Parámetros básicos de la corriente alterna: período, frecuencia, fase, amplitud, oscilaciones armónicas

La corriente alterna es una corriente eléctrica cuya dirección y fuerza cambian periódicamente. Dado que, por lo general, la fuerza de la corriente alterna varía de acuerdo con una ley sinusoidal, la corriente alterna es fluctuaciones sinusoidales en voltaje y corriente.

Por lo tanto, todo lo que se aplica a las oscilaciones eléctricas sinusoidales es aplicable a la corriente alterna. Las oscilaciones sinusoidales son oscilaciones en las que el valor oscilante cambia de acuerdo con la ley del seno.En este artículo hablaremos sobre los parámetros de CA.

El cambio en EMF y el cambio en la corriente de una carga lineal conectada a dicha fuente seguirán una ley sinusoidal. En este caso, las FEM alternas, las tensiones y corrientes alternas se pueden caracterizar por sus cuatro parámetros principales:

• período;

• frecuencia;

• amplitud;

• valor efectivo.

También hay parámetros adicionales:

• frecuencia angular;

• fase;

• valor inmediato.

A continuación, veremos todos estos parámetros por separado y juntos.

Período T.

Período: el tiempo que tarda un sistema que oscila en pasar por todos los estados intermedios y volver a su estado inicial nuevamente.

El período T de una corriente alterna es el intervalo de tiempo durante el cual la corriente o el voltaje realizan un ciclo completo de cambios.

Dado que la fuente de corriente alterna es un generador, el período está relacionado con la velocidad de rotación de su rotor, y cuanto mayor sea la velocidad de rotación del devanado o rotor del generador, menor será el período de la FEM alterna generada y, en consecuencia, resulta que la corriente alterna de carga.

El período se mide en segundos, milisegundos, microsegundos, nanosegundos, dependiendo de la situación particular en la que se considere esta corriente. La figura de arriba muestra cómo el voltaje U cambia con el tiempo mientras tiene un período característico T constante.

Frecuencia f

La frecuencia f es el recíproco del período y es numéricamente igual al número de períodos de cambio de corriente o EMF en 1 segundo. Es decir, f = 1 / T. La unidad de medida de la frecuencia es el hercio (Hz), llamado así por el físico alemán Heinrich Hertz, quien hizo una importante contribución al desarrollo de la electrodinámica en el siglo XIX. Cuanto más corto sea el período, mayor será la frecuencia del EMF o el cambio actual.

Hoy en Rusia, la frecuencia estándar de la corriente alterna en las redes eléctricas es de 50 Hz, es decir, aparecen 50 fluctuaciones del voltaje de la red en 1 segundo.

En otras áreas de la electrodinámica, se utilizan frecuencias más altas, por ejemplo, 20 kHz y más en los inversores modernos, y hasta varios MHz en áreas más estrechas de la electrodinámica. En la figura de arriba puedes ver que hay 50 oscilaciones completas en un segundo, cada una dura 0.02 segundos y 1/0.02 = 50.

A partir de los gráficos de cambios en la corriente alterna sinusoidal a lo largo del tiempo, se puede ver que las corrientes de diferentes frecuencias contienen un número diferente de períodos en el mismo intervalo de tiempo.

Frecuencia angular

Frecuencia angular: el número de oscilaciones realizadas en 2pi seg.

En un período, la fase de la EMF sinusoidal o la corriente sinusoidal cambia en 2pi radianes o 360 °, por lo tanto, la frecuencia angular de la corriente sinusoidal alterna es igual a:

Usar el número de oscilaciones en 2pi s (no en 1 s) Es conveniente porque en las fórmulas que expresan la ley del cambio de voltaje y corriente durante las oscilaciones armónicas, expresando la resistencia inductiva o capacitiva de la corriente alterna, y en muchas en otros casos aparece la frecuencia de oscilación n junto con el multiplicador 2pi.

Fase

Fase — estado, etapa de un proceso periódico. El término fase tiene un significado más definido en el caso de oscilaciones sinusoidales. En la práctica, por lo general no es la fase en sí misma la que juega un papel, sino el cambio de fase entre dos procesos periódicos cualesquiera.

En este caso, el término «fase» se entiende como una etapa del desarrollo del proceso, y en este caso, en relación con las corrientes alternas y las tensiones sinusoidales, se denomina fase al estado de la corriente alterna en un momento determinado del tiempo.

Las figuras muestran: la coincidencia de la tensión U1 y la corriente I1 en fase, la tensión U1 y U2 en antifase, así como el desfase entre la corriente I1 y la tensión U2. El cambio de fase se mide en radianes, partes de un período, en grados.

Ver también: ¿Qué es la fase, el ángulo de fase y el cambio de fase?

