¿Qué es la corriente alterna (CA)?

La mayoría de los estudiantes de electricidad comienzan sus estudios con lo que se conoce como corriente continua (CC), que es la electricidad que fluye en una dirección constante y / o que posee un voltaje con polaridad constante.

La CC es el tipo de electricidad que produce una batería (con terminales positivos y negativos definidos), o el tipo de carga que se genera al frotar ciertos tipos de materiales entre sí.

Corriente alterna frente a corriente continua

Por muy útil y fácil de entender que sea la CC, no es el único "tipo" de electricidad que se utiliza. Ciertas fuentes de electricidad (más notablemente, los generadores electromecánicos rotativos) producen naturalmente voltajes que alternan en polaridad, invirtiendo positivo y negativo con el tiempo.

Ya sea como una polaridad de conmutación de voltaje o como una dirección de conmutación de corriente hacia adelante y hacia atrás, este "tipo" de electricidad se conoce como corriente alterna (CA):

Corriente continua frente a corriente alterna

Mientras que el símbolo familiar de la batería se utiliza como símbolo genérico para cualquier fuente de voltaje de CC, el círculo con la línea ondulada en el interior es el símbolo genérico para cualquier fuente de voltaje de CA.

Uno podría preguntarse por qué alguien se molestaría con algo como AC. Es cierto que, en algunos casos, la CA no tiene ninguna ventaja práctica sobre la CC.

En aplicaciones donde se usa electricidad para disipar energía en forma de calor, la polaridad o dirección de la corriente es irrelevante, siempre que haya suficiente voltaje y corriente en la carga para producir el calor deseado (disipación de potencia). Sin embargo, con CA es posible construir generadores eléctricos, motores y sistemas de distribución de energía que son mucho más eficientes que CC, por lo que encontramos que la CA se usa predominantemente en todo el mundo en aplicaciones de alta potencia.

Para explicar los detalles de por qué esto es así, es necesario un poco de conocimiento previo sobre AC.

Alternadores de CA

Si una máquina está construida para rotar un campo magnético alrededor de un conjunto de bobinas de alambre estacionarias con el giro de un eje, se producirá voltaje de CA a través de las bobinas de alambre a medida que se gira ese eje, de acuerdo con la Ley de inducción electromagnética de Faraday.

Este es el principio de funcionamiento básico de un generador de CA, también conocido como alternador :Figura siguiente

Funcionamiento del alternador

Observe cómo la polaridad del voltaje a través de las bobinas del cable se invierte a medida que pasan los polos opuestos del imán giratorio.

Conectado a una carga, esta polaridad de voltaje inverso creará una dirección de corriente inversa en el circuito. Cuanto más rápido gire el eje del alternador, más rápido girará el imán, lo que dará como resultado un voltaje y una corriente alternos que cambian de dirección con más frecuencia en un período de tiempo determinado.

Si bien los generadores de CC funcionan según el mismo principio general de inducción electromagnética, su construcción no es tan simple como sus homólogos de CA.

Con un generador de CC, la bobina de alambre se monta en el eje donde está el imán en el alternador de CA, y las conexiones eléctricas se realizan a esta bobina giratoria a través de "escobillas" de carbón estacionarias que hacen contacto con tiras de cobre en el eje giratorio.

Todo esto es necesario para cambiar la polaridad de salida cambiante de la bobina al circuito externo para que el circuito externo vea una polaridad constante:

Funcionamiento del generador de CC

El generador que se muestra arriba producirá dos pulsos de voltaje por revolución del eje, ambos pulsos en la misma dirección (polaridad). Para que un generador de CC produzca constante voltaje, en lugar de breves pulsos de voltaje una vez cada 1/2 revolución, hay varios conjuntos de bobinas que hacen contacto intermitente con las escobillas.

El diagrama que se muestra arriba es un poco más simplificado de lo que vería en la vida real.

Los problemas relacionados con hacer y romper el contacto eléctrico con una bobina en movimiento deberían ser obvios (chispas y calor), especialmente si el eje del generador gira a alta velocidad. Si la atmósfera que rodea la máquina contiene vapores inflamables o explosivos, los problemas prácticos de los contactos de las escobillas que producen chispas son aún mayores.

Un generador de CA (alternador) no requiere escobillas ni conmutadores para funcionar, por lo que es inmune a estos problemas que experimentan los generadores de CC.

Motores de CA

Los beneficios de la CA sobre la CC con respecto al diseño del generador también se reflejan en los motores eléctricos.

Mientras que los motores de CC requieren el uso de escobillas para hacer contacto eléctrico con las bobinas de alambre en movimiento, los motores de CA no lo hacen. De hecho, los diseños de motores de CA y CC son muy similares a sus contrapartes del generador (idénticos por el bien de este tutorial), el motor de CA depende del campo magnético inverso producido por la corriente alterna a través de sus bobinas de alambre estacionarias para hacer girar el imán giratorio. alrededor de su eje, y el motor de CC depende de que los contactos del cepillo hagan y desconecten las conexiones para invertir la corriente a través de la bobina giratoria cada 1/2 rotación (180 grados).

