Fundamentos de la Corriente Alterna: Ventajas, Producción y Características Clave

Ventajas de la Corriente Alterna (CA) frente a la Corriente Continua (CC)

Históricamente, la electricidad se producía inicialmente en Corriente Continua (CC) mediante dínamos, que eran generadores complejos y de difícil mantenimiento. Una limitación significativa de la CC era la dificultad para transportar la energía a grandes distancias, dado que no existía un método práctico y eficiente para elevar o reducir la tensión de grandes cantidades de energía. Transportar energía a baja tensión requería conductores de secciones muy grandes para minimizar las pérdidas.

Los alternadores han sustituido casi en su totalidad a las dínamos en la generación a gran escala. Estos producen Corriente Alterna (CA), cuya tensión se puede elevar o reducir fácilmente mediante transformadores eléctricos. Esto permite transportar energía a altas tensiones (reduciendo la corriente y, por tanto, las pérdidas y la sección necesaria de los conductores) y luego reducirla a niveles seguros para el consumo.

Otras ventajas de la CA incluyen:

• Los motores de CA suelen ser más sencillos, robustos y económicos que sus equivalentes de CC.
• La conversión de CA a CC (rectificación), cuando es necesaria, es un proceso relativamente fácil y barato con la tecnología actual.

Producción de Corriente Alterna Senoidal

La Corriente Alterna más común sigue las variaciones de una función senoidal (para comprenderla a fondo, conviene tener nociones de trigonometría).

Principio del Alternador Elemental

Un alternador elemental consta de:

• Un campo magnético fijo, usualmente producido por un imán o electroimán (inductor).
• Un conductor eléctrico en forma de espira (o bobina) que gira dentro de ese campo magnético (inducido).

Al cortar los conductores de la espira las líneas de fuerza del campo magnético durante su movimiento giratorio, se induce en ellos una fuerza electromotriz (fem). Esta fem aparece como una diferencia de tensión en los extremos (terminales) de la espira.

Se puede demostrar matemática y experimentalmente que la tensión en los terminales de la espira varía con el tiempo y posee la forma de una onda senoide. Una CA senoidal se caracteriza porque tanto la corriente como la tensión cambian continuamente de valor y periódicamente de sentido, siguiendo un ciclo repetitivo descrito por la función seno.

Valores Característicos de la Corriente Alterna Senoidal

Para describir y trabajar con la CA senoidal, se definen varios valores característicos:

Valor Instantáneo (v(t), i(t))

Es el valor que toma la tensión (v) o la corriente (i) en un instante de tiempo específico (t), siguiendo la función senoidal. Por ejemplo, v(t) = V_M * sen(ωt + φ).

Valor Máximo o de Pico (V_M, I_M)

La tensión y la corriente varían continuamente. En cada ciclo completo, la onda pasa por cero dos veces y alcanza un valor máximo (positivo y negativo) dos veces. Se denomina Valor Máximo (V_M) o Valor de Pico a la amplitud máxima de la onda senoidal. Gráficamente, corresponde a las crestas de la senoide (que ocurren a 90° y 270° en un ciclo ideal sin desfase).

Valor Eficaz (V_eff, I_eff o V_RMS, I_RMS)

Es el valor más importante desde el punto de vista práctico. Se define como el valor de una tensión o corriente continua que produciría los mismos efectos caloríficos (disipación de potencia) en una resistencia eléctrica que la tensión o corriente alterna considerada. Para una onda senoidal, el valor eficaz se relaciona con el valor máximo mediante: V_eff = V_M / √2 ≈ 0.707 * V_M. Los voltímetros y amperímetros para CA suelen medir este valor.

Valor Medio

Si se calcula el valor promedio de todos los valores instantáneos de tensión o corriente durante un ciclo completo, el resultado es cero. Esto se debe a que el área bajo la curva durante el semiciclo positivo es igual en magnitud pero de signo opuesto al área bajo la curva durante el semiciclo negativo, cancelándose mutuamente. El valor medio sobre medio ciclo sí es distinto de cero.

Ciclo y Período (T)

Un ciclo es la variación completa de la onda antes de que comience a repetirse. El Período (T) es el tiempo, medido en segundos (s), que tarda en completarse un ciclo.

Frecuencia (f)

Es el número de ciclos completos que ocurren en un segundo. Se mide en Hertz (Hz). La frecuencia es la inversa del período: f = 1 / T. En Europa y muchas partes del mundo, la frecuencia estándar de la red eléctrica es de 50 Hz; en América del Norte y otros lugares es de 60 Hz.

Velocidad Angular (ω)

Representa la velocidad de rotación de la espira del alternador (o del fasor que representa la magnitud senoidal). Se mide en radianes por segundo (rad/s). Está directamente relacionada con la frecuencia mediante la fórmula: ω = 2πf.