William Moebs; Samuel J. Ling; Jeff Sanny

Objetivos de aprendizaje

Al final de esta sección, podrá:

Explicar las diferencias entre corriente continua (dc) y corriente alterna (ac).
Definir los rasgos característicos de la corriente alterna y el voltaje alterno, como la amplitud o pico y la frecuencia.

La mayoría de los ejemplos tratados hasta ahora en este libro, especialmente los que utilizan baterías, tienen fuentes de voltaje constante. Así, una vez establecida la corriente, esta es constante. La corriente continua (dc) es el flujo de carga eléctrica en una sola dirección. Es el estado estacionario de un circuito de voltaje constante.

Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones conocidas utilizan una fuente de voltaje variable en el tiempo. La corriente alterna (ac) es el flujo de carga eléctrica que invierte periódicamente su dirección. La ac es producida por una emf alterna, que se genera en una central eléctrica, como se describe en Campos eléctricos inducidos. Si la fuente de ac varía periódicamente, especialmente de forma sinusoidal, el circuito se conoce como circuito de ac. Por ejemplo, la energía comercial y residencial que sirve para muchas de nuestras necesidades.

Los voltajes alternos y frecuencias de ac que se utilizan habitualmente en las empresas y los hogares varían en todo el mundo. En una casa típica, la diferencia de potencial entre los dos lados de una toma de corriente alterna sinusoidalmente con una frecuencia de 60 o 50 Hz y una amplitud de 170 o 311 V, según se viva en Estados Unidos o Europa, respectivamente. La mayoría de la gente sabe que la diferencia de potencial de las tomas de corriente es de 120 V o 220 V en EE. UU. o Europa, pero como se explica más adelante en el capítulo, estos voltajes no son los valores máximos que se dan aquí, sino que están relacionados con los voltajes comunes que vemos en nuestras tomas de corriente. La Figura 15.2 muestra gráficos de voltaje y corriente versus tiempo para dc y ac típicas de Estados Unidos.

Las figuras a y b muestran gráficos de voltaje y corriente en función del tiempo. La figura a muestra voltaje continuo y la corriente continua como líneas horizontales en el gráfico, con valores positivos de y. La corriente tiene un valor y menor que el voltaje. La figura b muestra el voltaje y la corriente alternos como ondas sinusoidales en el gráfico, teniendo el voltaje una mayor amplitud que la corriente. Tienen la misma longitud de onda. La longitud de media onda tiene un valor x de 8,33 y la longitud de onda completa tiene un valor x de 16,6. Los valores Y máximos de voltaje y la corriente están marcados como V0 e I0 respectivamente y los valores Y mínimos están marcados como menos V0 y menos I0 respectivamente.

Figura 15.2 (a) El voltaje continuo y la corriente continua son constantes en el tiempo, una vez establecida la corriente. (b) El voltaje y la corriente versus tiempo son muy diferentes para la energía de ac. En este ejemplo, que muestra la potencia de ac de 60 Hz y el tiempo t en milisegundos, el voltaje y la corriente son sinusoidales y están en fase para un circuito de resistencia simple. Las frecuencias y los picos de voltajes de las fuentes de ac son muy diferentes.

Supongamos que conectamos un resistor a una fuente de voltaje alterno y determinamos cómo el voltaje y la corriente varían en el tiempo a través del resistor. La Figura 15.3 muestra un esquema de un circuito sencillo con una fuente de voltaje alterno. El voltaje fluctúa sinusoidalmente con el tiempo a una frecuencia fija, como se muestra, en los terminales de la batería o en el resistor. Por lo tanto, el voltaje alterno, o el "voltaje en un enchufe” puede venir dado por

v = V_{0} sen ω t,

15.1

donde v es el voltaje en el momento t, $V_{0}$ es el voltaje pico, y $ω$ es la frecuencia angular en radianes por segundo. Para una casa típica en Estados Unidos, $V_{0} = 170 V$ y $ω = 120 π rad/s$ , mientras que en Europa, $V_{0} = 311 V$ y $ω = 100 π rad/s .$

Para este sencillo circuito de resistencia, $I = V / R$ , por lo que la ac, es decir, la corriente que fluctúa sinusoidalmente con el tiempo a una frecuencia fija, es

i = I_{0} sen ω t,

15.2

donde i es la corriente en el momento t y $I_{0}$ es la corriente máxima y es igual a $V_{0} / R$ . En este ejemplo, se dice que el voltaje y la corriente están en fase, lo que significa que sus formas funcionales sinusoidales tienen picos, valles y nodos en el mismo lugar. Oscilan de forma sincronizada, como se muestra en la Figura 15.2(b). En estas ecuaciones, y a lo largo de este capítulo, utilizamos letras minúsculas (como la i) para indicar valores instantáneos y letras mayúsculas (como la I) para indicar valores máximos o pico.

La figura muestra una onda sinusoidal de ac. En la parte superior se muestra un circuito que apunta a la onda. Está marcado como fuente V y tiene una fuente de voltaje alterno conectada a un resistor. La fuente está marcada como positiva en un lado y negativa en el otro. Un circuito en la parte inferior, marcado como resistor V, también apunta a la onda. Es similar al circuito superior pero con la polaridad de la fuente invertida.

Figura 15.3 La diferencia de potencial V entre los terminales de una fuente de voltaje alterno fluctúa, por lo que la fuente y el resistor tienen ondas sinusoidales alternas por encima de cada uno. La expresión matemática de v viene dada por

v = V_{0} sen ω t .

La corriente en el resistor se alterna de un lado a otro al igual que el voltaje de conducción, ya que $I = V / R$ . Si el resistor es una bombilla fluorescente, por ejemplo, se ilumina y se oscurece 120 veces por segundo cuando la corriente pasa repetidamente por cero. Un parpadeo de 120 Hz es demasiado rápido para que sus ojos lo detecten, pero si agita la mano de un lado a otro entre su cara y una luz fluorescente, verá el efecto estroboscópico del ac.

Compruebe Lo Aprendido 15.1

Si se considera una fuente de voltaje alterno europeo, ¿cuál es la diferencia de tiempo entre los cruces por cero en una gráfica de voltaje alterno en función del tiempo?

15.1 Fuentes de ac