Corriente Alterna

Corriente Alterna

   Además de la existencia de fuentes de FEM de corriente directa o continua (C.D.) (como la que suministran las pilas o las baterías, cuya tensión o voltaje mantiene siempre su polaridad fija), se genera también otro tipo de corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la directa por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo de tiempo.

Una pila o batería constituye una fuente de suministro de corriente directa, porque su polaridad se mantiene siempre fija.

La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. No obstante, aunque se produzca un constante cambio de polaridad, la corriente siempre fluirá del polo negativo al positivo, tal como ocurre en las fuentes de FEM que suministran corriente directa.

Veamos un ejemplo práctico que ayudará a comprender mejor el concepto de corriente alterna:

Corriente alterna pulsante de un ciclo por segundo o hertz (Hz) .

Si hacemos que la pila del ejemplo anterior gire a una determinada velocidad, se producirá un cambio constante de polaridad en los bornes donde hacen contacto los dos polos de dicha pila. Esta acción hará que se genere una corriente alterna tipo pulsante, cuya frecuencia dependerá de la cantidad de veces que se haga girar la manivela a la que está sujeta la pila para completar una o varias vueltas completas durante un segundo.

En este caso si hacemos una representación gráfica utilizando un eje de coordenadas para la tensión o voltaje y otro eje para el tiempo en segundos, se obtendrá una corriente alterna de forma rectangular o pulsante, que parte primero de cero volt, se eleva a 1,5 volt, pasa por “0” volt, desciende para volver a 1,5 volt y comienza a subir de nuevo para completar un ciclo al pasar otra vez por cero volt.

Si la velocidad a la que hacemos girar la pila es de una vuelta completa cada segundo, la frecuencia de la corriente alterna que se obtiene será de un ciclo por segundo o hertz (1 Hz). Si aumentamos ahora la velocidad de giro a 5 vueltas por segundo, la frecuencia será de 5 ciclos por segundo o hertz (5 Hz). Mientras más rápido hagamos girar la manivela a la que está sujeta la pila, mayor será la frecuencia de la corriente alterna pulsante que se obtiene.

Seguramente sabrás que la corriente eléctrica que llega a nuestras casas para hacer funcionar las luces, los equipos electrodomésticos, electrónicos, etc. es, precisamente, alterna, pero en lugar de pulsante es del tipo sinusoidal o senoidal.

En Europa la corriente alterna que llega a los hogares es de 220 volt y tiene una frecuencia de 50 Hz, mientras que en la mayoría de los países de América la tensión de la corriente es de 110 ó 120 volt, con una frecuencia de 60 Hz. La forma más común de generar corriente alterna es empleando grandes generadores o alternadores ubicados en plantas termoeléctricas, hidroeléctricas o centrales atómicas.

Corriente Directa o Continua

Corriente Directa o Continua

La corriente directa (CD) o corriente continua (CC) es aquella cuyas cargas eléctricas o electrones fluyen siempre en el mismo sentido en un circuito eléctrico cerrado, moviéndose del polo negativo hacia el polo positivo de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), tal como ocurre en las baterías, las dinamos o en cualquier otra fuente generadora de ese tipo de corriente eléctrica.

Es importante conocer que ni las baterías, ni los generadores, ni ningún otro dispositivo similar crea cargas eléctricas pues, de hecho, todos los elementos conocidos en la naturaleza las contienen, pero para establecer el flujo en forma de corriente eléctrica es necesario ponerlas en movimiento.


El movimiento de las cargas eléctricas se asemeja al de las moléculas de un líquido, cuando al ser impulsadas por una bomba circulan a través de la tubería de un circuito hidráulico cerrado.

Las cargas eléctricas se pueden comparar con el líquido contenido en la tubería de una instalación hidráulica. Si la función de una bomba hidráulica es poner en movimiento el líquido contenido en una tubería, la función de la tensión o voltaje que proporciona la fuente de fuerza electromotriz (FEM) es, precisamente, bombear o poner en movimiento las cargas contenidas en el cable conductor del circuito eléctrico. Los elementos o materiales que mejor permiten el flujo de cargas eléctricas son los metales y reciben el nombre de “conductores”.