Transformadores

Entonces sabemos que los generadores de CA y los motores de CA tienden a ser más simples que los generadores de CC y los motores de CC. Esta relativa simplicidad se traduce en una mayor fiabilidad y un menor coste de fabricación. Pero, ¿para qué más sirve el aire acondicionado? ¡Seguramente debe haber más que detalles de diseño de generadores y motores! De hecho la hay.

Existe un efecto de electromagnetismo conocido como inducción mutua , mediante el cual dos o más bobinas de alambre se colocan de manera que el campo magnético cambiante creado por uno induzca un voltaje en el otro. Si tenemos dos bobinas mutuamente inductivas y energizamos una bobina con CA, crearemos un voltaje CA en la otra bobina. Cuando se usa como tal, este dispositivo se conoce como transformador :

El transformador "transforma" el voltaje y la corriente CA.

El significado fundamental de un transformador es su capacidad para subir o bajar el voltaje de la bobina alimentada a la bobina no alimentada. El voltaje de CA inducido en la bobina no alimentada ("secundaria") es igual al voltaje de CA a través de la bobina alimentada ("primaria") multiplicado por la relación entre las vueltas de la bobina secundaria y las vueltas de la bobina primaria.

Si la bobina secundaria está alimentando una carga, la corriente a través de la bobina secundaria es todo lo contrario:la corriente de la bobina primaria multiplicada por la relación entre las vueltas del primario y el secundario. Esta relación tiene una analogía mecánica muy cercana, usando par y velocidad para representar voltaje y corriente, respectivamente:

Acelere los pasos del tren de engranajes de multiplicación hacia abajo y acelerando. El transformador reductor reduce el voltaje y aumenta la corriente.

Si la relación de bobinado se invierte de modo que la bobina primaria tenga menos vueltas que la bobina secundaria, el transformador "aumenta" el voltaje desde el nivel de la fuente a un nivel más alto en la carga:

El tren de engranajes de reducción de velocidad aumenta el par y disminuye la velocidad. El transformador elevador aumenta el voltaje y disminuye la corriente.

La capacidad del transformador para subir o bajar el voltaje de CA con facilidad le da a la CA una ventaja incomparable con la CC en el ámbito de la distribución de energía en la figura siguiente.

Cuando se transmite energía eléctrica a largas distancias, es mucho más eficiente hacerlo con voltajes elevados y corrientes reducidas (cable de diámetro más pequeño con pérdidas de energía menos resistivas), luego reduzca el voltaje y vuelva a subir la corriente durante uso industrial, empresarial o del consumidor.

Los transformadores permiten una transmisión eficiente de energía eléctrica de alto voltaje a larga distancia.

La tecnología de transformadores ha hecho que la distribución de energía eléctrica de largo alcance sea práctica. Sin la capacidad de subir y bajar el voltaje de manera eficiente, sería prohibitivo construir sistemas de energía para cualquier uso que no sea de corto alcance (dentro de unas pocas millas como máximo).

Tan útiles como son los transformadores, solo funcionan con CA, no con CC. Porque el fenómeno de la inductancia mutua se basa en cambiar Los campos magnéticos y la corriente continua (CC) solo pueden producir campos magnéticos estables, los transformadores simplemente no funcionan con corriente continua.

Por supuesto, la corriente continua puede interrumpirse (pulsarse) a través del devanado primario de un transformador para crear un campo magnético cambiante (como se hace en los sistemas de encendido de automóviles para producir energía de bujía de alto voltaje a partir de una batería de CC de bajo voltaje), pero La CC pulsada no es tan diferente de la CA.

Quizás más que cualquier otra razón, esta es la razón por la que la CA encuentra una aplicación tan extendida en los sistemas de energía.

REVISAR:

• DC significa "corriente continua", que significa voltaje o corriente que mantiene la polaridad o dirección constante, respectivamente, a lo largo del tiempo.
• AC significa "corriente alterna", que significa voltaje o corriente que cambia de polaridad o dirección, respectivamente, con el tiempo.
• Generadores electromecánicos de CA, conocidos como alternadores , son de construcción más simple que los generadores electromecánicos de CC.
• El diseño de motores de CA y CC sigue muy de cerca los respectivos principios de diseño del generador.
• Un transformador es un par de bobinas mutuamente inductivas que se utilizan para transportar energía CA de una bobina a la otra. A menudo, el número de vueltas en cada bobina se establece para crear un aumento o disminución de voltaje desde la bobina con alimentación (primaria) a la bobina sin alimentación (secundaria).
• Voltaje secundario =voltaje primario (espiras secundarias / espiras primarias)
• Corriente secundaria =corriente primaria (vueltas primarias / vueltas secundarias)

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo básica de fuentes de alimentación CA-CC
• Hoja de trabajo de transformadores elevadores, reductores y de aislamiento