La corriente alterna (CA) es una corriente eléctrica que invierte periódicamente su dirección, a diferencia de la corriente continua (CC) que sólo fluye en una única dirección que no puede cambiar esporádicamente.
La mayoría de los estudiantes de ingeniería eléctrica y materias afines comienzan sus estudios aprendiendo sobre la corriente continua (CC). Esto se debe a que la mayoría de los dispositivos electrónicos digitales que construirán estos estudiantes usarán CC. Sin embargo, es importante entender también la corriente alterna (CA) y sus conceptos, porque tiene muchas propiedades útiles y casos de uso.
¿Qué es la Corriente Alterna?
Una corriente alterna puede definirse como una corriente que cambia su magnitud y polaridad a intervalos regulares de tiempo. También puede definirse como una corriente eléctrica que cambia o invierte su dirección repetidamente, a diferencia de la corriente continua, que siempre fluye en una sola dirección, como se muestra a continuación.
En el gráfico, podemos ver que las partículas cargadas en CA tienden a empezar a moverse desde cero. Aumenta hasta un máximo y luego disminuye de nuevo a cero completando un ciclo positivo. A continuación, las partículas invierten su dirección y alcanzan el máximo en la dirección opuesta, tras lo cual la CA vuelve de nuevo al valor original completando un ciclo negativo. El mismo ciclo se repite una y otra vez.
Las corrientes alternas también suelen ir acompañadas de tensiones alternas. Además, la CA también se transforma fácilmente de un nivel de voltaje más alto a un nivel de voltaje más bajo.
Propiedades de la Corriente Alterna
Entonces podemos decir que la corriente alterna posee las siguientes propiedades:
- Una corriente alterna no tiene terminal positivo o negativo.
- La corriente alterna produce ondas sinusoidales.
- El flujo de carga eléctrica se invierte periódicamente.
- La capacidad de transportar corriente alterna a grandes distancias sin pérdidas significativas de energía es una de sus ventajas frente a la corriente continua.
- El valor de la corriente oscilará entre el valor máximo y el mínimo.
Producción de Corriente Alterna
La corriente alterna puede producirse o generarse mediante el uso de dispositivos que se conocen como alternadores. Sin embargo, la corriente alterna también puede producirse por diferentes métodos en los que se utilizan muchos circuitos. Una de las formas más comunes o sencillas de generar CA es utilizando un generador básico de CA de una sola bobina que consiste en imanes de dos polos y un solo bucle de alambre con forma rectangular.
En esta configuración, el generador de CA sigue el principio de inducción electromagnética de Faraday, que convierte la energía mecánica en energía eléctrica.
Mientras tanto, la corriente alterna se suministra a los equipos mediante 3 alambres. Son los siguientes:
- La corriente se transmite por el alambre caliente.
- El alambre neutro, que está conectado a la tierra, proporciona una vía de retorno para la corriente del alambre caliente.
- El tercer alambre, que también está conectado a la tierra, está unido a las partes metálicas del equipo para eliminar principalmente los riesgos de descarga eléctrica.
Aplicación de la Corriente Alterna
La corriente alterna es la forma de corriente que más se utiliza en diferentes aparatos. Algunos de los ejemplos de corriente alterna son la señal de audio, la señal de radio, etc.
La corriente alterna tiene una amplia ventaja sobre la corriente continua, ya que la CA es capaz de transmitir energía a grandes distancias sin grandes pérdidas de energía.
La CA se utiliza sobre todo en los hogares y las oficinas porque la generación y el transporte de corriente alterna a través de largas distancias es mucho más fácil. Además, la corriente alterna puede convertirse fácilmente en alta tensión mediante transformadores.
La CA también es capaz de alimentar motores eléctricos que convierten la energía eléctrica en energía mecánica. Por ello, la corriente alterna se utiliza en muchos electrodomésticos grandes, como frigoríficos, lavavajillas y muchos otros.
Periodo y Frecuencia
Antes de profundizar en este tema, entendamos rápidamente algunos términos clave.
- Un ciclo es una única repetición de un flujo de corriente alterna «de ida y vuelta».
- El tiempo que tarda un ciclo completo de la señal de CA se llama período.
- La unidad de medida del período es segundos (s).