CORRIENTE ELÈCTRICA

    El termino corriente eléctrica, o simplemente corriente, se emplea para describir la tasa de flujo de carga que pasa por alguna región de espacio. La mayor parte de las aplicaciones prácticas de la electricidad tienen que ver con corrientes eléctricas. Por ejemplo, la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domésticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. Es posible también que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, una haz de electrones en el tubo de imagen de una TV constituye una corriente.

2. Lámpara incandescente

En una lámpara incandescente, una corriente eléctrica fluye a través de un delgado hilo de volframio denominado filamento. La corriente lo calienta hasta alcanzar unos 3.000 ºC, lo que provoca que emita tanto calor como luz. La bombilla o foco debe estar rellena con un gas inerte para impedir que el filamento arda. Durante muchos años, las lámparas incandescentes se rellenaban con una mezcla de nitrógeno y argón. Desde hace un tiempo comenzó a utilizarse un gas poco común, el criptón, ya que permite que el filamento funcione a una temperatura mayor, lo que da como resultado una luz más brillante.

3. Definición de corriente eléctrica

Siempre que se mueven cargas eléctricas de igual signo se establece una corriente eléctrica. Para definir la corriente de manera más precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como en la figura 27.1. (Esta sería el área de la sección transversal de un alambre, por ejemplo.) La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si ΔQ es la cantidad de carga que pasa por esta αrea en un intervalo de tiempo Δt, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo:

Fig. 27.1 Cargas en movimiento a través de un área A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a través del área se define como la corriente I. la dirección de a la cual la carga positiva fluiría si tuviera libertad de hacerlo. 

Si la tasa a la cual fluye la carga varía en el tiempo, la corriente también varía en el tiempo, y definimos a la corriente instantánea I como el límite diferencial de la ecuación:

La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).

Esto significa que 1ª de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el área de la superficie en 1s.

Fig. 27.2. Una sección de una conductor uniforme de área de sección transversal A. los portadores de carga se mueven con una velocidad vd y la distancia que recorren en un tiempo Δt esta dada por Δx = vdΔt. El número de portadores de cargas móviles en la sección de longitud Δx está dado por nAvdΔt , donde n es el nϊmero de portadores de carga móviles por unidad de volumen.

Las cargas que pasan por la superficie en la figura 27.1 pueden ser positivas negativas o de ambos signos. Es una convención dar a la corriente la misma dirección que la del flujo de carga positiva. En un conductor como el cobre la corriente se debe al movimiento de electrones cargados negativamente. Por lo tanto, cuando hablamos de corriente en un conductor ordinario, como un alambre de cobre, la dirección de la corriente es opuesta a la dirección del flujo de los electrones. Por otra parte, si se considera un haz de protones cargados positivamente en un acelerador, la corriente está en la dirección del movimiento de los protones. En algunos casos —gases y electrolitos, por ejemplo— la corriente es el resultado del flujo tanto de cargas positivas como negativas. Es común referirse a una carga en movimiento (ya sea positiva o negativa) como un portador de carga móvil. Por ejemplo, los portadores de carga en un metal son los electrones.

Es útil relacionar la corriente con el movimiento de partículas cargadas. Pan ilustrar este punto, considere la corriente en un conductor de área de sección transversal A (figura 27.2). El volumen de un elemento del conductor de longitud Δx (la regiσn sombreada en la figura 27.2) es A Δx. Si n representa el nϊmero de portadores de carga móvil por unidad de volumen, entonces el número de portadores de carga móvil en el elemento de volumen es nA Δ Por lo tanto, la carga ΔQ en este elemento es

ΔQ= Nϊmero de cargas x carga por partícula = (nA Δx)q

Donde q es la carga en cada partícula. Si los portadores de cargas se mueven con una velocidad vd la distancia que se mueven en un tiempo Δt es Δx = vdΔt. En consecuencia, podemos escribir Δq en la forma

ΔQ = (nAvdΔt)q

Si dividimos ambos lados de la ecuación por Δt, vemos que la corriente en el conductor está dada por

