FUNDAMENTOS DE LA CORRIENTE ALTERNA.

Hasta ahora, la mayoría de los elementos estudiados, lo has hecho con ayuda de una fuente de alimentación continua, cuyas características son la de mantener un valor constante y un único sentido de desplazamiento. Sin embargo, las corrientes variables en su amplitud y en sentido de desplazamiento, son las que constituyen la base de transmisión y recepción de señales eléctricas.

En la introducción de esta lección, has estudiado la ley de Lenz, que dice que todo conductor cortado por líneas de fuerza de un campo magnético o EM, desarrolla entre sus extremos una diferencia de potencial. La magnitud de dicha diferencia es proporcional al número de líneas cortadas y al tiempo que tarde en cortar dichas líneas; por tanto, mientras más intenso sea el campo magnético, mayor será la diferencia de tensión generada.

Ahora vas a ver lo que ocurre con un conductor eléctrico cuando gira en el interior de un imán (entre los polos).

El conductor comienza su rotación a partir del punto 1, que como se observa la flecha tangencial, el conductor está en paralelo a las líneas de fuerza, con lo que el barrido es nulo ya que no corta ninguna línea de fuerza.
Según comienza a variar hasta el punto 2, el conductor empieza a cortar flujo magnético, ya que varía su posición respecto al campo (recuerda el coeficiente de inducción K). En la posición 3, el conductor está tangencialmente al flujo magnético Φ, por lo que el barrido es total y la generación es máxima en ese punto. El punto 4, es el punto en que el conductor está desfasado unos grados con el flujo magnético y la generación es inferior a la del punto anterior. En el punto 5, el conductor está otra vez en paralelo con el flujo, con lo que la inducción en él, es cero. El punto 6, comienza otra vez a inducir sobre el conductor una tensión, pero esta vez su crecimiento es contrario al anterior, debido a que, ahora el conductor, está comenzado a cortar el flujo magnético en sentido contrario a como lo hacía en el comienzo. En el punto 7, el conductor está totalmente perpendicular al flujo magnético, por lo que el barrido es total, así como la tensión generada. El punto 8, es el punto en el que el ángulo de barrido es menor que el anterior; la tensión generada es inferior al anterior. De vuelta al punto 1, se completa una vuelta del conductor y éste, vuelve a estar en posición paralela al flujo magnético, por lo que no produce tensión alguna.

Acabas de estudiar el primer generador electromagnético, y en la actualidad, si, son mas avanzados, pero el principio de este tipo de generación es el usado en los generadores eléctricos actuales a pesar del tipo de mecanismo que se utilice para mover el conductor por el campo EM.

Al dibujo que se ha producido en representación del proceso de generación de electricidad, se llama onda, y esta onda es del tipo sinusoidal, y como puedes ver, la corriente se llama alterna porque varía en espacio y en magnitud, alcanzado valores positivos máximos y negativos máximos llamados picos.

Este tipo de onda sinusoidal no solo se consigue con un generador de corriente alterna; también se consigue con ciertos circuitos electrónicos, llamados osciladores, que lo estudiarás en otras lecciones.
Por tanto, un generador de corriente alterna no podemos decir que uno de sus polos es positivo y otro negativo, ya que ninguno de sus polos se mantiene constante.
Existen muchas formas de ondas sinusoidales y con distinta forma: en forma de sierra, en forma cuadrada, en forma de picos, irregulares, etc. etc.

Ciclo, Periodo, longitud de onda y Frecuencia.

Las magnitudes que vas a estudiar, las estudiarás a lo largo del curso, mas detalladamente. Pero empezaremos a definirlas.

Ciclo:

Se dice ciclo a la onda completa. Un ciclo es un paso consecutivo de la corriente por un valor desde cero hasta máximo positivo y, desde positivo, vuelve de nuevo hasta cero para, desde cero, sube a un valor máximo negativo y, desde aquí vuelve a cero para empezar de nuevo.

Periodo:

El periodo corresponde al tiempo que tarda en desarrollarse un ciclo entero.

Longitud de onda:

La longitud de onda, es el espacio en metros que recorre un ciclo en su desarrollo.

Frecuencia:

La frecuencia, es la cantidad de ciclos que se desarrollan en un segundo.

Ahora pues, con estas nuevas definiciones, podemos a pasar al siguiente apartado en el cual relacionamos todas estas magnitudes físicas de los ciclos alternos.

Relaciones

Los tres últimos parámetros anteriores están ligados ínfimamente entre sí, de manera que conociendo uno se calculan los otros. Cuando se estableció que la velocidad de la luz era de 299.792.458 ms^-1, se pudo avanzar en el estudio de las ondas eléctricas ya que estás son de la misma naturaleza que las ondas de la luz. En este caso se consideran ondas electromagnéticas.

