LA CORRIENTE ALTERNA

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 poten-cia 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, pu-diera 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 carac-terísticas 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
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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 des-perdiciada o potencia desperdiciada, por lo que su valor debe mante-nerse 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 po-tencia 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 ge-neradoras 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 lí-neas 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 propor-cional 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 re-ducir 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
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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 ten-volts 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 obte-nerse 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 ter-minal
negativa hacia la positiva.
Las fuentes de energía de c−a se llaman generadores de c−a o alter-nadores.
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
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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
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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 magne-tismo 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 ge-nerador se produce entre los dos anillos deslizantes.
Las escobillas o car-bones 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 divi-siones 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 pun-tos se unen con una línea continua, la figura resultante es la forma de
onda.
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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
re-presenta la tensión de salida del generador durante una revolución com-pleta 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 pola-ridad 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 res-pecto 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 familia-rizarse, 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
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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 mu-cha 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 repre-senta 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
repre-senta 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 incre-mento 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 sig-nifica 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 si-guiente 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 mag-nitud. Algunos tipos de c−c fluctuante se pueden considerar como
com-binaciones 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.
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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 rápi-damente 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 revo-luciones 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 apara-tos 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 lle-gar 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 velo-cidad 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.
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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
revo-lución. Si los generadores se hacen funcionar en el mismo instante y giran exactamente a la misma
velocidad, las dos formas de onda comen-zarán 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 repre-sentan 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 simultánea-mente, 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 dife-rencia 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 nor-malmente 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.
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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, tan-to 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
aumen-tan 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 cir-cuitos 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 prome-dio 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.
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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 instantá-neos 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 resis-tencia, 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 con-ductores.
Sin embargo, en la práctica, no hay circuitos de c−a que contengan sólo resistencia. Las demás
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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 pura-mente 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 resis-tivo de c−a es igual al producto de la
tensión y la corriente en ese ins-tante. 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 gene-ralmente 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 con-ductores, que se opone al flujo de la
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corriente. La resistencia es directa-mente proporcional a la longitud del conductor e inversamente
propor-cional 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,
lla-madas 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
cual-quiera 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 elec-tromagnético.
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 movi-miento 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 particu-lares se opongan o se anulen entre si. Como
resultado, no hay campo mag-nético 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 mag-néticos 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
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se indica por medio del número de líneas de fuerza indi-viduales 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 di-rección de los dedos que rodean al conductor.
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I.U.T ANTONIO JOSE DE SUCRE
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