Corriente alterna para niños

La corriente alterna (conocida como CA o AC, por sus siglas en inglés de Alternating Current) es un tipo de corriente eléctrica en la que la fuerza y la dirección de la electricidad cambian de forma repetida.

La forma más común de corriente alterna es la que tiene una forma de onda llamada sinusoidal. Esta forma es la más eficiente para transportar energía, por eso, cuando hablamos de corriente alterna, casi siempre nos referimos a la corriente alterna sinusoidal.

Sin embargo, en algunos casos especiales, se usan otras formas de onda que también se repiten, como la triangular o la rectangular.

En general, la corriente alterna es la forma en que la electricidad llega a nuestras casas y a las fábricas. Pero también hay otros ejemplos, como las señales de audio y de radio que viajan por los cables eléctricos. En estos casos, el objetivo principal es enviar y recibir información que ha sido "codificada" o "modulada" en la señal de corriente alterna.

Contenido

Historia de la Corriente Alterna
- ¿Cómo Ayudaron los Transformadores a la Corriente Alterna?
- Nikola Tesla y la Corriente Alterna
Corriente Alterna vs. Corriente Continua
Las Matemáticas y la Corriente Alterna Sinusoidal
Corriente Trifásica

Historia de la Corriente Alterna

El primer aparato para producir corriente alterna se llamó alternador. Fue un generador basado en las ideas de Michael Faraday y lo construyó el francés Hippolyte Pixii en 1832. Más tarde, Pixii le añadió una pieza para que su invento produjera corriente continua, que era más usada en ese momento.

Uno de los primeros usos prácticos de la corriente alterna fue en 1855, cuando Guillaume Duchenne la usó para ayudar a los músculos a contraerse en tratamientos médicos, y descubrió que era mejor que la corriente continua para eso. La tecnología de la corriente alterna se desarrolló primero en Europa gracias al trabajo de Duchenne, la empresa húngara Ganz Works en la década de 1870, y en la década de 1880 por científicos como William Stanley, Sebastian Ziani de Ferranti, Lucien Gaulard y Galileo Ferraris.

En 1876, el ingeniero ruso Pável Yáblochkov creó un sistema de iluminación. Usó unas piezas llamadas bobinas de inducción a lo largo de una línea de CA de alto voltaje. Estas bobinas transferían energía a otras bobinas más pequeñas que estaban conectadas a sus "velas eléctricas" (lámparas de arco). Esto evitaba que si una lámpara fallaba, todo el circuito dejara de funcionar. En 1878, la empresa Ganz Works de Budapest, Hungría, empezó a fabricar equipos de iluminación eléctrica y, para 1883, ya habían instalado más de cincuenta sistemas en Austria-Hungría usando lámparas de arco, bombillas incandescentes y generadores de CA.

¿Cómo Ayudaron los Transformadores a la Corriente Alterna?

Los sistemas de corriente alterna pueden usar transformadores. Estos aparatos son muy útiles porque pueden cambiar la electricidad de un voltaje bajo a uno alto, y viceversa. Esto permite que la electricidad se genere con un voltaje bajo, se eleve a un voltaje muy alto para viajar largas distancias (lo que ahorra dinero en cables y evita que se pierda mucha energía), y luego se baje de nuevo a un voltaje seguro para usarla en casas y fábricas.

En 1881, Lucien Gaulard y John Dixon Gibbs mostraron en Londres un transformador. Este invento llamó la atención de la empresa Westinghouse Electric. Sin embargo, los primeros transformadores no eran muy eficientes. Al principio, la idea era conectar los transformadores en serie para que la electricidad viajara con alto voltaje y llegara a las lámparas con bajo voltaje.

El problema de este método era que si una lámpara se apagaba, afectaba el voltaje de todas las demás en el mismo circuito. La corriente continua no tenía estos problemas, lo que le daba una ventaja sobre los primeros sistemas de CA.

Nikola Tesla y la Corriente Alterna

En 1888, el inventor e ingeniero serbio Nikola Tesla diseñó y construyó el primer motor de inducción de corriente alterna. Este motor podía convertir la energía eléctrica en movimiento giratorio, lo que permitía que los motores funcionaran directamente con corriente alterna.

Tesla notó que la energía de la corriente alterna viajaba con pequeñas "pausas". Para solucionar esto, creó una segunda señal que no estaba en el mismo ritmo que la primera, para "llenar" esas pausas. Esto permitió que la corriente alterna se pudiera amplificar sin necesidad de construir nuevas centrales eléctricas, algo que sí requería la corriente continua.

