¿Qué es la corriente alterna y en qué se diferencia de la corriente continua?

Corriente alterna, en contraste corriente continua, cambia constantemente tanto en magnitud como en dirección, y estos cambios ocurren periódicamente, es decir, se repiten a intervalos exactamente iguales.

Para inducir tal corriente en el circuito, use fuentes de corriente alterna que crean una EMF alterna, que cambia periódicamente en magnitud y dirección. Tales fuentes se llaman alternadores.

En la Fig. 1 muestra un diagrama de dispositivo (modelo) del más simple alternador. 

Un marco rectangular hecho de alambre de cobre, fijado en el eje y girado en el campo mediante una transmisión por correa. imán… Los extremos del marco están soldados a anillos de cobre que, al girar con el marco, se deslizan sobre las placas de contacto (escobillas).

Figura 1. Diagrama del alternador más simple

Asegurémonos de que dicho dispositivo sea realmente una fuente de EMF variable.

Supongamos que un imán crea entre sus polos campo magnético uniforme, es decir, aquel en el que la densidad de líneas de campo magnético en cada parte del campo es la misma.girando, el marco cruza las líneas de fuerza del campo magnético en cada uno de sus lados a y b inducida por campos electromagnéticos. 

Los lados c y d del marco no funcionan porque cuando el marco gira, no cruzan las líneas de fuerza del campo magnético y, por lo tanto, no participan en la creación del EMF.

En cualquier instante de tiempo, la EMF que se produce en el lado a es de dirección opuesta a la EMF que se produce en el lado b, pero en el cuadro ambas EMF actúan de acuerdo con la EMF total y se suman a ella, es decir, inducidas por todo el cuadro.

Esto es fácil de comprobar si usamos la regla de la mano derecha que conocemos para determinar la dirección de la EMF.

Para ello, coloque la palma de la mano derecha de modo que mire hacia el polo norte del imán, y el pulgar doblado coincida con la dirección de movimiento de ese lado del marco en el que queremos determinar la dirección de la EMF. Luego, la dirección del EMF en él se indicará con los dedos extendidos de la mano.

Para cualquier posición del marco, determinamos la dirección de la FEM en los lados ayb, siempre se suman y forman una FEM total en el marco. Al mismo tiempo, con cada rotación del marco, la dirección de la EMF total cambia a la opuesta, ya que cada uno de los lados de trabajo del marco en una revolución pasa por diferentes polos del imán.

La magnitud de la EMF inducida en el marco también cambia a medida que cambia la velocidad a la que los lados del marco cruzan las líneas del campo magnético. De hecho, en el momento en que el marco se acerca a su posición vertical y lo pasa, la velocidad de cruzar las líneas de fuerza en los lados del marco es la más alta, y se induce la fem más grande en el marco.En esos momentos de tiempo, cuando el marco pasa por su posición horizontal, sus lados parecen deslizarse a lo largo de las líneas del campo magnético sin cruzarlas, y no se induce EMF.

Por lo tanto, con una rotación uniforme del marco, se inducirá un EMF en él, que cambiará periódicamente tanto en magnitud como en dirección.

El EMF que ocurre en el marco puede medirse con un dispositivo y usarse para crear una corriente en el circuito externo.

Usando fenómeno de la inducción electromagnética, puede obtener EMF alterna y, por lo tanto, corriente alterna.

Corriente alterna para fines industriales y para iluminación producido por potentes generadores accionados por turbinas de vapor o agua y motores de combustión interna.

Representación gráfica de corrientes CA y CC

El método gráfico permite visualizar el proceso de cambio de una determinada variable en función del tiempo.

El trazado de variables que cambian con el tiempo comienza con el trazado de dos líneas mutuamente perpendiculares llamadas ejes del gráfico. Luego, en el eje horizontal, en una escala determinada, se trazan los intervalos de tiempo, y en el eje vertical, también en una escala determinada, los valores de la cantidad a trazar (EMF, voltaje o corriente).

En la Fig. 2 gráficamente corriente continua y corriente alterna... En este caso retrasamos los valores de corriente y los valores de corriente de un sentido, que suele llamarse positivo, se retrasan verticalmente desde el punto de intersección de los ejes O , y hacia abajo desde este punto, la dirección opuesta, que generalmente se llama negativa.

Figura 2. Representación gráfica de DC y AC

El propio punto O sirve como origen de los valores actuales (verticalmente hacia abajo y hacia arriba) y del tiempo (horizontalmente hacia la derecha).En otras palabras, este punto corresponde al valor cero de la corriente y este punto de partida en el tiempo a partir del cual pretendemos rastrear cómo cambiará la corriente en el futuro.

