Dt) 2

    Si el ncleo de hierro est bien diseado todas las lneas magnticas producidas por el primario pasarn por el secundario. Por consiguiente (D/Dt) 1 ser igual que (D/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 relacin.

    (I1)ef = N2

    (I2)ef N1

    Transformadores de potencia

    Son grandes dispositivos usados en los sistemas de generacin y transporte de electricidad y en pequeas unidades electrnica. Los transformadores de potencia industriales y domsticos, pueden ser monofsicos o trifsicos y estn diseados para trabajar con voltajes y corrientes elevados. Para que el transporte de energa resulte rentable es necesario que en la planta productora de electricidad un transformador eleve los voltajes, reduciendo con ello la intensidad. Para la transmisin de energa elctrica 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 energa en forma de calor durante el proceso de transformacin. Las tasas de eficacia se encuentran normalmente por encima del 99% y se obtienen utilizando aleaciones especiales de acero para acoplar los campos magnticos inducidos entre las bobinas primaria y secundaria. Una disipacin de tan slo un 0,5% de la potencia de un gran transformador genera enormes cantidades de calor, lo que hace necesario el uso de dispositivos de refrigeracin. Los transformadores de potencia convencionales se instalan en contenedores sellados que disponen de un circuito de refrigeracin que contiene. El aceite circula por el transformador y disipa el calor mediante radiadores exteriores.

    Electrnica

    En el campo de la electrnica se suelen utilizar con ms 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 electrnicos de energa se fabrican normalmente con bloques de lminas de aleacin 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 electrnicos a los altavoces de equipos de radio, televisin y alta fidelidad. Conocidos como transformadores de audio, estos dispositivos utilizan slo una pequea fraccin de su potencia nominal para la produccin de seales en las frecuencias audibles, con un nivel de distorsin mnimo. Los transformadores se valoran segn su capacidad de reproduccin de frecuencias de ondas audibles (entre 20 Hz y 25 KHz) con distorsiones mnimas 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), as como para aumentar su voltaje. Estos transformadores de alta frecuencia operan por lo general en circuitos en los que se utiliza la sintonizacin para eliminar ruidos elctricos no deseados cuyas frecuencias se encuentran fuera del rango de transmisin deseado.


     
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