Las ondas electromagnéticas son ciclos producidos por cualquier medio emisor y receptor de energía, y se propagan por cualquier medio, sea vacío, aire o conductores. Se utilizan en comunicaciones y existen muchos tipos de ondas electromagnéticas.
La relación entre magnitudes es la siguiente:

Siendo:
f, la frecuencia.
c, la velocidad de la luz.
λ, la longitud de onda.
p, el periodo.

La primera formula permite calcular la frecuencia (f), de una corriente alterna, conociendo la longitud de onda (λ).
La segunda formula permite calcular la longitud de onda (λ) conociendo la frecuencia (f).
La ultima formula nos da el tiempo que tarda un ciclo en recorrer el espacio que le corresponde. Si en un segundo tenemos 50 ciclos, un ciclo tardará 1÷50 de segundo, es decir 20.000 microsegundos. Veamos otro ejemplo, en la red eléctrica sabemos que la frecuencia es de 50 hercios. Aplicando la ley de la longitud de onda, nos da que 300.000 ms^-1 entre 50 hercios es un total de 6000 metros. Es decir, que una frecuencia de 50 hercios en un segundo, la corriente recorre 6 kilómetros.

Valores prácticos de una onda sinusoidal.

En corriente continua, establecer los distintos valores como tensión, corriente y potencia, correspondiente al circuito no es complicado, pues son valores que se mantienen constantes durante todo el proceso en que intervienen y tienen un único sentido en el desplazamiento.

En el caso de la corriente alterna, el asunto no es igual; para empezar, el sentido de desplazamiento varía de forma periódica desde valores positivos a valores negativos. Tenemos pues valores positivos, medios, negativos y neutros. Tenemos valores máximos, mínimos, medios, etc., que hay que tener en cuenta a la hora de realizar el cálculo en un circuito con tensión alterna.

Volviendo al gráfico de generación de corriente:

Observarás que la amplitud de los segmentos 1-2, 2-3, 3-4, etc. corresponde al valor instantáneo de la tensión o la corriente. Su valor se calcula con la siguiente fórmula:

Donde:
E_Inst, representa los valores de tensión instantáneos; si fuese una corriente sería I en vez de E.
E_max, representa el valor de tensión máximo, es decir la mayor tensión obtenida.
sen_α, representa el seno del ángulo formado por el conductor.

El valor de instantáneo es distinto para cada instante.
El valor máximo es la máxima amplitud del segmento del semiciclo positivo y la máxima amplitud en el semiciclo negativo. También se dice valor máximo o de pico.
El valor pico a pico es la máxima amplitud entre el valor pico positivo y el valor pico negativo. Si el pico positivo es de 5 voltios, por ejemplo y el pico negativo son 5 voltios negativos, el valor pico a pico son 10 voltios ( se cuenta la tensión que existe entre ambas crestas, no su expresión algebraica ).
El valor medio es el promedio aritmético de todos los valores instantáneos de un semiciclo. Así calculamos que:

0,636 es el número que se obtiene por métodos aritméticos y sirve solamente para la onda sinusoidal.

Valor eficaz de una corriente alterna es el valor de una corriente continua que produce el mismo efecto térmico (calentamiento de los conductores). Así se dice que una corriente alterna tiene un valor eficaz de un amperio cuando produce un efecto térmico que una corriente continua de un amperio. Se suele representar con las siglas R.M.S.
Este valor es el más importante, ya que permite calcular el trabajo que realiza la corriente alterna. Para las ondas sinusoidales, es el 0,707 veces el valor máximo de la onda.

El valor que se obtiene de los instrumentos de medida, es siempre el valor eficaz.

Inductancias.

En las lecciones anteriores has estudiado el proceso del electromagnetismo, su relación con los fenómenos magnéticos y sus equivalencias eléctricas. El proceso electromagnético no tiene solo consecuencias en forma de campo EM, sino, que presenta otros comportamientos que se pueden manifestar sobre el propio conductor, y sobre otros conductores próximos a este. El proceso de transferencia de energía a través del campo EM, presenta varias características siendo una de ellas la inductancia.

Definición de inductancia:

Cualquier corriente eléctrica engendra siempre un campo magnético, campo especialmente reforzado si la corriente recorre las espiras de una bobina. Más aún si la bobina tiene un núcleo metálico.

El fenómeno es reversible, puesto que si un campo magnético variable corta un conductor, desarrolla en él una FEM, que da lugar a la circulación de corriente.

Según la ley de Lenz, estas últimas magnitudes, tensión y corrientes inducidas se oponen siempre a la causa que los produjo.