Verifiquemos la exactitud de lo representado en la fig. 2 y un diagrama de corriente CC de 50 mA.

Dado que esta corriente es constante, es decir, no cambia su magnitud y dirección en el tiempo, los mismos valores de corriente corresponderán a diferentes momentos de tiempo, es decir, 50 mA. Por tanto, en el instante de tiempo igual a cero, es decir, en el momento inicial de nuestra observación de la corriente, será igual a 50 mA. Dibujando un segmento igual al valor actual de 50 mA en el eje vertical hacia arriba, obtenemos el primer punto de nuestro gráfico.

Debemos hacer lo mismo para el siguiente instante de tiempo correspondiente al punto 1 del eje del tiempo, es decir posponer desde este punto verticalmente hacia arriba un segmento también igual a 50 mA. El final del segmento definirá el segundo punto del gráfico para nosotros.

Habiendo hecho una construcción similar para varios puntos posteriores en el tiempo, obtenemos una serie de puntos, cuya conexión dará una línea recta, que es una representación gráfica de un valor de corriente constante de 50 mA.

Trazar una FEM variable

Pasemos a estudiar el gráfico variable de EMF... En la fig. 3, en la parte superior se muestra un marco que gira en un campo magnético y, a continuación, se proporciona una representación gráfica de la variable EMF resultante.

Figura 3. Trazado de la variable EMF

Comenzamos a girar uniformemente el marco en el sentido de las agujas del reloj y seguimos el curso de los cambios de EMF en él, tomando la posición horizontal del marco como el momento inicial.

En este momento inicial, el EMF será cero porque los lados del marco no cruzan las líneas del campo magnético.En el gráfico, este valor cero de EMF correspondiente al instante t = 0 está representado por el punto 1.

Con más rotación del marco, el EMF comenzará a aparecer en él y aumentará hasta que el marco alcance su posición vertical. En el gráfico, este aumento en EMF estará representado por una curva ascendente suave que alcanza su punto máximo (punto 2).

A medida que el marco se acerca a la posición horizontal, el EMF en él disminuirá y caerá a cero. En el gráfico, esto se representará como una curva suave descendente.

Por lo tanto, durante el tiempo correspondiente a la mitad de una revolución del marco, el EMF en él pudo aumentar de cero al valor máximo y disminuir a cero nuevamente (punto 3).

Con una mayor rotación del marco, el EMF reaparecerá en él y aumentará gradualmente en magnitud, pero su dirección ya cambiará a la opuesta, como se puede ver aplicando la regla de la mano derecha.

El gráfico tiene en cuenta el cambio en la dirección de la EMF, de modo que la curva que representa la EMF cruza el eje del tiempo y ahora se encuentra debajo de ese eje. El EMF aumenta nuevamente hasta que el marco asume una posición vertical.

Luego, la EMF comenzará a disminuir y su valor será igual a cero cuando el marco regrese a su posición original después de completar una revolución completa. En el gráfico, esto se expresará por el hecho de que la curva EMF, alcanzando su pico en la dirección opuesta (punto 4), luego se encontrará con el eje del tiempo (punto 5)

Esto completa un ciclo de cambio de EMF, pero si continúa la rotación del marco, el segundo ciclo comienza de inmediato, repitiendo exactamente el primero, que a su vez será seguido por el tercero, luego el cuarto, y así sucesivamente hasta que nos detengamos. el marco de rotación.

Por lo tanto, para cada rotación del marco, la EMF que ocurre en él completa un ciclo completo de su cambio.

Si el marco está cerrado a algún circuito externo, entonces fluirá una corriente alterna a través del circuito, cuyo gráfico se verá igual que el gráfico EMF.

La forma de onda resultante se denomina onda sinusoidal, y la corriente, la FEM o el voltaje que varía de acuerdo con esta ley se denomina sinusoidal.

La curva en sí se llama sinusoide porque es una representación gráfica de una cantidad trigonométrica variable llamada seno.

La naturaleza sinusoidal del cambio de corriente es la más común en ingeniería eléctrica, por lo tanto, hablando de corriente alterna, en la mayoría de los casos se refieren a corriente sinusoidal.

Para comparar diferentes corrientes alternas (EMF y voltajes), hay valores que caracterizan una determinada corriente. Estos se denominan parámetros de CA.

Período, amplitud y frecuencia: parámetros de CA

La corriente alterna se caracteriza por dos parámetros: ciclo mensual y amplitud, sabiendo cuál podemos estimar qué tipo de corriente alterna es y construir un gráfico de la corriente.