Amplitud Um e Im

Hablando de la magnitud de la corriente alterna sinusoidal o FEM alterna sinusoidal, el valor más alto de FEM o corriente se denomina amplitud o valor (máximo) de amplitud.

Amplitud — el valor más grande de la cantidad que realiza oscilaciones armónicas (por ejemplo, el valor máximo de la intensidad de la corriente en corriente alterna, la desviación del péndulo oscilante de la posición de equilibrio), la desviación más grande de la cantidad oscilante de un cierto valor, condicionalmente aceptado como cero inicial.

Estrictamente hablando, el término amplitud se refiere solo a las oscilaciones sinusoidales, pero generalmente (no del todo correctamente) se aplica en el sentido anterior a todas las oscilaciones.

Si hablamos de un alternador, la FEM de sus terminales alcanza dos veces por período un valor de amplitud, el primero de los cuales es + Em, el segundo es Em, respectivamente, durante los semiciclos positivo y negativo. La corriente I se comporta de manera similar y se denota por Im en consecuencia.

vibraciones armónicas — oscilaciones en las que una cantidad oscilante, como el voltaje en un circuito eléctrico, cambia con el tiempo de acuerdo con una ley armónica sinusoidal o del coseno. Representado gráficamente por una curva sinusoidal.

Los procesos reales solo pueden aproximarse a las oscilaciones armónicas. Sin embargo, si las oscilaciones reflejan los rasgos más característicos del proceso, dicho proceso se considera armónico, lo que facilita enormemente la solución de muchos problemas físicos y técnicos.

Los movimientos cercanos a las oscilaciones armónicas ocurren en varios sistemas: mecánico (oscilaciones de un péndulo), acústico (oscilaciones de una columna de aire en un tubo de órgano), electromagnético (oscilaciones en un circuito LC), etc.La teoría de las oscilaciones considera estos fenómenos, de diferente naturaleza física, desde un punto de vista unificado y determina sus propiedades comunes.

Es conveniente representar gráficamente las oscilaciones armónicas utilizando un vector que gira a velocidad angular constante alrededor de un eje perpendicular a este vector y que pasa por su origen. La velocidad angular de rotación del vector corresponde a la frecuencia circular de la oscilación armónica.

Diagrama vectorial de una vibración armónica

Un proceso periódico de cualquier forma se puede descomponer en una serie infinita de oscilaciones armónicas simples con diferentes frecuencias, amplitudes y fases.

Armonioso — una vibración armónica cuya frecuencia es un número entero de veces mayor que la frecuencia de alguna otra vibración, llamada tono fundamental. El número del armónico indica cuántas veces su frecuencia es mayor que la frecuencia del tono fundamental (por ejemplo, el tercer armónico es una vibración armónica con una frecuencia tres veces mayor que la frecuencia del tono fundamental).

Cualquier oscilación periódica pero no armónica (es decir, de forma diferente a la sinusoidal) puede representarse como una suma de oscilaciones armónicas: el tono fundamental y varios armónicos. Cuanto más difiere en forma la oscilación considerada de una sinusoidal, más armónicos contiene.

Valor instantáneo de u e i

El valor de la EMF o la corriente en un momento determinado se denomina valor instantáneo, se denotan con letras minúsculas u e i. Pero dado que estos valores cambian todo el tiempo, es un inconveniente estimar las corrientes de CA y los campos electromagnéticos a partir de ellos.

Valores RMS de I, E y U

La capacidad de la corriente alterna para realizar un trabajo útil, como hacer girar mecánicamente el rotor de un motor o producir calor en un dispositivo de calefacción, se estima convenientemente mediante los valores efectivos de las fem y las corrientes.

Entonces, valor presente efectivo Se denomina valor de tal corriente continua que, al pasar por un conductor durante un período de la corriente alterna considerada, produce el mismo trabajo mecánico o la misma cantidad de calor que esta corriente alterna.

Los valores RMS de voltajes, fem y corrientes se indican con letras mayúsculas I, E y U. Para corriente alterna sinusoidal y para voltaje alterno sinusoidal, los valores efectivos son:

Para describir las redes eléctricas, es conveniente utilizar el valor efectivo de la corriente y el voltaje. Por ejemplo, un valor de 220-240 voltios es el valor efectivo del voltaje en los enchufes domésticos modernos, y la amplitud es mucho mayor, de 311 a 339 voltios.

Lo mismo con la corriente, por ejemplo cuando dicen que por un aparato de calefacción doméstica circula una corriente de 8 amperios, se trata de un valor efectivo, mientras que la amplitud es de 11,3 amperios.

De una forma u otra, el trabajo mecánico y la energía eléctrica en las instalaciones eléctricas son proporcionales a los valores efectivos de las tensiones y corrientes. Una parte importante de los dispositivos de medición muestran exactamente los valores efectivos de voltajes y corrientes.