Corrente alterna

A corrente alterna, ou CA (en inglés AC alternating current) é unha corrente eléctrica cuxa dirección varía, ao contrario da corrente continua que ten dirección constante. A forma de onda usual nun circuíto de potencia CA é senoidal por ser a forma de transmisión de enerxía máis eficiente. Porén, en certas aplicacións, utilízanse diferentes formas de ondas tales como ondas triangulares ou cadradas.

Sin
Figura 1: Onda senoidal.

Historia

A corrente alterna aplicouse por primeira vez cando Nikola Tesla foi contratado por George Westinghouse para construír unha liña de transmisión no estado de Nova York, entre Niagara Falls e Buffalo. Thomas Edison fixo o posíbel para desacreditar a Tesla, e defender o seu sistema de corrente continua (do que tiña moitas patentes) mais adoptouse o sistema trifásico de Tesla debido á facilidade relativa que a corrente alternada presenta para ter a súa voltaxe alterada por intermedio de transformadores. A corrente alterna era unha forma máis eficaz de transmitir unha corrente eléctrica a longas distancias aumentando moito a tensión de transporte (co que se precisa menos intensidade de corrente, e se teñen menos perdas -proporcionais ao cadrado da intensidade) e diminuíndoa por medio do transformadores ao chegar ao usuario final.

Frecuencias

Na primeira metade do século XX había sistemas de corrente alterna de 25 Hz en Canadá (Ontario) e no norte dos EUA. Nalgúns casos algúns destes sistemas (por exemplo, nas cataratas do Niágara) perduran ata hoxe por conveniencia das plantas industriais que non tiñan interese en trocar o equipamento para que operase a 60 Hz. As baixas frecuencias facilitan a confección de motores de baixa rotación.

Hai tamén sistemas de 16,67 Hz en ferrovías da Europa (Suíza e Suecia). Nuns países a frecuencia é de 60 Hz, e noutros úsase a frecuencia de 50 Hz.

Sistemas AC de 400 Hz úsanse na industria téxtil, avións, navíos, aeronaves e en grandes computadores.

Matemática das tensións CA

OndaSenoidal
Figura 2: Parámetros característicos dunha onda senoidal.

As correntes alternas son usualmente asociadas con tensións alternas. Unha tensión CA senoidal v pode ser descrita matematicamente como unha función do tempo, pola seguinte ecuación:

onde

A é a amplitude en volts (tamén chamada de tensión de pico),
ω é a frecuencia angular en radiáns por segundo, e
t é o tempo en segundos.

Como a frecuencia angular é máis interesante para os matemáticos que para os enxeñeiros, esta fórmula é comunmente reescrita así:

onde

f é a frecuencia en hertz.

O valor de pico a pico dunha tensión alterna defínese como a diferenza entre o seu pico positivo e mais o seu pico negativo. Desde o valor máximo do seno (x) é +1 e o valor mínimo que é -1, unha tensión CA oscila entre +A e −A. A tensión de pico-a-pico, escrita como VP-P, é, polo tanto (+A) − (−A) = 2 × A.

Xeralmente a tensión CA dáse case sempre no seu valor eficaz, que é o valor cuadrático medio dese sinal eléctrico (en inglés chámase de root mean square, ou rms), sendo escrita como Vef (ou Vrms). Para unha tensión senoidal:

Vef é útil no cálculo da potencia consumida por unha carga. Se a tensión de CC de VCC transfire certa potencia P para a carga dada, entón unha tensión de CA Vef entregará a mesma potencia media P para a mesma carga se Vef = VCC. Por este motivo, rms é o modo normal de medición de tensión en sistemas de potencia.

Para ilustrar estes conceptos, considere a tensión de 220 V CA. Chámase así porque o seu valor eficaz (rms) é, en condicións normais, de 220 V. Isto quer dicir que ten o mesmo efecto joule, para unha carga resistiva, que unha tensión de 220V CC. Para atopar a tensión de pico (amplitude), podemos modificar a ecuación de riba para:

Para 220 V CA, a tensión de pico VP ou A é, polo tanto, 220 V × √2 = 311 V (aprox.). O valor de pico a pico VP-P de 220V CA é aínda máis alta: 2 × 220 V × √2 = 622V (aprox.)

