Formas de onda de CA
Cuando un alternador produce voltaje de CA, el voltaje cambia la polaridad con el tiempo, pero lo hace de una manera muy particular. Cuando se grafica a lo largo del tiempo, la "onda" trazada por este voltaje de polaridad alterna de un alternador adquiere una forma distinta, conocida como onda sinusoidal :Figura siguiente
Gráfico del voltaje de CA a lo largo del tiempo (la onda sinusoidal).
En la gráfica de voltaje de un alternador electromecánico, el cambio de una polaridad a la otra es suave, el nivel de voltaje cambia más rápidamente en el punto cero (“cruce”) y más lentamente en su pico. Si tuviéramos que graficar la función trigonométrica de "seno" en un rango horizontal de 0 a 360 grados, encontraríamos exactamente el mismo patrón que en la Tabla siguiente.
Función "seno" trigonométrica.
La razón por la que un alternador electromecánico genera una corriente alterna de onda sinusoidal se debe a la física de su funcionamiento. El voltaje producido por las bobinas estacionarias por el movimiento del imán giratorio es proporcional a la velocidad a la que el flujo magnético cambia perpendicularmente a las bobinas (Ley de inducción electromagnética de Faraday). Esa tasa es mayor cuando los polos del imán están más cerca de las bobinas, y menor cuando los polos del imán están más lejos de las bobinas. Matemáticamente, la tasa de cambio de flujo magnético debido a un imán giratorio sigue la de una función sinusoidal, por lo que el voltaje producido por las bobinas sigue la misma función.
Periodo frente a frecuencia
Si tuviéramos que seguir el voltaje cambiante producido por una bobina en un alternador desde cualquier punto en el gráfico de onda sinusoidal hasta ese punto cuando la forma de onda comienza a repetirse, habríamos marcado exactamente un ciclo de esa ola. Esto se muestra más fácilmente al abarcar la distancia entre picos idénticos, pero se puede medir entre cualquier punto correspondiente en el gráfico. Las marcas de grado en el eje horizontal del gráfico representan el dominio de la función seno trigonométrica y también la posición angular de nuestro eje de alternador simple de dos polos a medida que gira:Figura siguiente
Voltaje del alternador en función de la posición del eje (tiempo).
Dado que el eje horizontal de este gráfico puede marcar el paso del tiempo así como la posición del eje en grados, la dimensión marcada para un ciclo a menudo se mide en una unidad de tiempo, la mayoría de las veces segundos o fracciones de segundo. Cuando se expresa como una medida, a menudo se denomina período de una ola.
El período de una ola en grados es siempre 360, pero la cantidad de tiempo que ocupa un período depende de la velocidad de oscilación del voltaje.
Una medida más popular para describir la tasa alterna de una onda de corriente o voltaje de CA que período es la tasa de esa oscilación hacia adelante y hacia atrás. Esto se llama frecuencia . La unidad moderna de frecuencia es el hercio (abreviado Hz), que representa el número de ciclos de onda completados durante un segundo de tiempo.
En los Estados Unidos de América, la frecuencia estándar de la línea eléctrica es de 60 Hz, lo que significa que el voltaje de CA oscila a una velocidad de 60 ciclos completos de ida y vuelta por segundo. En Europa, donde la frecuencia del sistema eléctrico es de 50 Hz, el voltaje de CA solo completa 50 ciclos por segundo.
El transmisor de una estación de radio que transmite a una frecuencia de 100 MHz genera un voltaje de CA que oscila a una velocidad de 100 millones ciclos cada segundo.
Antes de la canonización de la unidad de Hertz, la frecuencia se expresaba simplemente como "ciclos por segundo". Los medidores y equipos electrónicos más antiguos a menudo llevaban unidades de frecuencia de "CPS" (ciclos por segundo) en lugar de Hz. Mucha gente cree que el cambio de unidades autoexplicativas como CPS a Hertz constituye un paso atrás en claridad.
Un cambio similar ocurrió cuando la unidad de "Celsius" reemplazó a la de "Centígrados" para la medición de temperatura métrica. El nombre Centígrado se basó en una escala de 100 cuentas ("Centi-") ("-grado") que representa los puntos de fusión y ebullición de H 2 O, respectivamente.
El nombre Celsius, por otro lado, no da ninguna pista sobre el origen o el significado de la unidad.
El período y la frecuencia son recíprocos matemáticos entre sí. Es decir, si una onda tiene un período de 10 segundos, su frecuencia será de 0,1 Hz, o 1/10 de ciclo por segundo:
Uso de un osciloscopio
Un instrumento llamado osciloscopio La figura siguiente se utiliza para mostrar un voltaje cambiante a lo largo del tiempo en una pantalla gráfica. Es posible que esté familiarizado con la apariencia de un ECG o electrocardiograma (electrocardiógrafo), utilizado por los médicos para representar gráficamente las oscilaciones del corazón de un paciente a lo largo del tiempo.
El ECG es un osciloscopio de propósito especial diseñado expresamente para uso médico. Los osciloscopios de uso general tienen la capacidad de mostrar voltaje de prácticamente cualquier fuente de voltaje, trazado como un gráfico con el tiempo como variable independiente.
