¿Qué Es La Corriente Alterna (AC)? Alternadores, Motores y Transformadores.

La mayoría de los estudiantes de electricidad comienzan su estudio con lo que se conoce como corriente continua (DC), que es la electricidad que fluye en una dirección constante, y/o que posee un voltaje con polaridad constante.

La DC es el tipo de electricidad producida por una batería (con terminales positivos y negativos definidos), o el tipo de carga generada por el roce de ciertos tipos de materiales entre sí.

¿Qué Es La Corriente Alterna (AC)? Alternadores, Motores y Transformadores.

Corriente alterna vs. corriente continua

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Por muy útil y fácil de entender que sea la DC, no es el único “tipo” de electricidad en uso. Ciertas fuentes de electricidad (en particular, los generadores electromecánicos rotativos) producen naturalmente voltajes que se alternan en la polaridad, invirtiendo el positivo y el negativo a lo largo del tiempo.

Ya sea como polaridad de conmutación de voltaje o como dirección de conmutación de corriente de ida y vuelta, este “tipo” de electricidad se conoce como Corriente Alterna (AC):

Corriente alterna vs. corriente continua
Corriente directa vs. corriente alterna

Mientras que el conocido símbolo de la batería se utiliza como símbolo genérico para cualquier fuente de tensión DC, el círculo con la línea ondulada en su interior es el símbolo genérico para cualquier fuente de tensión AC.

Uno podría preguntarse por qué alguien se molestaría con algo como la AC. Es cierto que en algunos casos la AC no tiene ninguna ventaja práctica sobre la DC.

En las aplicaciones en las que la electricidad se utiliza para disipar la energía en forma de calor, la polaridad o la dirección de la corriente es irrelevante, siempre que haya suficiente voltaje y corriente en la carga para producir el calor deseado (disipación de energía).

Sin embargo, con la AC es posible construir generadores eléctricos, motores y sistemas de distribución de energía que son mucho más eficientes que la DC, por lo que encontramos que la AC se utiliza predominantemente en todo el mundo en aplicaciones de alta potencia.

Para explicar los detalles de por qué esto es así, es necesario un poco de conocimiento de fondo sobre la AC.

Alternadores de AC

Si se construyeS una máquina para hacer girar un campo magnético alrededor de un conjunto de bobinas de alambre estacionario con el giro de un eje, se producirá un voltaje de AC a través de las bobinas de alambre a medida que se gira ese eje, de acuerdo con la Ley de Faraday de inducción electromagnética.

Este es el principio básico de funcionamiento de un generador de AC, también conocido como alternador: Figura abajo

Alternadores de AC
Funcionamiento del alternador

Observen cómo la polaridad del voltaje a través de las bobinas de alambre se invierte al pasar los polos opuestos del imán giratorio.

Conectado a una carga, esta polaridad de voltaje invertida creará una dirección de corriente inversa en el circuito. Cuanto más rápido gire el eje del alternador, más rápido girará el imán, lo que dará como resultado un voltaje y una corriente alterna que cambie de dirección más a menudo en un tiempo determinado.

Mientras que los generadores de corriente continua trabajan con el mismo principio general de inducción electromagnética, su construcción no es tan simple como la de sus contrapartes de corriente alterna.

Con un generador de DC, la bobina de alambre se monta en el eje donde el imán está en el alternador de AC, y las conexiones eléctricas se hacen a esta bobina giratoria a través de “escobillas” de carbono estacionarias que entran en contacto con tiras de cobre en el eje giratorio.

Todo esto es necesario para cambiar la polaridad de salida de la bobina al circuito externo, de modo que el circuito externo vea una polaridad constante:

Alternadores de AC
Funcionamiento del generador de corriente continua

El generador que se muestra arriba producirá dos pulsos de voltaje por cada revolución del eje, ambos pulsos en la misma dirección (polaridad). Para que un generador de DC produzca un voltaje constante, en lugar de breves pulsos de voltaje una vez cada 1/2 revolución, hay múltiples juegos de bobinas que hacen contacto intermitente con las escobillas.

El diagrama que se muestra arriba es un poco más simplificado que el que se vería en la vida real.

Los problemas que implica hacer y romper el contacto eléctrico con una bobina en movimiento deberían ser obvios (chispas y calor), especialmente si el eje del generador está girando a alta velocidad. Si la atmósfera que rodea la máquina contiene vapores inflamables o explosivos, los problemas prácticos de los contactos de las escobillas que producen chispas son aún mayores.

Un generador de AC (alternador) no requiere escobillas y conmutadores para funcionar, por lo que es inmune a estos problemas que experimentan los generadores de DC.

