Download la corriente alterna

Corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las
baterías, es aquella cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija,
Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente
directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija.
La corriente denominada alterna (C.A.), se diferencia de la directa por el cambio
constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.
La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de
tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante
siguiente las polaridades se invierten. Las veces que cambia de polaridad se
denomina ciclos por segundo (también llamado Hertz). No obstante, aunque se
produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo
negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran
corriente directa.
Corriente alterna pulsante de un ciclo por segundo o hertz (Hz)
Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se
producirá un cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto
los dos polos de dicha pila. Esta acción hará que se genere una corriente alterna
tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la cantidad de veces que se haga girar
la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o varias vueltas
completas durante un segundo
En este caso si hacemos una representación gráfica utilizando un eje de
coordenadas para la tensión o voltaje y otro eje para el tiempo en segundos, se
obtendrá una corriente alterna de forma rectangular o pulsante, que parte primero
de cero volt, se eleva a 1,5 volt, pasa por “0” volt, desciende para volver a 1,5 volt y
comienza a subir de nuevo para completar un ciclo al pasar otra vez por cero volt.
Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada
segundo, la frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo por
segundo o hertz (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por
segundo, la frecuencia será de 5 ciclos por segundo o hertz (5 Hz). Mientras más
rápido hagamos girar la manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la
frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene.
De acuerdo con su forma gráfica, la corriente alterna puede ser:




Rectangular o pulsante
Triangular
Diente de sierra
Sinusoidal o senoidal
(A) Onda rectangular o pulsante. (B) Onda triangular. (C) Onda diente de sierra. (D) Onda sinusoidal o senoidal.
La onda con la que se representa gráficamente la corriente sinusoidal recibe ese
nombre porque su forma se obtiene a partir de la función matemática de seno.
En la siguiente figura se puede ver la representación gráfica de una onda sinusoidal
y las diferentes partes que la componen:
De donde:
A = Amplitud de onda
P = Pico o cresta
N = Nodo o valor cero
V = Valle o vientre
T = Período
Amplitud de onda: máximo valor que toma una corriente eléctrica. Se llama también valor de
pico o valor de cresta.
Pico o cresta: punto donde la sinusoide alcanza su máximo valor.
Nodo o cero: punto donde la sinusoide toma valor “0”.
Valle o vientre: punto donde la sinusoide alcanza su mínimo valor.
Período: tiempo en segundos durante el cual se repite el valor de la corriente. Es el intervalo
que separa dos puntos sucesivos de un mismo valor en la sinusoide. El período es lo inverso de
la frecuencia y, matemáticamente, se representa por medio de la siguiente fórmula:
T=1/F
Frecuencia no es más que la cantidad de ciclos por segundo o hertz (Hz), que alcanza la
corriente alterna. Es el inverso del período y, matemáticamente, se representa de la manera
siguiente:
F=1/T
La corriente alterna es aquella en que la que la intensidad cambia de dirección
periódicamente en un conductor. Como consecuencia del cambio periódico de
polaridad de la tensión aplicada en los extremos de dicho conductor.
La variación de la tensión con el tiempo puede tener diferentes formas: senoidal
(la forma fundamental y mas frecuente en casi todas las aplicaciones de
electrotecnia); triangular; cuadrada; trapezoidal; etc..si bien estas otras formas de
onda no senoidales son mas frecuentes en aplicaciones electrónicas.
Las formas de onda no senoidales pueden descomponerse por desarrollo en serie
de Fourier en suma de ondas senoidales (onda fundamental y armónicos),
permitiendo así el estudio matemático y la de sus circuitos asociados.