Es muy útil conocer la relación entre el período y la frecuencia cuando se muestra una tensión de CA o una forma de onda de corriente en la pantalla de un osciloscopio. Midiendo el período de la onda en el eje horizontal de la pantalla del osciloscopio y alternando ese valor de tiempo (en segundos), puede determinar la frecuencia en Hertz.
El período de tiempo de la onda sinusoidal se muestra en el osciloscopio.
¿Cómo se relaciona el concepto de CA con el sonido?
El voltaje y la corriente no son de ninguna manera las únicas variables físicas sujetas a variación en el tiempo. Mucho más común en nuestra experiencia diaria es sonido , que no es más que la compresión y descompresión (ondas de presión) alternas de las moléculas de aire, interpretadas por nuestros oídos como una sensación física. Dado que la corriente alterna es un fenómeno ondulatorio, comparte muchas de las propiedades de otros fenómenos ondulatorios, como el sonido. Por esta razón, el sonido (especialmente la música estructurada) proporciona una excelente analogía para relacionar conceptos AC.
En términos musicales, la frecuencia equivale a tono . Las notas de tono bajo, como las producidas por una tuba o un fagot, consisten en vibraciones de moléculas de aire que son relativamente lentas (baja frecuencia). Las notas de tono alto, como las producidas por una flauta o un silbato, consisten en el mismo tipo de vibraciones en el aire, solo que vibran a un ritmo mucho más rápido (frecuencia más alta). La siguiente figura es una tabla que muestra las frecuencias reales para una variedad de notas musicales comunes.
523.25
Los observadores astutos notarán que todas las notas en la mesa que llevan la misma letra están relacionadas por una relación de frecuencia de 2:1. Por ejemplo, la primera frecuencia que se muestra (designada con la letra "A") es 220 Hz. La siguiente nota "A" más alta tiene una frecuencia de 440 Hz, exactamente el doble de ciclos de ondas sonoras por segundo.
La misma relación 2:1 es válida para el primer La sostenido (233,08 Hz) y el siguiente La sostenido (466,16 Hz), y para todos los pares de notas que se encuentran en la tabla.
Audiblemente, dos notas cuyas frecuencias son exactamente el doble entre sí suenan notablemente similares. Esta similitud en el sonido se reconoce musicalmente, el intervalo más corto en una escala musical que separa estos pares de notas se denomina octava . Siguiendo esta regla, la siguiente nota "A" más alta (una octava por encima de 440 Hz) será 880 Hz, la siguiente "A" más baja (una octava por debajo de 220 Hz) será 110 Hz.
Una vista de un teclado de piano ayuda a poner esta escala en perspectiva:Figura siguiente
Se muestra una octava en un teclado musical.
Como puede ver, una octava es igual a siete la distancia de las teclas blancas en un teclado de piano. El mnemónico musical familiar (doe-ray-mee-fah-so-lah-tee) —sí, el mismo patrón inmortalizado en la caprichosa canción de Rodgers y Hammerstein cantada en The Sound of Music— cubre una octava de Do a Do.
Otras formas de ondas alternas
Si bien los alternadores electromecánicos y muchos otros fenómenos físicos producen naturalmente ondas sinusoidales, este no es el único tipo de onda alterna que existe. Otras "formas de onda" de CA se producen comúnmente dentro de los circuitos electrónicos. Aquí hay solo algunas formas de onda de muestra y sus designaciones comunes en la siguiente figura.
Algunas formas de onda comunes (formas de onda).
Estas formas de onda no son de ninguna manera los únicos tipos de formas de onda que existen. Son simplemente algunos que son lo suficientemente comunes como para haber recibido nombres distintos. Incluso en circuitos que se supone que manifiestan formas de onda de voltaje / corriente sinusoidal, cuadrada, triangular o de diente de sierra "puras", el resultado de la vida real es a menudo una versión distorsionada de la forma de onda deseada.
Algunas formas de onda son tan complejas que desafían la clasificación como un “tipo” particular (incluidas las formas de onda asociadas con muchos tipos de instrumentos musicales). En términos generales, cualquier forma de onda que se parezca mucho a una onda sinusoidal perfecta se denomina sinusoidal , cualquier cosa diferente se etiquetará como no sinusoidal .
Dado que la forma de onda de un voltaje o corriente CA es crucial para su impacto en un circuito, debemos ser conscientes del hecho de que las ondas CA vienen en una variedad de formas.
REVISAR:
- La CA producida por un alternador electromecánico sigue la forma gráfica de una onda sinusoidal.
- Un ciclo de una ola es una evolución completa de su forma hasta el punto en que está lista para repetirse.
- El período de una ola es la cantidad de tiempo que se tarda en completar un ciclo.
- Frecuencia es el número de ciclos completos que completa una onda en un período de tiempo determinado. Por lo general, se mide en hercios (Hz), siendo 1 Hz igual a un ciclo de onda completo por segundo.
- Frecuencia =1 / (período en segundos)
HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:
- Hoja de trabajo de formas de onda de CA
- Hoja de trabajo de funcionamiento básico del osciloscopio
Tecnología Industrial