Motores de AC

Los beneficios de la AC sobre la DC con respecto al diseño del generador también se reflejan en los motores eléctricos.

Mientras que los motores de DC requieren el uso de cepillos para hacer contacto eléctrico con las bobinas de alambre en movimiento, los motores de AC no. De hecho, los diseños de los motores de AC y DC son muy similares a sus homólogos de los generadores (idénticos para este tutorial), ya que el motor de AC depende del campo magnético inverso producido por la corriente alterna a través de sus bobinas estacionarias de alambre para girar el imán giratorio alrededor de su eje, y el motor de DC depende de que los contactos de las escobillas hagan y rompan conexiones para invertir la corriente a través de la bobina giratoria cada 1/2 rotación (180 grados).

Transformadores

Así que sabemos que los generadores y motores de AC tienden a ser más simples que los generadores y motores de DC. Esta relativa simplicidad se traduce en una mayor fiabilidad y un menor coste de fabricación. ¿Pero para qué más sirve la AC? ¡Seguramente debe haber algo más que detalles de diseño de generadores y motores! De hecho, lo hay.

Hay un efecto de electromagnetismo conocido como inducción mutua, por el cual dos o más bobinas de alambre se colocan de manera que el campo magnético cambiante creado por una induce un voltaje en la otra. Si tenemos dos bobinas mutuamente inductivas y energizamos una con corriente alterna, crearemos un voltaje de corriente alterna en la otra bobina. Cuando se usa como tal, este dispositivo se conoce como transformador:

Transformadores
El transformador “transforma” el voltaje y la corriente de AC.

El significado fundamental de un transformador es su capacidad de aumentar o disminuir el voltaje de la bobina energizada a la bobina no energizada. El voltaje de AC inducido en la bobina no alimentada (“secundaria”) es igual al voltaje de AC en la bobina alimentada (“primaria”) multiplicado por la relación de vueltas de la bobina secundaria a vueltas de la bobina primaria.

Si la bobina secundaria está alimentando una carga, la corriente que pasa por la bobina secundaria es justo lo contrario: la corriente de la bobina primaria multiplicada por la relación de vueltas de la bobina primaria a la secundaria. Esta relación tiene una analogía mecánica muy cercana, usando el par y la velocidad para representar el voltaje y la corriente, respectivamente:

Transformadores
El tren de engranajes de multiplicación de velocidad reduce el par y aumenta la velocidad. El transformador de reducción reduce el voltaje y aumenta la corriente.

Si se invierte la relación del devanado de manera que la bobina primaria tiene menos vueltas que la secundaria, el transformador “sube” el voltaje del nivel de la fuente a un nivel más alto en la carga:

Transformadores
El tren de engranajes de reducción de velocidad sube el par y baja la velocidad. El transformador eleva el voltaje y reduce la corriente.

La capacidad del transformador para subir o bajar el voltaje de la AC con facilidad le da a la AC una ventaja inigualable por la DC en el ámbito de la distribución de energía en la figura siguiente.

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Cuando se transmite energía eléctrica a través de largas distancias, es mucho más eficiente hacerlo con voltajes más altos y corrientes más bajas (cable de menor diámetro con menos pérdidas de energía resistiva), y luego volver a bajar el voltaje y volver a subir la corriente para uso de la industria, los negocios o los consumidores.

Transformadores
Los transformadores permiten una eficiente transmisión de alta tensión a larga distancia de la energía eléctrica.

La tecnología de los transformadores ha hecho que la distribución de energía eléctrica de largo alcance sea práctica. Sin la capacidad de subir y bajar el voltaje de manera eficiente, sería prohibitivo desde el punto de vista de los costos construir sistemas de energía para cualquier cosa que no sea de corto alcance (dentro de unos pocos kilómetros como máximo).

Por muy útiles que sean los transformadores, sólo funcionan con AC, no con DC. Debido a que el fenómeno de la inductancia mutua depende de los campos magnéticos cambiantes, y la corriente continua (DC) sólo puede producir campos magnéticos estables, los transformadores simplemente no funcionarán con corriente continua.

Por supuesto, la corriente directa puede ser interrumpida (pulsada) a través del devanado primario de un transformador para crear un campo magnético cambiante (como se hace en los sistemas de ignición de los automóviles para producir energía de alto voltaje para las bujías a partir de una batería de DC de bajo voltaje), pero la DC pulsada no es tan diferente de la AC.

Tal vez más que cualquier otra razón, esta es la razón por la que la AC encuentra una aplicación tan extendida en los sistemas de energía.

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