Corriente alterna senoidal
VENTAJAS DE LA CORRIENTE ALTERNA
La corriente alterna presenta ventajas decisivas de cara a la producción y transporte de la
energía eléctrica, respecto a la corriente continua:



1-Generadores y motores mas baratos y eficientes, y menos complejos
2-Posibilidad de transformar su tensión de manera simple y barata (transformadores)
3-Posibilidad de transporte de grandes cantidades de energía a largas distancias con un
mínimo de sección de conductores ( a alta tensión)


4-Posibilidad de motores muy simples, (como el motor de inducción asíncrono de
rotor en cortocircuito)
5-Desaparición o minimización de algunos fenómenos eléctricos indeseables
(magnetización en las maquinas, y polarizaciones y corrosiones electrolíticas en pares
metálicos)
La corriente continua, presenta la ventaja de poderse acumular directamente, y para
pequeños sistemas eléctricos aislados de baja tensión, (automóviles) aun se usa (Aunque
incluso estos acumuladores se cargan por alternadores)
Actualmente es barato convertir la corriente alterna en continua (rectificación) para los
receptores que usen esta ultima (todos los circuitos electrónicos).
La frecuencia f es nº de ciclos por unidad de tiempo . Su unidad es el Hz (Herzio) =1 ciclo/s
. Industrialmente se usan corrientes de 50 Hz (60Hz en América),
Dimensionalmente la frecuencia son ciclos/tiempo ,o sea t –1.
El periodo T es la inversa de la frecuencia, o lo que es lo mismo, el tiempo que dura un ciclo
completo.
T= 1/f (dimension; t)
Una onda variable senoidalmente con el tiempo puede considerarse como la proyección
sobre un diámetro de un movimiento circular uniforme de velocidad angular w, entonces la
tensión instantánea V ;
V = VM sen wt
En donde VM es el valor máximo a que llega la tensión, y
w = 2 f (radianes /s)
PRODUCCIÓN DE CORRIENTE ALTERNA
Industrialmente se produce en su casi totalidad por generadores rotativos electromecánicos
movidos por motores térmicos, hidráulicos, eólicos etc..
Para pequeñas potencias se usan también convertidores electrónicos cc/ca (onduladores) que
entregan formas de onda mas o menos senoidales (desde trapeciales a casi senoidal pura)
partiendo de corriente continua (acumuladores).
Los generadores electromecánicos se basan en la producción de tensión por inducción,
cuando un conductor se mueve en un campo magnético.
Movimiento de un conductor en un campo magnético
Este experimento demuestra el principio de la producción de energía eléctrica a través de la energía
mecánica. Los generadores reales están construidos por bobinas que experimentan un movimiento relativo
de giro respecto a un campo magnético y en el interior de él. ( O bien se mueve el campo, o bien las
bobinas)
generador elemental de corriente alterna senoidal
Por razones geométricas, en estas maquinas se cumple que , a constancia de velocidad de giro del eje, el
flujo magnético que atraviesa las bobinas es aproximadamente función senoidal del tiempo, y por
consiguiente su derivada d /dt también lo es, y en consecuencia la tensión inducida E, (que es proporcional a
esa derivada , también lo es).
generador bipolar de corriente alterna de inductor giratorio
La frecuencia producida, si p es el nº de pares de polos , y n la velocidad de giro (revoluciones/s) es : f= p n
LEY DE LENZ
Generalizando, y como se puede comprobar experimentalmente, la fuerza electromotriz instantánea E ,que
se induce en un circuito en cuyo interior está variando el flujo magnético 
E = d / dt
El sentido de la corriente inducida es tal. que el campo producido por esta corriente se opone a la variación
de campo que la creó
Si el circuito en cuestión es una bobina con n espiras las fuerzas electromotrices de cada espira se suman:
E = n d / dt
La frecuencia producida, si p es el nº de pares de polos , y n la velocidad de giro (revoluciones/s) es :
f= p n
VALORES MAXIMOS Y EFICACES DE LA CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL
Se designa como valor eficaz de una magnitud sinusoidal a la raíz cuadrada del valor medio de su cuadrado,
y es igual al valor máximo dividido por raíz cuadrada de 2
En corriente alterna la tensión eficaz tiene un concepto físico de equivalencia con una tensión de corriente
continua que produjese la misma disipación térmica en la resistencia , que la que disipa la corriente
alterna.
valor eficaz de una magnitud senoidal
A este valor eficaz están asociados los efectos energéticos térmicos y electromecánicos,y por eso, los valores
eficaces son los que se utilizan en mayor grado en el calculo y en las aplicaciones de la corriente alterna..
