Generación de Corrientes Alternas, Generadores y Motores Eléctricos

INTRODUCCIÓN

¿Sabías que a finales del siglo XIX, dos de los inventores más brillantes de la historia, Thomas Edison y Nikola Tesla, se enfrentaron en una batalla épica de ingenio y ciencia? Esta batalla, conocida como la "Guerra de las Corrientes", no solo determinó cómo se distribuiría la electricidad en el mundo moderno, sino que también marcó el inicio de la era de la corriente alterna (CA), un tipo de electricidad que hoy alimenta casi todos los aparatos y tecnologías que usamos. ¿ Pero qué hace que la corriente alterna sea tan especial y cómo se genera? Vamos a descubrirlo.

GENERACIÓN DE LA CORRIENTE ALTERNA

TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA

Corriente Continua:

• Definición: Es aquella que siempre fluye en la misma dirección.
• Características Principales:
  • Siempre va en el mismo sentido.
  • Mantiene su intensidad constante a lo largo del tiempo.
• Aplicaciones: Es utilizada en dispositivos que requieren una corriente estable, como las baterías de los automóviles y en sistemas electrónicos de baja potencia.

Corriente Unidireccional:

• Definición: Es una corriente que siempre fluye en una única dirección, pero a diferencia de la corriente continua, su intensidad no es constante.
• Características Principales:
  • Siempre va en el mismo sentido.
  • No mantiene su intensidad constante, variando a lo largo del tiempo.
• Ejemplo: Un caso típico es una corriente sinusoidal rectificada, donde la dirección del flujo es siempre la misma, pero la intensidad varía.

Corriente Alterna:

• Definiciones:
  • Corriente Alterna Simétrica: Es una corriente cuyo sentido varía, con dos propiedades fundamentales:
    • Es periódica: se reproduce a sí misma en intervalos de tiempo iguales.
    • Su intensidad media es nula, ya que los dos semiperiodos son idénticos pero de sentido contrario.
  • Corriente Alterna Sinusoidal: Es una corriente alterna cuyo valor es función sinusoidal del tiempo. Esta se produce por una fem (fuerza electromotriz) inducida en una espira que gira con velocidad angular constante en un campo magnético.

t' i= cts 1 I 0 Corriente continua Corriente unidireccional Corriente alterna cuadrada 76 . 1 0 Corriente alterna sinusoidal Voltaje e Intensidad en Corriente Alterna (CA)

• Voltaje Instantáneo (V): Es el valor del voltaje en un instante específico. Varía sinusoidalmente con el tiempo en CA.
• Intensidad Instantánea (I): Es el valor de la corriente en un instante específico, que también varía sinusoidalmente en CA.
• Voltaje Máximo (Vmax) e Intensidad Máxima (Imax): Son los valores pico de voltaje y corriente, respectivamente. Estos valores representan los máximos absolutos que alcanzan el voltaje y la corriente en un ciclo.
• Voltaje Medio e Intensidad Media: Tanto el voltaje medio como la intensidad media a lo largo de un ciclo completo de una onda sinusoidal pura en CA son cero. Esto se debe a que la parte positiva del ciclo compensa exactamente a la parte negativa. Sin embargo, cuando se rectifica la corriente alterna (por ejemplo, en corriente unidireccional no constante como la corriente rectificada), el valor medio puede ser no nulo y representa el promedio de los valores instantáneos durante un ciclo, excluyendo la consideración de la dirección de la corriente.
• Voltaje Eficaz (RMS) e Intensidad Eficaz (RMS): Los valores RMS (Root Mean Square o Valor Cuadrático Medio) representan el voltaje y la corriente "eficaces" en CA. Estos valores se calculan para ofrecer un equivalente funcional a los valores de CC en términos de la capacidad de realizar trabajo o producir calor. El voltaje eficaz Vma Imax (Vrms) y la intensidad eficaz (Irms) son, para una onda sinusoidal, 12 y V2, respectivamente.

FUNDAMENTOS DE LA GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA.

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA. LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ.