CAPACITANCIA

La Capacitancia es la propiedad de un capacitor de oponerse a toda variación de la tensión en el circuito eléctrico. Usted recordará que la resistencia es la oposición al flujo de la corriente eléctrica. También se define, a la Capacitancia como una propiedad de almacenar carga eléctrica entre dos conductores, aislados el uno del otro, cuando existe una diferencia de potencial entre ellos,como se observa en la figura siguiente, las dos placas actúan como conductores, mientras que el aire actúa como un aislante:

Así como un Resistor está diseñado para tener Resistencia, el Capacitor está diseñado para tener Capacitancia; mientras que los resistores se oponen al flujo de la corriente, los capacitores se oponen a cualquier cambio en el Tensión eléctrica; el Capacitor más pequeño capaz de acumular carga eléctrica se construye de dos placas y un aislante de aire llamado dieléctrico.

Los factores que determinan la Capacitancia de un Capacitor simple son: a) el área de la placas, b) la separación entre las placas y c) el material del dieléctrico; La Capacitancia es directamente proporcional al área de las placas y a la constante dieléctrica del material dieléctrico utilizado e inversamente proporcional a la distancia de separación de las placas, es decir: C = k A/ d = Faradios ; De ahí que si el área de las placas aumenta, con ello aumenta la Capacitancia; por el contrario, si la separación de las placas aumenta, disminuye la Capacitancia

De acuerdo a la fórmula C = k A / d, obtenemos el resultado en Faradios; si queremos el Resultado en Micro faradios (símbolo μf) entonces agregamos el factor de conversión 8.85 x 10 -" -y nuestrafórmula quedará así: C = 8.85xlO-8 A/d

Donde: C = Capacitancia en μf(Micro faradios)

A = Área de las placas, cm2

D = Distancia de separación de las placas, en cm.

En la práctica los capacitoressuelen tener más de una placa, y para calcular la Capacitancia semultiplica el resultado de la fórmula por el número de placas menos uno, es decir: N-l; por ejemplo, en un capacitor múltiple que contiene5 placas, N = 5, por lo tanto, N-l = 4 de acuerdo a la figura

El material usado como estándar dieléctrico es el vacío cuyaconstante dieléctrica es igual a la unidad, es decir uno (1.0)

MEDIDAS DE CAPACITANCIA

Así como la unidad de medida de la tensión eléctrica es el Volt, etc., la unidad de medida de la Resistencia es el Ohm y la unidad de medida de la Capacitancia es el Faradio, Observe este cuadro:

Se dice que un capacitor tiene una Capacitancia de un Faradio cuando un voltio acumula en él una carga de un Coulomb; hay que recordar que un Coulomb equivale a una carga de 6.25 x 1018 electrones. La carga del Capacitor es producida por el movimiento de los electrones del circuito y se usa con la letra Q para designarla, y se mide en coulombs; la Carga depende de dos factores fundamentales:

a) la tensióna través del circuito y b) la Capacitancia en Faradios del Capacitor.

Esta relación se expresa con la siguiente ecuación: Q = C x E donde Q es la carga que adquiere el Capacitor, en Coulombs; C es la Capacitancia del Capacitor, en Faradios y E es la Tensión eléctrica a través del Capacitor, en voltios.

Los Capacitores en paralelo se manejan igual que los resistores en serie, mientras que los capacitores en serie se manejan igual que los resistores en paralelo. La razón de ello puede observarse en la siguiente figura: Elárea total de las placas es mucho mayor que la de un solo capacitor

CONEXIONES BÁSICAS CON CONCAPACITORES  

Así como losResistores se pueden conectar en serie y en paralelo, los capacitores algunas veces se conectan de la misma forma, sin embargo se manejan exactamente al contrario que los resistores: la Resistencia total de resistores en serie es igual a la suma de los valores de cada uno de los componentes, mientras que en los capacitores en paralelo se suman los valores decada uno de ellos

1.- Capacitancia Total en paralelo Ctp = C1 + C2 + C3; Ctp=5+ 10+ 15 = 30μf

2.- Capacitancia Total en Serie 1 /Cs = 1 / C1 + C2 / C3 = 1/15+1/15+1/15 = 0.0666 + 0.0666 + 0.0666  = 1 / 0.2 = 5μf