Así una tensión eficaz de 220V sinusoidal tiene un valor máximo de 311V (independientemente de su
frecuencia) y equivale energéticamente hablando a una corriente continua de 220 V.
Análogamente, las intensidades sinusoidales producidas por las tensiones tienen su valor eficaz. (que es el
máximo, dividido por 1,4142..)
Obsérvese que el valor medio de la senoide, que es el valor máximo multiplicado por 2/no coincide con el
eficaz.
SOLENOIDES, AUTOINDUCION
En corriente alterna , las maquinas generadoras, los transformadores, los motores y otros receptores están
constituidos por bobinas sobre núcleos ferromagnéticos, bobinas que tienen un comportamiento en
corriente alterna (ca) distinto a su comportamiento en cc , introduciendo un desfase entre la tensión en sus
bornes y la intensidad que los atraviesa, la intensidad se retrasa respecto a la tensión , y además presentan
una resistencia mayor al paso de la corriente, que la que presentan en corriente continua.
Estos dos factores, retraso de intensidad y reactancia inductiva (resistencia al paso de corriente alterna)
deben ser tenidos en cuenta en el calculo, que difiere así del calculo de los mismos en corriente continua.
Los solenoides acumulan energía eléctrica en forma de energía magnética en sus núcleos ferromagnéticos,
y la devuelven al circuito , pero con un retraso en la devolución de energía eléctrica que origina los desfases
entre la tensión y la intensidad (que se retrasa).
Esto origina sobrecargas de intensidad inútiles en la red de transporte, obligando a secciones mayores en los
conductores.
Además, pueden originar por autoinducción sobre tensiones transitorias de miles de voltios, si se intenta
cortar la tensión de alimentación bruscamente sin los dispositivos adecuados .Estas sobre tensiones, pueden
provocar arcos eléctricos en contactos y perforar aislantes de condensadores y conductores del circuito.
AUTOINDUCCIÓN
Cuando se varia la intensidad que atraviesa una inductancia (que es una bobina con o sin núcleo de hierro),
esta bobina produce una fuerza electromotriz E instantánea que es proporcional a la variación de intensidad i
por unidad de tiempo . La magnitud constante L es la autoinducción de la bobina
E = - L di/dt
y cuyo sentido (signo menos) es tal que intenta anular la variación de campo que produce la variación de
intensidad. Si la intensidad aumenta , la E intenta crear un campo decreciente, y si i disminuye, un campo
creciente. Se puede decir que "la inductancia se opone a las variaciones de intensidad que la recorren",
(actúa como una masa inercial en mecánica frente a las fuerzas que intentan acelerarla)
La unidad SI de inductancia es el Henrio, que es la inductancia de una bobina en la que una variación
de un amperio por segundo produce una fuerza electromotriz inducida de un voltio.
Comprobación experimental del efecto de autoinducción
Las inductancias puras L no existen en la práctica, puesto que todas tienen una resistencia
eléctrica R en su devanado, así que podemos representar un circuito en serie formado por la
inductancia y su resistencia óhmica. A este circuito le conectamos una fuente de tensión
constante E.
circuito con resistencia e inductancia
L di/dt + Ri = E
resolviendo la ecuación diferencial y llamando a la intensidad final i0
i=i0 ( 1 - e- R/ L t )
El termino R/L representa el tiempo que tarda en alcanzar la intensidad el valor del 63,3%
del valor final de régimen y se llama constante de tiempo
fase de carga de una inductancia y constante de tiempo
Consideremos ahora una inductancia pura conectada a una fuente de corriente alterna
U = UM sen wt
UM sen wt = L di/dt
E integrando la expresión, y haciendo que IM = UM / Lw
i = IM Sen (wt - UM / Lw Sen (wt - 
Donde observamos:
1-Que la inductancia se comporta como una resistencia de valor Lw (Ohmios) y a este valor
lo denominamos reactancia inductiva
2-Que hay un desfase en retraso de 90º (de la intensidad respecto a la tensión
La reactancia inductiva pura no crea sin embargo efecto Joule, no se calienta, solo impide el
paso de la corriente y la retrasa respecto a la tensión.