Note que para tensións non senoidais, temos diferentes relacións entre o seu pico de magnitude e o valor eficaz. Isto é de fundamental importancia ao traballar con elementos do circuíto non lineares que producen correntes harmónicas, como rectificadores.

Alta tensión eléctrica

Alta tensión eléctrica é un termo técnico e legal empregado para designar os niveis eléctricos superiores a 1000 voltios en corrente alterna e 1 500 voltios en corrente continua. Esta definición e limitación está baseada en España polo REBT de 2002 segundo definicións fixadas internacionalmente pola Comisión Electrotécnica Internacional e de obrigado cumprimento da CE.

Campo eléctrico

Denomínase campo eléctrico á deformación do espazo arredor dunha rexión que contén carga, creada pola presenza dela, tamén ao espazo onde se manifesta a atracción ou repulsión sobre outras cargas. A representación matemática da intensidade de campo eléctrico é:

A intensidade do campo eléctrico nun punto é a forza que actúa sobre a unidade de carga positiva colocada no punto dado a unha distancia r da carga considerada.

Se colocamos un corpo electrizado no seo dun campo eléctrico, aquel é atraído ou repelido, dependendo do tipo de carga, por unha forza que é directamente proporcional á carga do corpo e á intensidade do campo .

Condensador

Un condensador é un compoñente electrónico pasivo que consiste nun par de condutores separados por un dieléctrico (illante) o polo baleiro. Cando existe unha diferenza de potencial (voltaxe) entre os condutores, créase un campo eléctrico estático no dieléctrico que almacena enerxía e produce unha forza mecánica entre os condutores. Un condensador ideal caracterízase por un único valor constante, capacitancia, medido en faradios. Este é o ratio da carga eléctrica en cada condutor da diferenza de potencial entre eles.

Os condensadores son moi usados en circuítos electrónicos para bloquearen a corrente continua mentres permiten pasar corrente alterna, en redes de filtrado, para suavizaren a saída das fontes de alimentación, nos circuítos resoadores que axustan os radiotransmisores a frecuencias particulares e para outros moitos propósitos.

O efecto é maior cando hai unha separación estreita entre grandes áreas do condutor, de aí que aos condutores do condensador se lles adoite chamar "placas", en referencia a un antigo método de construción. Na práctica, o dieléctrico entre as placas deixa pasar unha pequena cantidade de corrente de fuga e ten un límite de forza no campo eléctrico, o que resulta nunha voltaxe de ruptura, mentres que os condutores e as patillas introducen unha indutancia e unha resistencia non desexadas.

Corrente eléctrica

A corrente eléctrica ou intensidade eléctrica é o fluxo de carga eléctrica por unidade de tempo que percorre un material condutor de corriente.

Na Física, a corrente eléctrica é o fluxo líquido de calquera carga eléctrica. As cargas eléctricas poden ser negativas (electróns) ou positivas (buracos), aínda que a corrente convencional foi definida, por razóns históricas, como un fluxo de cargas positivas. Hoxe, con todo, coñecemos que en materiais como os metais a circulación é de cargas negativas e en dirección oposta; aínda así, a definición da corrente convencional segue sendo válida. Os raios son exemplos de corrente eléctrica, ben como o vento solar, porén o máis coñecido, probabelmente, é o fluxo de electróns a través dun condutor eléctrico, xeralmente metálico.

Ao falarmos de corrente eléctrica, desde un punto de vista xeométrico, podemos considerar tipicamente tres situacións:

que a corrente circule por unha liña (i.e. unha corrente unidimensional), caso no que se falará de intensidade de corrente eléctrica.

que a corrente circule sobre unha superficie (i.e. unha corrente bidimensional), caso no que se fala de densidade superficial de corrente.

que a corrente circule a través dun volume (corrente en tres dimensións), caso no que se fala de densidade volúmica ou volumétrica de corrente.

Eléctrodo

Chámase eléctrodo a un condutor utilizado para facer contacto con unha parte non metálica dun circuíto, por exemplo un semicondutor, un electrólito, o vacuo (nunha válvula termoiónica), un gas (nunha lámpada de neon) etc. o termo creouno o científico Michael Faraday e procede das voces gregas elektron e hodos, que significa camiño.