Al principio, la gente tenía miedo de usar la corriente alterna en los hogares por la gran cantidad de energía que manejaba. Para resolver esto, Tesla mejoró un aparato que ya existía, el transformador. Con este componente, se podía aumentar el voltaje para el transporte y luego disminuirlo para que fuera seguro para los usuarios finales. Gracias a las mejoras en el transformador, el invento del motor eléctrico y la capacidad de aumentar o disminuir el voltaje de la CA, entre otras cosas, Nikola Tesla ganó la famosa "guerra de las corrientes" contra Thomas Alva Edison, quien prefería la corriente continua.

Más tarde, en 1885, el físico William Stanley también usó el principio de inducción para transferir corriente alterna entre dos circuitos separados. Su idea principal fue enrollar un par de bobinas en una base de hierro común, creando lo que se llamó una bobina de inducción.

El sistema de corriente alterna que usamos hoy en día fue ideado principalmente por Nikola Tesla, y su distribución fue comercializada por George Westinghouse. La corriente alterna superó las limitaciones de la corriente continua (CC), que no era eficiente para distribuir energía a gran escala.

Todas las patentes relacionadas con la corriente alterna fueron cedidas por Nikola Tesla a la empresa Westinghouse Electric para conseguir dinero y seguir desarrollando proyectos con la corriente alterna.

La primera vez que se transmitió corriente alterna entre ciudades fue en 1891, cerca de Telluride, Colorado, y poco después, de Lauffen a Fráncfort en Alemania. A pesar de las claras ventajas de la corriente alterna, Thomas Edison siguió defendiendo el uso de la corriente continua. Esto le costó su puesto en la empresa que él mismo fundó, Edison Electric, que luego cambió su nombre a la actual General Electric.

Corriente Alterna vs. Corriente Continua

La razón principal por la que la corriente alterna se usa tanto es que es muy fácil de transformar, algo que la corriente continua no puede hacer tan fácilmente. Para aumentar el voltaje en corriente continua, se necesitan conectar muchos generadores en serie, lo cual no es práctico. En cambio, con la corriente alterna, se usa un aparato llamado transformador, que permite aumentar o disminuir el voltaje de manera muy eficiente.

La energía eléctrica se calcula multiplicando el voltaje, la intensidad y el tiempo. Como el grosor de los cables para transportar energía eléctrica depende de la intensidad, un transformador puede elevar el voltaje a valores muy altos (alta tensión). Al hacer esto, la intensidad de la corriente disminuye en la misma proporción. Así, la misma cantidad de energía puede ser transportada a largas distancias con bajas intensidades de corriente, lo que significa que se pierde menos energía por el efecto Joule (calor) y otros efectos. Una vez que la electricidad llega cerca del lugar donde se va a usar, el voltaje se puede reducir de nuevo para que sea seguro y cómodo para el uso en industrias, hogares o comercios.

Las Matemáticas y la Corriente Alterna Sinusoidal

Algunos tipos de ondas que se repiten no tienen una fórmula matemática clara, lo que dificulta trabajar con ellas. Sin embargo, la onda sinusoidal sí tiene una expresión matemática definida y ofrece varias ventajas:

La función seno se describe perfectamente con su fórmula y su gráfica. Usando la teoría de los números complejos, es muy fácil analizar los circuitos de corriente alterna.
Las ondas que se repiten pero no son sinusoidales se pueden dividir en una suma de varias ondas sinusoidales de diferentes frecuencias. Esto se logra con las series de Fourier.
Es fácil generar grandes cantidades de energía con ondas sinusoidales, lo que facilita el transporte de la energía eléctrica.
Se pueden transformar fácilmente a diferentes voltajes usando transformadores.

La Onda Sinusoidal Explicada

Artículo principal: Sinusoide

Parámetros característicos de una oscilación sinusoidal

Una señal sinusoidal, como el voltaje, $v(t)$ , o la corriente, $i(t)$ , se puede describir matemáticamente como una función del tiempo con la siguiente ecuación:

a(t)=A_0 \cdot \sin(\omega t + \beta)

Donde:

$A_0$ es la amplitud (el valor máximo) en voltios o amperios.
$\omega$ es la pulsación o velocidad angular en radianes por segundo.
$t$ es el tiempo en segundos.
$\beta$ es el ángulo de fase inicial en radianes.

Como la velocidad angular es más usada por matemáticos, en ingeniería la fórmula se expresa más a menudo así:

a(t)=A_0 \cdot \sin(2 \pi f t + \beta)

Aquí, f es la frecuencia en hercios (Hz), y es el inverso del período ( $f=\frac{1}{T}$ ). Las frecuencias más comunes para la electricidad en los hogares son 50 Hz y 60 Hz.

Valores Importantes de una Señal Sinusoidal

Aquí te explicamos otros valores importantes de una señal sinusoidal:

Valor instantáneo (a(t)): Es el valor que tiene la señal en un momento específico, t.

Valor pico a pico (A_pp): Es la diferencia entre el punto más alto (pico positivo) y el punto más bajo (pico negativo) de la onda. Si una señal sinusoidal va de +A₀ a -A₀, su valor pico a pico es 2 veces A₀.

Valor medio (A_med): Es el promedio de los valores de la señal durante un período. En una señal sinusoidal completa, el valor medio es cero porque la parte positiva es igual a la negativa. Por eso, el valor medio de una onda sinusoidal se refiere a la mitad de un ciclo. Matemáticamente, se calcula como:

A_{med}= {2 A_0 \over {\pi}}

Pico o cresta: Es el valor máximo positivo que alcanza la onda en cada medio ciclo.

Valor eficaz (A): Este es un valor muy importante en la industria. Se define como el valor de una corriente (o voltaje) continua que produciría el mismo efecto de calor que su equivalente de corriente alterna. Es decir, si una corriente alterna produce cierta potencia en una resistencia, su valor eficaz es la corriente continua que produciría la misma potencia en esa misma resistencia. Matemáticamente, para una corriente alterna sinusoidal, el valor eficaz se calcula como:

A ={A_0 \over {\sqrt 2}}

El valor A (ya sea de voltaje o intensidad) es útil para calcular la potencia que consume un aparato.

Representación con Fasores

Una función sinusoidal se puede representar con un número complejo que gira, llamado fasor o representación de Fresnel. Este fasor tiene las siguientes características:

Gira a una velocidad angular $\omega$ .
Su tamaño (módulo) puede ser el valor máximo o el valor eficaz, según lo que se necesite.

Representación fasorial de una oscilación sinusoidal

La razón para usar fasores es que simplifican mucho los cálculos. Un fasor se puede definir fácilmente con un número complejo, lo que permite usar las reglas de los números complejos para analizar sistemas de corriente alterna.

Por ejemplo, si tenemos un voltaje de corriente alterna con el valor instantáneo:

Ejemplo de fasor tensión

$v(t) =4 \sin \left(1000t + {\pi \over {4}}\right)$ Si tomamos el valor eficaz como el módulo del fasor, su representación gráfica sería como la de la figura 4, y se escribiría así: $\vec{V} = 2 \sqrt 2 \ \mathrm e^{\mathrm{j} \frac{\pi}{4}} = 2 \sqrt 2 \ \angle 45^{\circ}$ Esto se llama forma polar. También se puede escribir como: $\vec{V} = 2 + 2 \mathrm{j}$ Esta es la forma binómica o rectangular.

Corriente Trifásica

Artículo principal: Sistema trifásico

La generación de energía eléctrica trifásica es la forma más común y la que usa los cables de manera más eficiente. El uso de electricidad trifásica es muy común en las industrias, donde muchas máquinas funcionan con motores diseñados para este tipo de voltaje.

Voltaje de las fases de un sistema trifásico. Entre cada una de las fases hay un desfase de 120º

La corriente trifásica está compuesta por tres ondas de oscilación que están desfasadas 120 grados una de la otra, como se ve en el diagrama de la figura 5.

Las corrientes trifásicas se producen con alternadores que tienen tres bobinas o grupos de bobinas. El retorno de cada uno de estos circuitos o fases se une en un punto llamado neutro. Si el sistema está equilibrado, la suma de las tres corrientes en el neutro es cero, lo que permite transportar la energía usando solo tres cables.

Esta forma de conexión se llama conexión en estrella. También existe la conexión en triángulo o delta, donde las bobinas se conectan formando un triángulo y los cables de línea salen de las esquinas.

Existen cuatro formas posibles de conectar el generador y la carga:

Estrella - Estrella
Estrella - Delta
Delta - Estrella
Delta - Delta

En los circuitos tipo estrella, las corrientes de fase y de línea son iguales. Cuando el sistema está equilibrado, los voltajes de línea son $\sqrt{3}$ veces mayores que los voltajes de fase y están adelantados 30 grados.

En los circuitos tipo triángulo o delta, los voltajes de fase y de línea son iguales. Cuando el sistema está equilibrado, la corriente de fase es $\sqrt{3}$ veces más pequeña que la corriente de línea y está adelantada 30 grados.

El sistema trifásico es un tipo especial de sistema polifásico de generación eléctrica, y es, con mucha diferencia, el más utilizado en el mundo.

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