Comprender formas de onda CA: ondas senoidales, frecuencia y fundamentos del osciloscopio

Cuando un alternador genera voltaje CA, la polaridad cambia suavemente con el tiempo, formando una distintiva onda senoidal al graficarse.

Gráfico de voltaje CA en el tiempo (onda senoidal).

En la traza de voltaje del alternador, la transición de polaridad positiva a negativa es continua; la tasa de cambio alcanza su pico en el cruce por cero y es más lenta en los picos. Esto refleja la función seno matemática en un rango de 0–360°, como muestra la tabla siguiente.

Función seno trigonométrica

El alternador electromecánico produce una señal CA senoidal porque el voltaje inducido en bobinas estacionarias es proporcional a la tasa de cambio de flujo magnético, que sigue una función seno a medida que el rotor gira (Ley de Faraday de Inducción Electromagnética). Cuando los polos magnéticos están más cerca de las bobinas, el flujo cambia más rápido; cuando están más lejos, el cambio es más lento, produciendo la familiar sinusoide suave.

Período vs Frecuencia

Un ciclo completo de la forma de onda es la distancia entre puntos idénticos en el gráfico —comúnmente entre picos sucesivos. El eje horizontal puede leerse en grados (0–360°) o en tiempo, según contexto. El lapso de tiempo de un ciclo se llama período, usualmente expresado en segundos.

Como un ciclo completo abarca 360°, el período en grados es siempre 360°, pero el tiempo que toma un ciclo depende de qué tan rápido oscila el voltaje. El recíproco del período es la frecuencia, medida en Hertz (Hz) como ciclos por segundo. En EE. UU., la red eléctrica funciona a 60 Hz, mientras que las redes europeas operan a 50 Hz.

Históricamente, la frecuencia se denotaba como «ciclos por segundo» (CPS). El cambio a Hertz, en honor a Heinrich Hertz, es ampliamente aceptado en ingeniería moderna.

Período y frecuencia son inversos matemáticos:

Uso de un osciloscopio

Un osciloscopio muestra voltaje como función de tiempo en una pantalla, similar a como un ECG muestra actividad cardíaca. Midiendo la distancia horizontal entre puntos idénticos en la forma de onda mostrada, puede determinar el período y luego calcular la frecuencia.

Período de onda senoidal mostrado en osciloscopio.

CA y sonido: Una analogía útil

Las ondas eléctricas y las ondas de sonido comparten propiedades fundamentales: ambas varían en el tiempo y pueden caracterizarse por frecuencia. En música, la frecuencia corresponde al tono. Por ejemplo, la nota A4 está afinada a 440 Hz; una octava arriba es 880 Hz, exactamente el doble de frecuencia.

A continuación, una tabla de notas musicales comunes y sus frecuencias:

Notas que comparten la misma letra difieren en una relación de frecuencia 2:1, lo que explica por qué dos tonos una octava aparte suenan tan similares. El teclado de piano ilustra este espaciado: una octava abarca siete teclas blancas.

Una octava mostrada en un teclado musical.

Otras formas de ondas alternantes

Si bien los alternadores producen naturalmente ondas seno, muchos circuitos electrónicos generan intencionalmente otras formas de onda. Formas comunes incluyen cuadrada, triangular y diente de sierra, cada una con contenido armónico distinto. Incluso cuando un circuito está diseñado para emitir una onda seno pura, factores reales a menudo introducen distorsión.

Algunas formas de onda comunes (waveforms).

Formas de onda que se asemejan mucho a una seno perfecta se llaman senoidales; cualquier desviación se denomina no senoidales. Entender la forma de una onda CA es crucial porque influye en cómo la onda interactúa con circuitos eléctricos.

Repaso

• Los alternadores producen una señal CA senoidal.
• Un ciclo es una evolución completa de la forma de onda.
• El período es el tiempo para un ciclo.
• La frecuencia es el número de ciclos por segundo (Hz). 1 Hz = un ciclo por segundo.
• Frecuencia = 1 / (período en segundos).

Hojas de trabajo relacionadas

• Hoja de trabajo: Formas de onda CA
• Hoja de trabajo: Operación básica de osciloscopio