De acuerdo a estas características, se produce un efecto de autoinducción que junto con la inductancia, presenta una importancia fundamental en los circuitos electrónicos, razón por la cual es importante definirla, previa aclaración de aspectos:

• Aún cuando sea constantemente variable la corriente que circula por una bobina, ésta no se comporta como una resistencia puesto que la resistencia es un elemento disipador y la bobina es un conservador que devuelve la energía absorbida en dicho momento, siguiendo las variaciones de la corriente, al igual que lo hace el condensador.
• Puesto que la bobina está constituida por un conductor eléctrico, no se puede evitar que posea resistencia eléctrica, por tanto limitará la corriente máxima y disipará calor, hecho que estudiarás en la lección 8.La oposición que presenta cualquier bobina a la corriente recibe el nombre de inductancia, y es un efecto similar a la inercia mecánica puesto que ambas están diferenciadas de la resistencia y del rozamiento.

El Henrio:

Es la unidad de medida de la inductancia y su símbolo es H (no confundir con el H de las líneas de fuerza). Se dice que una bobina tiene una inductancia de un henrio cuando al variar la intensidad de corriente que recorre unas espiras a razón de un amperio por segundo, el valor de la fuerza contra electromotriz inducida es de un voltio.
El henrio también es la unidad de medida de la inductancia mutua (M), cosa que es normal de entender ya que mientras más próximos estén dos o más bobinas entre sí, mayor será la inducción y, por tanto la FCEM, también. Se suele utilizar los submúltiplos mili y micro, ya que la unidad en sí, es demasiado grande.

Efectos especiales de la corriente alterna:

Las características particulares de las corrientes variables dan lugar a unos efectos especiales que vas a estudiar a continuación.

Efecto "SKIN" o de Kelvin:

Se trata de un efecto que aparece en los conductores, cuando por estos circula C.A. Si circulara C.C. no se produciría este efecto. La consecuencia de este efecto es que debido a las rápidas variaciones de la corriente, se produce la influencia de los campos EM variables creados por la propia corriente tendiendo a modificar la distribución homogénea de la misma en el conductor, haciendo que la corriente circule por la periferia del conductor.

Como observas en el dibujo, la corriente se concentra en la periferia en (b). A medida que aumenta la frecuencia de la corriente, el efecto se hace mas notable hasta el extremo que prácticamente la corriente circula por la superficie exterior del conductor. Las consecuencias de este fenómeno son, que al reducirse la sección por la que va a circular la corriente, aumenta la resistencia eléctrica, cuyo valor aumenta según aumenta la frecuencia. Para evitar este efecto, en la práctica se fabrican conductores tubulares (huecos) con amplio diámetro exterior y paredes muy delgadas. De esta manera se logra ahorrar material, con su peso y costo, ya que la corriente no circula por su interior. También se suele emplear cinta de cobre como conductores de corriente de alta frecuencia, puesto que con la misma cantidad de material se logran mayores superficies exteriores; Este procedimiento se utiliza en la fabricación de bobinas que trabajan con grandes intensidades de corriente.

Cable de Litz:

Cuando las corrientes de frecuencia elevada son muy débiles, para evitar el efecto peculiar se utiliza, para devanar las boinas, un conductor especial formado por un número de hilos muy finos y enrollados entre sí y aislados, que forman un conjunto. De esta manera se aprovecha la superficie circular de cada uno de ellos, que así se ve multiplicada con respecto a la que ofrecería un solo conductor del mismo diámetro que el conjunto de ellos. Este conductor de varios hilos retorcidos y aislados entre sí, recibe el nombre de cable de Litz.

Efecto de proximidad:

En un conductor recto existe el efecto peculiar y si se enrolla, dicho efecto sigue existiendo.
El efecto de proximidad aparece cuando dos o más conductores, por los cuales circula C.A, están suficientemente cerca para que sus respectivos campos EM lleguen a interferirse, produciendo un aumento de resistencia de los mismos; este efecto es por proximidad. Este efecto no aparece en un conductor recto que está solo; pero si este conductor se enrolla, aparece el efecto por la proximidad de las espiras de la bobina, haciendo que la corriente se concentre en la cara interior de las espiras, reduciendo la sección por la cual circula la corriente en el conductor. La acción de este efecto disminuye cuando la separación de los conductores aumenta, por lo que en la práctica lo que se hace es aumentar la separación de las espiras.

