Corriente, voltaje, potencia: características básicas de la electricidad.

La electricidad ha sido utilizada durante mucho tiempo por el hombre para satisfacer sus necesidades, pero es invisible, no percibida por los sentidos, por lo tanto, es difícil de entender. Para simplificar la explicación de los procesos eléctricos, a menudo se comparan con las características hidráulicas de un fluido en movimiento.

Por ejemplo, ella viene a nuestro departamento por cable. Energía eléctrica de generadores remotos y agua del grifo de una bomba de presión. Sin embargo, el interruptor apaga las luces y el grifo de agua cerrado evita que el agua salga del grifo. Para hacer el trabajo, debe encender el interruptor y abrir el grifo.

Un flujo dirigido de electrones libres a través de los cables se precipitará hacia el filamento de la bombilla (fluirá una corriente eléctrica) que emitirá luz. El agua que sale del grifo drenará en el fregadero.

Esta analogía también permite comprender las características cuantitativas, relacionar la fuerza de la corriente con la velocidad de movimiento del líquido y estimar otros parámetros.

El voltaje de la red se compara con el potencial de energía de la fuente líquida. Por ejemplo, un aumento en la presión hidráulica de una bomba en una tubería creará una alta velocidad de movimiento del fluido y un aumento en el voltaje (o la diferencia entre los potenciales de la fase, el cable de entrada y el cero de trabajo, la salida) aumentará la incandescencia de la bombilla, la fuerza de su radiación.

La resistencia del circuito eléctrico se compara con la fuerza de frenado del flujo hidráulico. El caudal se ve afectado por:

• viscosidad del líquido;

• obstrucción y cambio en la sección transversal de los canales. (En el caso de un grifo de agua, la posición de la válvula de control).

El valor de la resistencia eléctrica se ve afectado por varios factores:

• la estructura de la sustancia que determina la presencia de electrones libres en un conductor y afecta resistencia; 

• área de la sección transversal y longitud del conductor de corriente;

• temperatura.

La potencia eléctrica también se compara con el potencial energético del caudal en hidráulica y se estima a partir del trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia de un aparato eléctrico se expresa por la corriente consumida y el voltaje aplicado (para circuitos de CA y CC).

Todas estas características de la electricidad fueron estudiadas por científicos famosos que dieron definiciones de corriente, voltaje, potencia, resistencia y describieron por métodos matemáticos las relaciones mutuas entre ellos.

La siguiente tabla muestra las relaciones generales para los circuitos de CA y CC que se pueden usar para analizar el rendimiento de circuitos específicos.

Veamos algunos ejemplos de su uso.

Ejemplo 1. Cómo calcular la resistencia y la potencia

Suponga que desea seleccionar un limitador de corriente para alimentar el circuito de iluminación. Conocemos la tensión de alimentación de la red de a bordo «U», igual a 24 voltios y el consumo de corriente «I» de 0,5 amperios, que no debe ser superado. Según la expresión (9) de la ley de Ohm, calculamos la resistencia «R». R = 24 / 0,5 = 48 ohmios.

A primera vista, se determina el valor de la resistencia. Sin embargo, esto no es suficiente. Para el funcionamiento fiable de sema, es necesario calcular la potencia según el consumo de corriente.

De acuerdo con el funcionamiento de la ley de Joule-Lenz, la potencia activa "P" es directamente proporcional a la corriente "I" que pasa por el cable y el voltaje aplicado "U". Esta relación se describe mediante la fórmula (11) en la tabla abajo.

Calculamos: P = 24×0,5 = 12 W.

Obtenemos el mismo valor si usamos las fórmulas (10) o (12).

El cálculo de la potencia de la resistencia por su consumo de corriente muestra que en el circuito seleccionado es necesario usar una resistencia de 48 ohmios y 12 W. Una resistencia con una potencia menor no resistirá las cargas aplicadas, se calentará y se quemará con corriente de tiempo.

Este ejemplo muestra la dependencia de cómo la corriente de carga y el voltaje de la red afectan la potencia del usuario.

Ejemplo #2. Como calcular la corriente

Para un grupo de enchufes destinados a alimentar electrodomésticos en la cocina, es necesario seleccionar un disyuntor de protección. La potencia de los dispositivos según los datos del pasaporte es de 2,0, 1,5 y 0,6 kW.

Respuesta. El apartamento utiliza una red de corriente alterna monofásica de 220 voltios. La potencia total de todos los dispositivos conectados para trabajar al mismo tiempo será 2,0 + 1,5 + 0,6 = 4,1 kW = 4100 W.

Usando la fórmula (2), determinamos la corriente total del grupo de consumidores: 4100/220 = 18.64 A.

El disyuntor nominal más cercano tiene una tasa de disparo de 20 amperios. Nosotros lo elegimos. Una máquina con un valor inferior a 16 A se apagará permanentemente por sobrecarga.

Diferencias en los parámetros de los circuitos eléctricos en corriente alterna.

Redes monofásicas

Al analizar los parámetros de los aparatos eléctricos, es necesario tener en cuenta las peculiaridades de su funcionamiento en circuitos de corriente alterna, cuando, debido a la influencia de la frecuencia industrial, aparecen cargas capacitivas en los condensadores (desplazan el vector actual en 90 grados por delante del vector de voltaje), y en los devanados de la bobina: inductivos (la corriente está 90 grados por detrás del voltaje). En ingeniería eléctrica se denominan cargas reactivas... Juntas crean pérdidas de potencia reactiva «Q» que no realizan ningún trabajo útil.

Con cargas activas, no hay cambio de fase entre corriente y voltaje.

De esta forma, al valor activo de la potencia de un aparato eléctrico en circuitos de corriente alterna se le suma una componente reactiva, por lo que aumenta la potencia total, que suele denominarse plena y se indica con el índice «S».

Corriente alterna sinusoidal en una red monofásica

La corriente eléctrica y el voltaje de frecuencia varían con el tiempo de manera sinusoidal. En consecuencia, hay un cambio en el poder. Determinar sus parámetros en diferentes momentos no tiene mucho sentido. Por lo tanto, los valores totales (integrantes) se seleccionan para un cierto período de tiempo, por regla general, el período de oscilación T.

Conocer las diferencias entre los parámetros de los circuitos de corriente alterna y continua le permite calcular correctamente la potencia a través de la corriente y el voltaje en cada caso específico.

Redes trifásicas

Básicamente, consisten en tres circuitos monofásicos idénticos, desplazados entre sí en el plano complejo por 120 grados. Difieren ligeramente en las cargas en cada fase, cambiando la corriente del voltaje por un ángulo phi. Debido a esta irregularidad, se crea una corriente I0 en el conductor neutro.

Corriente alterna sinusoidal en una red trifásica

El voltaje en este sistema consta de voltajes de fase (220 V) y voltajes de línea (380 V).

La potencia de un dispositivo de corriente trifásico conectado al circuito es la suma de los componentes en cada fase. Se mide utilizando dispositivos especiales: vatímetros (componente activo) y varímetros (reactivo). Es posible calcular el consumo de energía total de un dispositivo de corriente trifásica en función de las mediciones del vatímetro y el varímetro utilizando la fórmula del triángulo.

También existe un método de medida indirecta basado en el uso de un voltímetro y un amperímetro con cálculos posteriores de los valores obtenidos.

También se puede calcular el consumo total de corriente, conociendo la magnitud de la potencia aparente S. Para ello, basta con dividirlo por el valor de la tensión de línea.