PROPIEDADES   DE   LOS  CAPACITORES

Para  entender bien  la  teoría  básica  de  un  capacitor, supongamos que las dos placas que lo forman están colocadas dentro de una envoltura que mantiene el vacío como dieléctrico; así el área que rodea las placas estará libre de átomos. Por consiguiente, si a un capacitor se le conecta una batería, los electrones de la placa positiva serán atraídos por el polo positivo de la batería, mientras que el polo negativo de la batería repelerá los electrones de placa negativa; cuando los electrones libres de la placa positiva.

Son efectivamente transferidos a la placa negativa, se dice que el capacitor está totalmente cargado y la tensión almacenada es igual a la tensión aplicada, además de tener la misma polaridad que la fuente.

Cuando los capacitores se cargan permanecen cargados a menos que se los provea de una línea ó paso de descarga; cuando un capacitor descargado se conecta a una fuente de c.c., primero obra como si se tratara como un corto circuito, tan   pronto el capacitor se carga, el aparente flujo de corriente a  través del capacitor disminuye. Los capacitorespermiten el flujo de c.c. sólo por un corto tiempo, luego actúan como un  circuito abierto; sin embargo cuando se trata de

c.a., las placas cambian de polaridad tan rápidamente que bloquean la c.c. y sólo permiten el paso de c.a. Los capacitores de  alta calidad pueden  mantener una carga por largo periodo de tiempo; por consiguiente,   para   evitar   choques que pueden ser peligrosos, deben serdescargarlos: la mejor manera de hacerlo es colocar un destornillador entre sus terminales durante un minuto.

Teóricamente el material dieléctrico debería ser un aislante perfecto y no debería permitir flujo alguno de comente, sin embargo, no existe tal aislante perfecto, pues siempre hay un escape de corriente de la placa negativa hacia la placa positiva, a esta pequeña corriente se llama "corriente de fuga" ó corriente de escape; actualmente hay tres cosas que ocasionan pérdidas en el capacitor, a saber: a) corriente de fuga ó escape, b) pérdida por resistencia y c) pérdidas en el dieléctrico; las puntas y conexiones incluyendo las placas ofrecen cierta resistencia ¡resistencia interna) a la comente, a ésta pérdida de potencia se le llama : pérdida por resistencia; las pérdidas en el dieléctrico se deben a la fricción molecular dentro del material dieléctrico y algunas veces se le llama histéresis dieléctrica, esta pérdida de potencia ocurre cuando parte de la energía utilizada para cargar el capacitor se disipa en forma de calor debido a la fricción molecular. La cantidad de potencia que se pierde en el dieléctrico debido a la fricción molecular aumenta al aumentar la frecuencia de c.a., y a la inversa, disminuye al disminuir la frecuencia.

Uno de los problemas que ocurren con los dieléctricos es que cada uno de ellos, a cierto voltaje, deja pasar electricidad; dicho voltaje se llama " tensión de ruptura". Si en un capacitor ocurre un arco eléctrico entre sus placas cuando tiene una carga de 600 voltios, se dice que tiene una tensión de tensión de ruptura de 600 voltios. Algunos materiales dieléctricos, todos los de estado sólido, quedan definitivamente dañados después de soportar la tensión de ruptura, el capacitordebe ser reemplazado, puesto que el arco eléctrico perfora el dieléctrico; mientras que los capacitores con dieléctrico en estado líquido ó aire raramente sufren daños permanentes, puesto que el dieléctrico se repara por sí mismo después de que se suspende el arco eléctrico; el siguiente cuadro muestra algunos materiales dieléctricos con sus tensiones de ruptura

Los capacitores vienen normalmente especificados según la tensión que se les puede aplicar sin peligro de ruptura; por consiguiente, para escogerlo es necesario conocer su capacitancia tanto como elvoltaje del circuito donde se lo va a usar; un capacitor típico de papel, especificado como de 0.1 µf a 600 WVDC (Working Volts D.C.) (voltaje de trabajo de corriente directa)está diseñado para operar a 600 voltios c.c. Se clasifican de dos tipos: fijos y variables.