Figura 4. Curva de corriente sinusoidal

El período de tiempo durante el cual ocurre un ciclo completo de cambio de corriente se denomina período. El período se denota con la letra T y se mide en segundos.

El período de tiempo durante el cual ocurre la mitad de un ciclo completo de cambio de corriente se denomina medio ciclo. Por lo tanto, el período de cambio de corriente (EMF o voltaje) consta de dos medios períodos. Es bastante obvio que todos los períodos de la misma corriente alterna son iguales entre sí.

Como se puede ver en el gráfico, durante un período de su cambio, la corriente alcanza el doble de su valor máximo.

El valor máximo de una corriente alterna (EMF o voltaje) se denomina amplitud o valor de corriente pico.

Im, Em y Um son designaciones comunes para amplitudes de corriente, EMF y voltaje.

En primer lugar, prestamos atención Corriente pico, sin embargo, como se puede ver en el gráfico, existen innumerables valores intermedios que son más pequeños que la amplitud.

El valor de la corriente alterna (EMF, voltaje) correspondiente a cualquier momento seleccionado en el tiempo se denomina valor instantáneo.

i, e y u son designaciones comúnmente aceptadas de los valores instantáneos de corriente, fem y voltaje.

El valor instantáneo de la corriente, así como su valor máximo, es fácil de determinar con la ayuda del gráfico. Para ello, desde cualquier punto del eje horizontal correspondiente al momento que nos interesa trazar una línea vertical hasta el punto de intersección con la curva actual; el segmento resultante de la línea vertical determinará el valor de la corriente en un momento dado, es decir, su valor instantáneo.

Obviamente, el valor instantáneo de la corriente después del tiempo T/2 desde el punto inicial del gráfico será cero, y después del tiempo T/4 su valor de amplitud. La corriente también alcanza su valor máximo; pero ya en sentido contrario, después de un tiempo igual a 3/4 T.

Entonces, el gráfico muestra cómo cambia la corriente en el circuito con el tiempo y que solo un valor particular tanto de la magnitud como de la dirección de la corriente corresponde a cada instante de tiempo. En este caso, el valor de la corriente en un momento dado en un punto del circuito será exactamente el mismo en cualquier otro punto de ese circuito.

Se denomina número de periodos completos cumplidos por la corriente en 1 segundo de frecuencia AC y se denota con la letra latina f.

Para determinar la frecuencia de una corriente alterna, es decir, para averiguar cuántos períodos de su cambio realizó la corriente en 1 segundo, es necesario dividir 1 segundo por el tiempo de un período f = 1 / T. Conociendo la frecuencia de la corriente alterna, puede determinar el período: T = 1 / f

frecuencia de CA se mide en una unidad llamada hertz.

Si tenemos una corriente alterna cuya frecuencia es igual a 1 hercio, entonces el período de dicha corriente será igual a 1 segundo. Por el contrario, si el período de cambio de la corriente es de 1 segundo, entonces la frecuencia de dicha corriente es de 1 hercio.

Por lo tanto, hemos definido parámetros de CA (período, amplitud y frecuencia) que le permiten distinguir entre diferentes corrientes de CA, EMF y voltajes, y trazar sus gráficos cuando sea necesario.

Al determinar la resistencia de varios circuitos a la corriente alterna, use otro valor auxiliar que caracterice la corriente alterna, el llamado frecuencia angular o angular.

Frecuencia circular denotada en relación con la frecuencia f por la relación 2 pif

Expliquemos esta dependencia. Al trazar el gráfico de EMF variable, vimos que una rotación completa del marco da como resultado un ciclo completo de cambio de EMF. En otras palabras, para que el marco dé una vuelta, es decir, gire 360°, se necesita un tiempo igual a un período, es decir, T segundos. Luego, en 1 segundo, el cuadro realiza una revolución de 360°/T. Por tanto, 360°/T es el ángulo por el que gira el marco en 1 segundo, y expresa la velocidad de giro del marco, que suele denominarse velocidad angular o circular.

Pero dado que el período T está relacionado con la frecuencia f por la relación f = 1 / T, entonces la velocidad circular también se puede expresar como una frecuencia y será igual a 360 ° f.

Así llegamos a la conclusión de que 360 ​​° f. Sin embargo, para facilitar el uso de la frecuencia circular para cualquier cálculo, el ángulo de 360 ​​° correspondiente a una revolución se reemplaza por una expresión radial igual a 2pi radianes, donde pi = 3,14. Entonces finalmente obtenemos 2pif. Por lo tanto, para determinar la frecuencia angular de la corriente alterna (FEM o voltaje), debe multiplicar la frecuencia en hercios por un número constante 6,28.