Como quiera que Lw es solo proporcional a la velocidad angular,( o sea también a la
frecuencia), la reactancia inductiva aumenta proporcionalmente a la frecuencia, lo que
significa que las inductancias presentan cada vez mas oposición al paso de corriente según
aumenta la frecuencia de la fuente, y de ahí su empleo para filtros en los que se pretenda
eliminar las frecuencias altas en un circuito.
Las reactancias reales sí se calientan, debido al :



1)calentamiento por efecto Joule de las espiras de su devanado,
2) las perdidas por corrientes de Foucault de su núcleo, y
3) a las perdidas por histéresis también en dicho núcleo.
Las perdidas en el núcleo calientan dicho núcleo, calor que se transmite por conducción al
devanado, el cual también se calienta independientemente por la resistencia óhmica de sus
espiras.
CORRIENTES DE FOUCAULT
Las maquinas eléctricas están construidas con núcleos ferromagnéticos (generalmente de
hierro aleado con algo de silicio) , núcleos que conducen el flujo magnético. Al variar el
flujo que conducen esos núcleos, que son también conductores eléctricos, se inducen en él
corrientes de tipo circular que lo calientan por efecto Joule , y disminuyen así el
rendimiento eléctrico de la máquina.
Para minimizar este efecto se construyen los núcleos por apilamiento de chapas finas del
acero antedicho, chapas que están aisladas entre si . Esta disposición constriñe o reduce el
espacio disponible por las corrientes parásitas para circular, al cortar sus líneas naturales de
corriente, y se minimizan así las pérdidas eléctricas por este fenómeno.
Núcleos magnéticos de chapa laminada
Estas corrientes inducidas , que están siempre presentes en los núcleos, se denominan
corrientes de Foucault, o corrientes parásitas, ya que consumen inútilmente energía del
circuito electromagnético disminuyendo así la eficiencia de la maquina.
Es posible demostrar matemáticamente y experimentalmente, que la potencia P perdida en
una chapa de espesor e que está atravesada por una inducción máxima B, de una frecuencia f,
y cuya conductividad eléctrica es es aproximadamente:
P = 2 e2 B2 f2 / 6 
( P en w/m3, en  /m, B en Teslas , e en metros , f en Hz )
De esta formula se deduce:


1-Interés de hacer las chapas de pequeño espesor y
2-Emplear chapa de alta resistividad ( de ahí
la aleación con el Si, mal conductor)
Aunque en general son un efecto a evitar, existen algunas aplicaciones prácticas de las
corrientes parásitas.
Podemos citar los hornos de inducción para fusión de metales , los calentadores de
inducción en cocinado de alimentos, los frenos de corrientes parásitas, para frenado de
vehículos industriales en automoción y los dinamómetros de absorción de corrientes
parásitas, para medición y ensayo de alta precisión de la potencia y el par de los motores
térmicos y eléctricos.
Esencialmente, un condensador real puede asimilarse a dos superficies conductoras paralelas
y separadas por un aislante o dieléctrico, de espesor pequeño respecto a la magnitud de las
superficies.
componentes funcionales en un condensador
Cuando se conectan esas superficies conductoras a los dos polos de un generador de tensión
U, acumulan por efecto electrostático una cierta cantidad de carga eléctrica Q de signo
opuesto en cada superficie. Se define la capacidad como la carga que acumulan por unidad
de tensión aplicada a sus armaduras.