Enerxía eléctrica

Denomínase enerxía eléctrica á forma de enerxía que resulta da existencia dunha diferenza de potencial entre dous puntos, o que permite establecer unha corrente eléctrica entre ambos —cando póñense en contacto por medio dun condutor eléctrico— e obter traballo. A enerxía eléctrica pode transformarse en moitas outras formas de enerxía, tales como a enerxía luminosa ou luz, a enerxía mecánica e a enerxía térmica.

A súa xeración, transporte, distribución e uso é unha das bases da tecnoloxía utilizada polo ser humano na actualidade.

Enerxía solar fotovoltaica

A enerxía solar fotovoltaica é unha forma de obtención de enerxía eléctrica a través de paneis fotovoltaicos. Os paneis, módulos ou colectores fotovoltaicos están formados por dispositivos semicondutores tipo díodo que, ao recibir radiación solar, provocan saltos electrónicos, xerando unha pequena diferenza de potencial nos seus extremos. O acoplamento en serie de varios destes fotodíodos permite a obtención de voltaxes maiores en configuracións moi sinxelas e aptas para alimentar pequenos dispositivos electrónicos.

A maior escala, a corrente eléctrica continua que proporcionan aos paneis fotovoltaicos pódese transformar en corrente alterna e inxectar na rede eléctrica, operación que é moi rendible economicamente pero que precisa aínda de subvencións para unha maior viabilidade.

O proceso, simplificado, sería o seguinte: xérase a enerxía a baixas tensións (380-800 V) e en corrente continua. Transfórmase cun investidor en corrente alterna. Mediante un centro de transformación elévase a media tensión (15 ou 25 kV) e inxéctase nas redes de transporte da compañía.

En contornos illados, onde se require pouca potencia eléctrica e o acceso á rede é difícil, como estacións meteorolóxicas ou repetidores de comunicacións, empréganse as placas fotovoltaicas como alternativa economicamente viable. Para comprender a importancia desta posibilidade, convén ter en conta que aproximadamente unha cuarta parte da poboación mundial non ten acceso á enerxía eléctrica.

Guerra das correntes

A Guerra das correntes (ás veces chamada batalla das correntes) foi unha serie de acontecementos que envolvían a loita motivada pola introdución de sistemas de transmisión de enerxía eléctrica nos Estados Unidos, xerados entre finais da década dos 1880 e comezos da década de 1890, coa expectativa dos enormes beneficios que as grandes empresas esperaban obter do rápido crecemento da empresa de subministración eléctrica como pano de fondo.

Nun ambiente de feroz competencia comercial, desencadeouse un debate público sobre seguridade eléctrica, acompañado de campañas de propaganda nos medios. Os sistemas de corrente continua (DC) da Edison Company e de corrente alterna (AC) de Westinghouse Electric, coas súas respectivas vantaxes e inconvenientes, convertéronse nos protagonistas do enfrontamento entre as empresas. Ao lado dos defensores da corrente continua, destacou Edison (no momento no cumio do seu prestixio como inventor e empresario); enfrontado a George Westinghouse (un empresario do sector ferroviario) que tiña escoitando as grandes posibilidades técnicas da corrente alterna apoiada polas patentes de Nikola Tesla.A disputa foi desenvolvida coincidindo coa introdución e rápida expansión da norma actual alternante (xa en uso e defendida por varias empresas americanas e europeas) e a súa eventual adopción substituíndo o sistema de distribución DC. Malia a popularidade de Edison e os seus descubrimentos e inventos, foi a corrente alterna defendida por Tesla que prevaleceu para a distribución de electricidade desde entón ata hoxe.

Hertz

O hertz (símbolo Hz), tamén chamado hercio, é a unidade derivada do SI para frecuencia, a cal é expresada en termos de oscilacións por segundo (s−1, 1/s).