Efecto corona:

Se manifiesta por una descarga luminosa y siseante que aparece alrededor de un conductor cuando la C.A aumenta a un valor crítico y produce la ionización del aire de alrededor del conductor. Este efecto aparecía en los antiguos televisores, pues debido a la alta tensión de la válvula del tubo de imagen, se manifestaba una luminosidad violácea y un ruido característico. Para evitarlo se procura superficies limpias y pulidas, con curvas suaves y evitar puntas. Las pérdidas de este efecto aumentan con la tensión y disminuyen con la presión atmosférica.

Perdidas por radiación:

Se trata de una pérdida muy particular cuando se trabaja con frecuencias muy elevadas. Parte de la energía contenida en la corriente de alta frecuencia que circula por el conductor al aire libre, puede escaparse en forma de radiación bajo formas de ondas electromagnéticas; este es el mismo efecto que se aprovecha para la transmisión de audio, video, datos, etc. Para evitar en todo lo posible este fenómeno, se suele enterrar los conductores de alta frecuencia y gran tensión.

Contante de tiempo RL:

Lo mismo que los condensadores, las inductancias también poseen su constante de tiempo. Se dice constante de tiempo al tiempo necesario para que la intensidad de corriente en una inductancia alcance el 63% de valor máximo, o disminuya el 37% del mismo valor al cortar el paso de la corriente.
Su valor en segundos es igual a la inductancia, en henrios, dividida por la resistencia del circuito en ohmios, que puede ser la un resistor conectado en serie o bien la del devanado de la bobina, que se representa con una resistencia en serie con ella. De cualquier forma:

Aquí se te muestra un circuito en que permite cerrar el paso de la corriente por la inductancia y permite poner en cortocircuito al elemento L-R para que el campo EM desarrollado a su alrededor pueda transformarse en corriente eléctrica; L1, tiene un valor de 10H en serie con una resistencia de 10Ω.

Aunque estos valores están exagerados, sirven para demostraros los efectos. Cuando se cierra el interruptor de alimentación, circulará una corriente que producirá un campo EM al pasar por L1, Este campo tarda un tiempo en conseguir su valor máximo debido a la FCEM.
El tiempo que tarda en alcanzar el 63% del máximo campo EM, es la constante de tiempo.
Cuando se cambia el interruptor de sentido, la inductancia L1 y la R1 están en cortocircuito, con lo que el campo comienza a decrecer, pero tarda un poco debido a que se produce una autoinducción. El tiempo en que el campo EM se ha reducido en un 63% se considera constante de tiempo pero en tiempo decreciente. La intensidad eléctrica no puede modificar nunca la constante de tiempo L/R.

Capacidad e inductancia distributiva:

A lo largo de todo lo que has estudiado hasta ahora sobre las bobinas, se ha supuesto que las mismas tienen inductancia. Igualmente ocurre algo semejante con la capacidad ligada a los condensadores, aunque no es exclusiva de los mismos; Puesto que las bobinas están constituidas por espiras, y estas son conductores que se hallan enfrentados entre sí, toda bobina física presenta una capacidad además de su inductancia.

Esta capacidad se halla distribuida por todo el devanado y aumentará si la bobina va blindada.De la misma manera, un condensador está formado por conductores a los que se aplican corriente eléctrica, por lo que también conllevan una inductancia, ya que generan un campo EM.

Este hecho, es importante, en el caso de las bobinas, para las frecuencias muy altas, ya que lo que se produce un aumento de la resistencia y ofrece un camino más fácil de la corriente a través de dicha capacidad por lo que deja de circular corriente por la inductancia, por ofrecer menos reactancia capacitiva que inductiva a dichas frecuencias.
Este comportamiento de la inductancia hace conveniente reducir la capacidad distributiva, cuando las mismas poseen un elevado número de vueltas o espiras, lo que se logra devanándolas de distintas maneras, siendo la más conocida como alveolar, reticular o nido de abeja.

Frecuencias de trabajo de las bobinas:

De acuerdo a la frecuencia y la aplicación de las bobinas, se pueden agrupar en tres grupos:

Bobinas para frecuencias de red eléctrica, para variaciones de frecuencias bajas (de 50 a 100 Hz).

Bobinas para audiofrecuencia; hasta variaciones de 25000 Hz.

Bobinas de radiofrecuencia; para superiores a 25000 Hz.

A continuación se muestra una tabla que indica la relación y equivalencia de cada valor de la corriente alterna con respecto a todos los demás. Así la tensión o corriente eficaz de una corriente sinusoidal es igual a la máxima magnitud de pico multiplicada por 0,707; la tensión pico a pico es igual a la eficaz por 2,828, etc. Conviene tener muy presente que la tabla solo es válida para corriente alterna de forma de onda sinusoidal.

Bien damos por terminado las sección de prácticas del tema 6. Ahora visita el vídeo AQUÍ, para ampliar conocimientos. Gracias por tu tiempo.