C=Q/U
(Q culombios, U voltios)
La capacidad se mide en Faradios. Un Faradio es la capacidad de un condensador que
acumula un culombio por cada voltio aplicado a sus armaduras. Esta unidad en la práctica es
muy grande, por lo que la capacidad normalmente se mide en microfaradios : 1 µ F = 10-6 F.
Los condensadores revisten una gran importancia en circuitos electrónicos, pero en
electrotecnia de redes de corriente alterna sus aplicaciones son menores, siendo su mayor
empleo como correctores del factor de potencia , ya que la mayoría de los generadores y
receptores son de carácter inductivo, y los condensadores pueden corregir este defecto de
retraso entre la intensidad y la tensión, que sobrecarga las redes.
CIRCUITO CON CONDENSADOR Y RESISTENCIA
Análogamente a como vimos en los en las inductancias, cuando se conecta una fuente de tensión continua a
un condensador a través de una resistencia, éste tarda un cierto tiempo en cargarse. El tiempo que tarda el
condensador en alcanzar el 63% de la tensión de la fuente se denomina constante de tiempo 
C R
en segundos, C en Faradios, R en Ohmios)
si se conectase el condensador a una fuente de corriente alterna de tensión
u = UM sen wt , y teniendo en cuenta que en cada instante q = C u:
i = dq / dt = C du /dt = C w UM cos wt = C w UM sen (wt + 
Si hacemos Xc = 1 / Cw,
i Xc = UM sen (wt + 
Observamos dos importantes aspectos del condensador:
1-la intensidad va adelantada radianes (90º) respecto a la tensión
2-Se comporta a efectos de permitir el paso de la corriente como una resistencia de valor 1 / Cw (Ohmios) y
a este valor se denomina reactancia capacitiva
Se observa pues , el efecto inverso de una inductancia, la inductancia retrasa la intensidad respecto a la
tensión aplicada, y el condensador la adelanta. De ahí su interés como corrector de estos desfases
introducidos por las inductancias.
REPRESENTACIÓN VECTORIAL, IMPEDANCIA
En la práctica todo receptor tiene al mismo tiempo, y en mayor o menor grado, resistencia, inductancia, y
capacidad.
Impedancia de un circuito real
Si representamos en un eje de coordenadas y como vectores:



1) la tensión en la inductancia, Lw I adelantada 90º respecto a la intensidad I
2) la tensión en la capacidad, I / Cw retrasada 90º respecto a la intensidad
3) la tensión en la resistencia, RI en fase con la intensidad
composición vectorial de caídas de tensión y
factor de potencia
La suma vectorial permite determinar la magnitud I y ángulo de desfase  de la intensidad en función de la
tensión.
tg  = (Lw-1/ Cw) / R = reactancia / resistencia
I=U/Z
en donde Z, que denominamos impedancia es:
Z = ( R2 + (Lw – 1/wC)2 )1/2 (ohmios)
En la practica industrial las reactancias capacitivas son generalmente despreciables. Los receptores se
comportan casi siempre como inductancias no puras (dotadas de resistencia) .
Al valor Cos  se le denomina factor de potencia y cuanto menor es , mas inductivo es el circuito y más
retrasada está la intensidad respecto a la tensión.
ENERGIA ACUMULADA EN REACTANCIAS Y CONDENSADORES
1.-Las resistencias eléctricas no pueden acumular energía, así que cuando desaparece la tensión que las
alimenta quedan sin energía potencial eléctrica alguna.
2.-Las reactancias inductivas acumulan energía electromagnética en su núcleo, y cuando están recorridas por
una intensidad I es fácil demostrar que la energía acumulada es :
Wx = ½ L I2
(L en Henrios , I amperios. Wx en julios)
3.-Los condensadores acumulan energía electrostática en sus armaduras y dieléctrico . Cuando están
sometidos a una tensión U
Wc = ½ CU2
( C en Faradios, U voltios Wc julios)