A unidade é nomeada en homenaxe ao físico alemán Heinrich Rudolf Hertz, que fixo algunhas importantes contribucións á ciencia no campo do electromagnetismo. O nome foi establecido pola Comisión Electrotécnica Internacional (IEC nas súas siglas inglesas) en 1930. Este foi adoptado pola Conferencia Xeral de Pesos e Medidas (CGPM, Conférence générale des poids et mesures) en 1960, substituíndo o nome anterior de ciclos por segundo (cps), así como os seus múltiplos relacionados, principalmente quilociclos por segundo (kc/s), megaciclos por segundo (Mc/s) e ocasionalmente quilomegaciclo por segundo (kMc/s) e xigaciclo por segundo (Gc/s).

Un hercio representa un ciclo por cada segundo, entendendo ciclo como a repetición dun suceso. Por exemplo, o hercio aplícase na física para a medición da cantidade de veces por un segundo que se repite unha onda (xa sexa sonora ou electromagnética), magnitude denominada frecuencia e que é, neste sentido, a inversa do período. Un hercio é a frecuencia dunha partícula puntual nun período dun segundo.

Por exemplo, a luz vermella ten unha frecuencia de preto de 4.6×1014 Hz. A enerxía eléctrica, en corrente alterna, chega ao consumidor (fogar, industria) coa frecuencia de 50 Hz ou 60 Hz, dependendo do país ou rexión.

Indutor

Para as moléculas indutoras da expresión xénica bacteriana ver indutor (bioloxía).

Un indutor, habitualmente chamado bobina, é un compoñente eléctrico pasivo que almacena enerxía debido á súa interacción nun campo magnético. Por comparación, un condensador almacena enerxía debido á súa interacción cun campo eléctrico, e un resistor non almacena enerxía, senón que a disipa por medio de calor.

Calquera condutor ten indutancia. Un indutor está feito en xeral dun cable ou outro corpo condutor enrolado nunha bobina, para incrementar o seu campo magnético.

Cando varía o fluxo de corrente a través dun indutor, aparece un campo magnético asemade función do tempo no interior da bobina, inducindo unha voltaxe, de acordo coa Lei de Faraday-Lenz, que asemade fai que se opoña ó cambio na corrente que creou o campo magnético. Os indutores son un dos compoñentes básicos usados en electrónica cando a corrente e a voltaxe cambian co tempo, debido á característica dos indutores de retardar e reformar a evolución das correntes alternas.

Karl Ferdinand Braun

Karl Ferdinand Braun, nado en Fulda, Alemaña, o 6 de xuño de 1850 e finado en Nova York o 20 de abril de 1918, foi un físico, inventor e profesor universitario alemán galardoado co Premio Nobel de Física en 1909.

Nikola Tesla

Nikola Tesla (en cirílico serbio: Никола Тесла), nado en Smiljan Imperio austrohúngaro (hoxe en día Croacia) o 10 de xullo de 1856 e finado en Nova York o 17 de xaneiro de 1943, foi un físico, matemático, inventor, e enxeñeiro eléctrico serbio estadounidense e o promotor máis importante do nacemento da electricidade comercial. Coñécese, sobre todo, polas súas numerosas e revolucionarias invencións no campo do electromagnetismo, desenvolvidas a finais do século XIX e principios do século XX. As patentes de Tesla e o seu traballo teórico formaron as bases dos sistemas modernos de potencia eléctrica por corrente alterna (CA), incluíndo o sistema polifásico de distribución eléctrica hoxe en día chamado sistema trifásico e o motor de corrente alterna, que tanto contribuíron ao nacemento da Segunda revolución industrial.

Tesla era etnicamente serbio xa que naceu na vila de Smiljan (hoxe en día en Croacia), no entón Imperio austrohúngaro (aínda que algúns académicos romaneses afirman que era istroromanés).