La inducción electromagnética es el fenómeno por el cual se produce una corriente eléctrica a través de un circuito cerrado debido a un flujo magnético variable. Este concepto se basa en dos leyes fundamentales:

- 1 01. Ley de Faraday de la Inducción:

• Principio: Establece que la fem (fuerza electromotriz) inducida en un circuito cerrado es igual al negativo de la tasa de cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito.
• Expresión Matemática: Para una bobina con N espiras, se expresa como E =- NºDE, donde B es el flujo magnético.
• Significado Físico: El signo negativo refleja el principio de la ley de Lenz, indicando la oposición a la causa que origina la fem.

Calcular campo magnético: Para calcular el campo magnético, puedes aplicar la Ley de Ampère o la ley de Biot-Savart, dependiendo del contexto y la geometría del problema. La ley de Biot-Savart es útil para situaciones con geometrías complicadas, expresando el campo magnético B como resultado de una corriente eléctrica I, con B=4º5 IdŮ×î r2 donde dl es un elemento diferencial del conductor por donde pasa la corriente, î es el vector unitario desde el elemento de corriente hasta el punto donde se calcula el campo, y r es la distancia entre estos puntos. La Ley de Ampère, más conveniente para configuraciones con simetría, relaciona el campo magnético en un camino cerrado con la corriente total que atraviesa cualquier superficie delimitada por ese camino. Esta ley establece que el campo magnético en el entorno de un conductor por el que circula una corriente eléctrica es proporcional a la intensidad de la corriente y depende de la forma del conductor. La forma general de la Ley de Ampère es B.d=pol, donde B es el campo magnético, dl es un elemento diferencial de longitud en la dirección del campo, po es la permeabilidad magnética del vacío, e I es la corriente que pasa a través de la superficie encerrada por el camino de la integral. Esta ley es especialmente útil para calcular campos magnéticos en configuraciones con alta simetría, como alrededor de un cable largo y recto o dentro de una bobina solenoide.

2. Ley de Lenz:

• Principio: Indica que el flujo producido por la corriente inducida se opone a la variación del flujo inductor.
• Implicación: El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse a la causa que la origina, siguiendo el principio de acción y reacción en electromagnetismo.

Aplicación en la Generación de Corriente Alterna:

• Proceso: La variación en el flujo magnético que atraviesa el plano de una espira giratoria produce una fem inducida, que a su vez genera corriente alterna en un circuito exterior.
• Alternador: Un dispositivo que genera fem, como un alternador simple, ilustra este principio. Una espira rectangular gira con velocidad angular constante en un campo magnético uniforme, generando una fem que varía sinusoidalmente con el tiempo.

GENERACIÓN DE CORRIENTE ALTERNA Y FUENTES DE CORIENTE ALTERNA

La generación de corriente alterna (CA) se fundamenta en los principios de inducción electromagnética. Los aspectos claves de este proceso incluyen:

Fuerza Electromotriz (fem) Inducida:

• Condiciones para Inducción: La fem puede ser inducida en un circuito a través de varias formas:
  • Cambio en la magnitud del campo magnético a lo largo del tiempo.
  • Variación en el área encerrada por la espira con el tiempo.
  • Alteración del ángulo entre el campo magnético y la normal a la espira en el tiempo.
• Relación con el Flujo Magnético: La fem inducida en una espira de alambre se relaciona directamente con la rapidez de cambio del flujo magnético a través de la espira.

Fundamento de la Obtención de CA:

• Principio Básico: La corriente alterna se debe a la fem inducida por un flujo magnético cambiante.
• Proceso de Generación: Los experimentos demuestran que la variación del flujo magnético, ya sea por cambios en la intensidad del campo, el área de la espira o su orientación respecto al campo, induce una corriente en el circuito.

Espira (vista desde el extremo) * El flujo disminuye con máxima rapidez. fem positiva máxima. El flujo aumenta con máxima rapidez. fem negativa máxima. 8 = - dd B/dt €, DB El flujo alcanza su valor más negativo. la fem es igual a cero. El flujo alcanza su valor más positivo, la fem es igual a cero. -t Las fuentes de corriente alterna (CA) son esenciales para la generación y distribución de electricidad.

Circuitos de CA y Fuentes de Energía: