Corriente Alterna (AC)
La corriente alterna describe el flujo de carga que cambia de dirección periódicamente. Como resultado, el nivel de voltaje también se invierte junto con la corriente. La CA se usa para suministrar energía a casas, edificios de oficinas, etc.
Generando AC
Se puede producir CA usando un dispositivo llamado alternador. Este dispositivo es un tipo especial de generador eléctrico diseñado para producir corriente alterna.
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Se hace girar un bucle de cable dentro de un campo magnético, que induce una corriente a lo largo del cable. La rotación del cable puede provenir de cualquier cantidad de medios: una turbina eólica, una turbina de vapor, agua corriente, etc. Debido a que el cable gira y entra periódicamente en una polaridad magnética diferente, el voltaje y la corriente se alternan en el cable.
Para generar CA en un conjunto de tuberías de agua, conectamos una manivela mecánica a un pistón que mueve el agua de las tuberías hacia adelante y hacia atrás (nuestra corriente “alterna”). Observe que la sección apretada de la tubería aún proporciona resistencia al flujo de agua, independientemente de la dirección del flujo.
Formas de onda
La CA puede venir en varias formas, siempre y cuando el voltaje y la corriente sean alternos. Si conectamos un osciloscopio a un circuito con CA y graficamos su voltaje con el tiempo, podríamos ver varias formas de onda diferentes. El tipo más común de CA es la onda sinusoidal. La corriente alterna en la mayoría de los hogares y oficinas tiene un voltaje oscilante que produce una onda sinusoidal.
Otras formas comunes de CA incluyen la onda cuadrada y la onda triangular:
Las ondas cuadradas a menudo se usan en electrónica digital y de conmutación para probar su funcionamiento.
Las ondas triangulares se encuentran en la síntesis de sonido y son útiles para probar electrónica lineal como amplificadores.
Describiendo una onda sinusoidal
A menudo queremos describir una forma de onda de CA en términos matemáticos. Para este ejemplo, utilizaremos la onda sinusoidal común. Hay tres partes en una onda sinusoidal: amplitud, frecuencia y fase.
Mirando solo el voltaje, podemos describir una onda sinusoidal como la función matemática:
V (t) es nuestro voltaje en función del tiempo, lo que significa que nuestro voltaje cambia a medida que cambia el tiempo. La ecuación a la derecha del signo igual describe cómo cambia el voltaje con el tiempo.
VP es la amplitud . Esto describe el voltaje máximo que nuestra onda sinusoidal puede alcanzar en cualquier dirección, lo que significa que nuestro voltaje puede ser + VP voltios, -VP voltios o en algún punto intermedio.
La función sin () indica que nuestro voltaje tendrá la forma de una onda sinusoidal periódica, que es una oscilación suave alrededor de 0V.
2π es una constante que convierte la frecuencia de ciclos (en hertzios) a frecuencia angular (radianes por segundo).
f describe la frecuencia de la onda sinusoidal. Esto se da en forma de hertz o unidades por segundo . La frecuencia indica cuántas veces se forma una onda en particular (en este caso, un ciclo de nuestra onda sinusoidal, un aumento y una caída) en un segundo.
t es nuestra variable dependiente: tiempo (medido en segundos). A medida que varía el tiempo, nuestra forma de onda varía.
φ describe la fase de la onda sinusoidal. La fase es una medida de cómo se desplaza la forma de onda con respecto al tiempo. A menudo se da como un número entre 0 y 360 y se mide en grados. Debido a la naturaleza periódica de la onda sinusoidal, si la forma de onda se desplaza 360 °, vuelve a ser la misma onda, como si se desplazara 0 °. Para simplificar, asumiremos que la fase es 0 ° para el resto de este tutorial.
Podemos recurrir a nuestra salida confiable para obtener un buen ejemplo de cómo funciona una forma de onda de CA. En los Estados Unidos, la energía suministrada a nuestros hogares es CA con aproximadamente 170 V de cero a pico (amplitud) y 60 Hz (frecuencia). Podemos conectar estos números a nuestra fórmula para obtener la ecuación (recuerde que estamos asumiendo que nuestra fase es 0):
Podemos usar nuestra práctica calculadora gráfica para graficar esta ecuación. Si no hay una calculadora gráfica disponible, podemos usar un programa de gráficos en línea gratuito como Desmos (tenga en cuenta que es posible que tenga que usar ‘y’ en lugar de ‘v’ en la ecuación para ver el gráfico).
Tenga en cuenta que, como predijimos, el voltaje aumenta hasta 170 V y baja a -170 V periódicamente. Además, se producen 60 ciclos de la onda sinusoidal cada segundo. Si tuviéramos que medir el voltaje en nuestros tomacorrientes con un osciloscopio, esto es lo que veríamos ( ADVERTENCIA: ¡no intente medir el voltaje en un tomacorriente con un osciloscopio! Esto probablemente dañará el equipo).
NOTA: Es posible que haya escuchado que el voltaje de CA en los EE. UU. Es 120V. Esto también es correcto. ¿Cómo? Cuando se habla de CA (dado que el voltaje cambia constantemente), a menudo es más fácil usar un promedio o una media. Para lograr eso, utilizamos un método llamado “Root Mean Squared” (RMS). A menudo es útil usar el valor RMS para CA cuando desea calcular la energía eléctrica. Aunque, en nuestro ejemplo, teníamos un voltaje que variaba de -170V a 170V, el cuadrado medio de la raíz es 120V RMS.
Aplicaciones
Los tomacorrientes de hogar y oficina son casi siempre AC. Esto se debe a que generar y transportar CA a través de largas distancias es relativamente fácil. A altos voltajes (más de 110kV), se pierde menos energía en la transmisión de energía eléctrica. Voltajes más altos significan corrientes más bajas, y corrientes más bajas significan menos calor generado en la línea eléctrica debido a la resistencia. La CA se puede convertir ay desde altos voltajes fácilmente usando transformadores.
AC también es capaz de alimentar motores eléctricos. Los motores y generadores son exactamente el mismo dispositivo, pero los motores convierten la energía eléctrica en energía mecánica (si el eje de un motor gira, ¡se genera un voltaje en los terminales!). Esto es útil para muchos electrodomésticos grandes como lavavajillas, refrigeradores, etc., que funcionan con CA.
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