Era cidadán do imperio austríaco por nacemento e máis tarde converteuse en cidadán estadounidense. Trala súa demostración de comunicación sen fíos por medio de ondas de radio en 1894 e logo da súa vitoria na guerra das correntes, foi amplamente recoñecido como un dos máis grandes enxeñeiros eléctricos dos Estados Unidos de América. Gran parte do seu traballo inicial foi pioneiro na enxeñaría eléctrica moderna e moitos dos seus descubrimentos foron de suma importancia. Durante este período nos Estados Unidos a fama de Tesla rivalizaba coa de calquera inventor ou científico na historia ou a cultura popular, pero debido á súa personalidade excéntrica e ás súas afirmacións aparentemente incribles e algunhas veces case inverosímiles, acerca do posible desenvolvemento de innovacións científicas e tecnolóxicas, Tesla foi finalmente relegado ao ostracismo e considerado un científico tolo. Tesla nunca prestou moita atención ás súas finanzas. Dise que morreu empobrecido á idade de 86 anos.A unidade de medida do campo magnético B do Sistema Internacional de Unidades (tamén denominado densidade de fluxo magnético e indución magnética), o Tesla, foi chamado así no seu honor na Conférence Générale des Poids et Mesures (París, en 1960), como tamén o efecto Tesla de transmisión sen fíos de enerxía a dispositivos electrónicos (que Tesla demostrou a pequena escala coa lámpada incandescente en 1893), o cal pretendía usar para a transmisión intercontinental de enerxía a escala industrial no seu proxecto inconcluso, a Wardenclyffe Tower (Torre de Wardenclyffe).Separadamente do seu traballo en electromagnetismo e enxeñaría electromecánica, Tesla contribuíu en diferente medida ao desenvolvemento da robótica, o control remoto, o radar, as ciencias da computación, a balística, a física nuclear, e a física teórica. En 1943, o Tribunal Supremo dos Estados Unidos de América acreditouno como o inventor da radio. Algúns dos seus logros foron usados, non sen controversia, para xustificar varias pseudociencias, teorías sobre OVNIS e sobre antigravidade, así como o ocultismo da New age e teorías sobre a teletransportación.

Reactancia

Na electrónica, denomínase reactancia a oposición ofrecida por indutores (bobinas) e condensadores ao paso da corrente alterna, medíndose o seu valor en ohmios. Canda a resistencia eléctrica determinan a magnitude da impedancia total dun compoñente ou circuíto, de tal xeito que a reactancia (X) é a parte imaxinaria da impedancia (Z) e a resistencia (R) é a parte real, segundo a igualdade:

Resistencia eléctrica

A resistencia eléctrica dun obxecto é unha medida da súa oposición ao paso de corrente e é directamente proporcional á lonxitude e inversamente proporcional á súa sección transversal:

onde ρ é o coeficiente de proporcionalidade ou a resistividade do material.

Descuberta por Georg Ohm en 1827, a resistencia eléctrica ten un parecido conceptual á fricción na física mecánica. A unidade da resistencia no Sistema Internacional de Unidades é o ohmio (Ω). Para a súa medición na práctica existen diversos métodos, entre os que se encontra o uso dun ohmnímetro. Ademais, a súa cantidade recíproca é a condutancia, medida en Siemens.

A resistencia de calquera obxecto depende da súa xeometría e da súa coeficiente de resistividade a determinada temperatura: aumenta conforme é maior a súa lonxitude e diminúe conforme aumenta o seu grosor ou sección transversal. Cálculo experimental de la resistividad de un materialarquivado dende o orixinal o de novembro de 2013 (en castelán) Ademais, de acordo coa lei de Ohm a resistencia dun material pode definirse como a razón entre a caída de tensión e a corrente en dita resistencia, así:

onde R é a resistencia en ohmios, V é a diferenza de potencial en voltios e I é a intensidade de corrente en amperios.

Segundo sexa a magnitude desta medida, os materiais pódense clasificar en condutores, illantes e semicondutores. Existen ademais certos materiais nos que, en determinadas condicións de temperatura, aparece un fenómeno denominado supercondutividade, no que o valor da resistencia é practicamente nulo.

Tensión eléctrica

A tensión eléctrica, tamén denominada diferenza de potencial ou voltaxe, é a diferenza de potencial eléctrico entre dous puntos. A súa unidade de medida é o Volt, en homenaxe ao físico italiano Alessandro Volta.

É, pois, unha magnitude física. Tamén se pode definir como o traballo por unidade de carga exercido polo campo eléctrico sobre unha partícula cargada para movela entre dúas posicións determinadas. Pódese medir cun voltímetro.A tensión é independente do camiño percorrido pola carga e depende exclusivamente do potencial eléctrico dos puntos A e B no campo eléctrico, que é un campo conservativo.