La frecuencia de la señal de corriente alterna es el número de ciclos en un solo segundo.
La frecuencia se mide en hercios (Hz).
En Norteamérica, la frecuencia de la línea eléctrica es de 60 ciclos por segundo, o 60 Hz.
En el resto del mundo es más común 50 Hz.
Y si conocemos la frecuencia podemos retroceder y calcular el período.
Por ejemplo, usando 60 Hz…
Periodo = segundos / frecuencia
1 seg / 60 Hertz = 0.0167 segundos
Amplitud y Pico
La amplitud es una medida de la intensidad de una señal de CA y se utiliza para determinar el voltaje de la señal.
La amplitud está determinada por la altura máxima de la forma de onda.
Esto se conoce como valor pico o cresta de una forma de onda de CA.
Otra forma de medir la amplitud es medir la altura total entre picos opuestos.
Esto se conoce como valor pico a pico de una forma de onda de CA
Forma de Onda de la Corriente Alterna
La forma de onda de la corriente alterna en la mayoría de los circuitos es de naturaleza sinusoidal en la que el semiperiodo positivo se corresponde con el sentido positivo de la corriente y viceversa. Además, también se puede utilizar una onda triangular o cuadrada para representar la forma de onda de la corriente alterna.
Los amplificadores de audio que trabajan con señales analógicas de voz o música producen ondas de corriente alterna irregulares. Algunos osciladores electrónicos producen ondas cuadradas o de diente de sierra.
Valor Medio de la Corriente Alterna
El valor medio suele definirse como la media de los valores instantáneos de la corriente alterna a lo largo de un ciclo completo. El medio ciclo positivo de las ondas asimétricas, como una forma de onda de tensión o corriente sinusoidal, será igual al medio ciclo negativo. Esto implica que el valor medio tras la realización de un ciclo completo es igual a cero.
Dado que ambos ciclos realizan algún trabajo, el valor medio se obtiene evitando los signos. Por lo tanto, el valor medio de las cantidades alternas de las ondas sinusoidales puede considerarse tomando sólo el ciclo positivo.
Valor RMS de una Onda de CA
El valor RMS se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos. También puede describirse como la cantidad de potencia de CA que genera el mismo efecto de calentamiento que una potencia de CC equivalente.
Diagrama de Fasores
El diagrama fasorial se utiliza para determinar las relaciones de fase entre dos o más ondas sinusoidales que se propagan con la misma frecuencia. Aquí se utilizan los términos «lead», «lag» y también «in-phase», «out-of-phase» para indicar la relación entre una forma de onda con la otra.
Los diagramas fasoriales serán de la forma:
Ventajas de la CA
En la era moderna, la corriente que utilizamos es la corriente alterna. Esto se debe a que la generación de corriente alterna es más práctica que la producción de corriente continua en el generador.
Para producir corriente alterna el generador eléctrico no requiere ningún rectificador. La corriente alterna tiene el efecto de inducción debido al cual se basa la acción del transformador. Mediante el uso de transformadores de potencia (transformador elevador y transformador reductor) se puede elevar y reducir fácilmente la potencia eléctrica para fines de transmisión y distribución eléctrica.
Las corrientes alternas pueden reducirse fácilmente para fines de relé y medición en los sistemas de energía eléctrica. Otra ventaja menor, pero notable, de la CA es que podemos medir la CA con un tester de pinza o una pinza amperimétrica sin perturbar el circuito vivo.
Desventaja de la CA
La principal desventaja de la corriente alterna es que tiene efecto piel y efecto proximidad, cuando fluye a través de un conductor. Debido al efecto piel, una corriente alterna siempre intenta fluir a través de la superficie exterior del conductor, lo que aumenta la resistencia efectiva del mismo.
Para minimizar el efecto piel, generalmente, los conductores de CA se hacen trenzados para aumentar la superficie del conductor.
El efecto de proximidad es similar al efecto piel y, debido al efecto de proximidad, la distribución de la corriente a través de la sección transversal de un conductor se vuelve no uniforme.
El efecto de proximidad hace que la distribución de la corriente no sea uniforme en un conductor debido al efecto de inducción de la corriente en un conductor paralelo cercano.