Los capacitores de papel usan cierto tipo de papel encerado como dieléctrico y vienen desde 0.0005 µfhasta 16 µf, con un voltaje promedio de 1600 WVDC; sin embargo se usan comúnmente en circuitos de menos de 600 voltios. Su construcción es como se muestra en la figura; Los capacitores de mica se fabrican con capas de papel de estaño separadas por un dieléctrico de mica; con capacitancias de 2µµf (pico faradios), construidos con papel de estaño y dieléctrico de mica y las hojas no están enrolladas;

Toleran hasta 500 WVDC. Los capacitores de aceite dieléctrico resisten tensiones de hasta 6,000 WVDC. Los de cerámica se fabrican depositando una película metálica sobre las superficies interna y externa de un tubo de cerámica y se construyen desde 1 hasta 10,000 pf (μμf) para tensiones hasta de 30,000 voltios. Los capacitores de alta capacitancia tales como los que se usan en las fuentes de alimentación, usualmente son del tipo llamado "Electrolítico" cuya característica es que son de tamaño pequeño y se construyen de dos tipos, a saber: húmedo yseco, el primero requiere de cuidados especiales para que no se derrame su líquido por ello es de mayor uso el tipo seco

POTENCIAL ELECTRICO

     El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva q desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria qdesde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. 

Considérese una carga puntual de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de pruebalocalizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:
De manera equivalente, el potencial eléctrico es 

Trabajo eléctrico y energía potencial eléctrica

Considérese una carga puntual q en presencia de un campo eléctrico. La carga experimentará una fuerza eléctrica. Se define como el trabajo "W"

Ahora bien, si se pretende mantener la partícula en equilibrio, o desplazarla a velocidad constante, se requiere de una fuerza que contrarreste el efecto de la generada por el campo eléctrico. Esta fuerza deberá tener la misma magnitud que la primera, pero sentido contrario, es decir:(1)

Diferencia de Potencial eléctrico

Considérese una carga de prueba positiva en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia de potencial eléctrico se define como:

El trabajo uede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el potencial eléctrico en A. La unidad en el SI para la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1 joule/coulomb.
Usualmente se escoge el punto A a una gran distancia (en rigor el infinito) de toda carga y el potencial eléctrico esta distancia infinita recibe arbitrariamente el valor cero. Esto permite definir el potencial eléctrico en un punto poniendo  eliminando los índices:

siendo l trabajo que debe hacer un agente exterior para mover la carga de prueba esde el infinito al punto en cuestión.
Obsérvese que la igualdad planteada depende de que se da arbitrariamente el valor cero al potencial n la posición de referencia (el infinito) el cual hubiera podido escogerse de cualquier otro valor así como también se hubiera podido seleccionar cualquier otro punto de referencia.

CAMPO ELÈCTRICO

El campo eléctrico existe cuando existe una carga y representa el vínculo entre ésta y otra carga al momento de determinar la interacción entre ambas y las fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo vectorial) y se representa por medio de líneas de campo. Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante.

La unidad con la que se mide es:



La letra con la que se representa el campo eléctrico es la E.

Al existir una carga sabemos que hay un campo eléctrico entrante o saliente de la misma, pero éste es comprobable únicamente al incluir una segunda carga (denominada carga de prueba) y medir la existencia de una fuerza sobre esta segunda carga.

Algunas características

- En el interior de un conductor el campo eléctrico es 0.
- En un conductor con cargas eléctricas, las mismas se encuentran en la superficie.

FUERZA ELÈCTRICA

Fuerza eléctrica

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende de el valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.



La fuerza entre dos cargas se calcula como:





q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2
d = Distancia de separación entre las cargas
Fe = Fuerza eléctrica


La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto además de determinar el módulo se deben determinar dirección y sentido.

Dirección de la fuerza eléctrica

Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. 

Sentido de la fuerza eléctrica

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario.

Fuerzas originadas por varias cargas sobre otra

Si se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composición de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.