Se dous puntos que teñen unha diferenza de potencial se unen mediante un condutor, producirase un fluxo de electróns. Parte da carga que crea o punto de maior potencial trasladarase a través do condutor ao punto de menor potencial e, en ausencia dunha fonte externa (xerador), esta corrente cesará cando ambos puntos igualen o seu potencial eléctrico (lei de Henry). Este traslado de cargas é o que se coñece como corrente eléctrica.

Cando se fala sobre unha diferenza de potencial nun só punto, ou potencial, refírese á diferenza de potencial entre este punto e algún outro onde o potencial se defina como cero.

Transformador

Denomínase transformador a un aparello electromagnético que permite aumentar ou diminuír a voltaxe e a intensidade dunha corrente alterna, mantendo a potencia. A potencia que ingresa no equipo, no caso dun transformador ideal (isto é, sen perdas), é igual á que se obtén na saída. As máquinas reais presentan unha pequena porcentaxe de perdas, dependendo do seu deseño e tamaño, entre outros factores.

O transformador converte a enerxía eléctrica alterna dun certo nivel de tensión, en enerxía alterna doutro nivel de tensión, baseándose no fenómeno da indución electromagnética. Está constituído por dúas bobinas de material condutor, enroladas sobre un núcleo pechado de material ferromagnético, mais illadas entre si electricamente. A única conexión entre as bobinas constitúea o fluxo magnético común que se estabelece no núcleo. Polo xeral, o núcleo é fabricado ben sexa de ferro ou de láminas apiladas de aceiro eléctrico, aliaxe axeitada para optimizar o fluxo magnético. As bobinas ou enrolamentos denomínanse primario e secundario segundo correspondan á entrada ou saída do sistema en cuestión, respectivamente. Tamén existen transformadores con máis enrolamentos; neste caso, pode existir un enrolamento "terciario", de menor tensión que o secundario.

Westinghouse Electric

Westinghouse Electric foi unha empresa norteamericana pioneira no sector eléctrico fundada en 1886 por George Westinghouse. A empresa foi mercada por CBS en 1995 e pasou a chamarse CBS Corporation en 1997.

A empresa foi pioneira na produción eléctrica con corrente alterna, distribución eléctrica de alta tensión con patentes de Nikola Tesla e deu a coñecer a tecnoloxía da iluminación en Great Barrington, Massachusetts.

Westinghouse fabricou o primeiro motor de aviación a reacción norteamericano pero fracasou no proxecto J40. Isto fixo perder unha década á Armada dos EE.UU, e tivo que abandonar a fabricación de reactores para aviación nos anos 1950.

Xeración de electricidade

A xeración de enerxía eléctrica consiste en transformar algunha clase de enerxía (química, cinética, térmica o lumínica, nuclear, solar entre outras), en enerxía eléctrica. Para a xeración industrial recorrese a instalacións denominadas centrais eléctricas, que executan algunha das transformacións citadas.

Estas constitúen o primeiro elo do sistema de subministración eléctrica. A xeración eléctrica realízase, basicamente, mediante un xerador; se ben estes non difiren entre si en canto ao seu principio de funcionamento, varían en función á forma en que se accionan.

Desde que se descubriu a corrente alterna e a forma de producila nos alternadores, levouse a cabo unha inmensa actividade tecnolóxica para levar a enerxía eléctrica a todos os lugares habitados do mundo, polo que, xunto á construción de grandes e variadas centrais eléctricas, se construíron sofisticadas redes de transporte e sistemas de distribución. Porén, o aproveitamento foi e segue sendo moi desigual en todo o planeta. Así, os países industrializados ou do primeiro mundo son grandes consumidores de enerxía eléctrica, mentres que os países en vías de desenvolvemento apenas desfrutan das súas vantaxes.

Outras linguas

This page is based on a Wikipedia article written by authors (here).
Text is available under the CC BY-SA 3.0 license; additional terms may apply.
Images, videos and audio are available under their respective licenses.