Circuitos ca (corriente alterna)

download Circuitos ca (corriente alterna)

of 12

  • date post

    22-Jul-2015
  • Category

    Science

  • view

    85
  • download

    5

Embed Size (px)

Transcript of Circuitos ca (corriente alterna)

Circuitos de corriente alterna

En este captulo se describen los circuitos de corriente alterna (CA). Cada vez que enciende un televisor, un estreo o cualquier otro aparato elctrico en casa, utiliza corriente alterna para obtener la potencia que necesitan. Dicho estudio inicia con la investigacin de las caractersticas de circuitos en serie simples que contienen resistores, inductores y capacitores, y que se activan mediante voltaje senoidal. La primera finalidad de este captulo, en resumen, es: si una fuente de CA aplica un voltaje alterno a un circuito en serie que contiene resistores, inductores y condensadores, lo que se desea conocer son las caractersticas de amplitud y tiempo de la corriente alterna. Concluye el captulo con dos secciones que analizan los transformadores, la transmisin de energa y los filtros elctricos.

Fuentes de CA

Un circuito de CA est conformado por elementos de circuito y una fuente de energa que proporciona un voltaje alterno. Este voltaje, que vara con el tiempo de acuerdo con la fuente, est descrito por

donde es el mximo voltaje de salida de la fuente de CA, o la amplitud de voltaje.

Hay varias posibilidades para fuentes de CA, incluyendo generadores, y osciladores elctricos. En una casa, cada toma de corriente es una fuente de CA. Ya que el voltaje de salida de una fuente CA vara de manera sinusoidal con el tiempo, el voltaje es positivo durante una mitad del ciclo y negativo durante la otra mitad como en la figura 1. De la misma manera, la corriente en cualquier circuito conductor para una fuente de CA es una corriente alternante que tambin vara senoidalmente con el tiempo. La frecuencia angular del voltaje de CA es

donde f es la frecuencia de la fuente y T el periodo. La fuente determina la frecuencia de la corriente en cualquier circuito conectado a ella. En Estados Unidos, las plantas para la generacin de energa elctrica usan una frecuencia de 60 Hz, que corresponde a una frecuencia angular de 377 rad/s.

Resistores en un circuito de CA

Considere un circuito CA simple formado por un resistor y una fuente de CA Como se ilustra en la figura2. En cualquier instante, la suma algebraica de los voltajes alrededor de una espira cerrada en un circuito debe ser cero (regla de la espira de Kirchhoff). Por lo tanto, o con la ecuacin para el voltaje a travs del resistor,

Al reagrupar esta expresin y sustituir Vmx sen wt por la corriente instantnea en el resistor es

donde Imx es la corriente mxima:

Por la ecuacin 1 el voltaje instantneo a travs del resistor es

En la figura 3a se muestra una grfica del voltaje y la corriente en funcin del tiempo para este circuito. En el punto a, la corriente tiene un valor mximo en una direccin, denominada de manera arbitraria direccin positiva. Entre los puntos a y b, la corriente decrece en magnitud, pero an est en la direccin positiva. En b, la corriente es por el momento cero; por lo tanto empieza a aumentar en la direccin negativa entre los puntos b y c. En c, la corriente ha llegado a su valor mximo en la direccin negativa.La corriente y el voltaje estn sincronizados entre s porque varan de manera idntica con el tiempo. Porque varan ambos como sen wt y alcanzan sus valores mximos al mismo tiempo, como se muestra en la figura 3a, se dice que estn en fase, igual a la forma en que dos ondas pueden estar en fase, como el movimiento de ondas. Por lo tanto, para un voltaje senoidal aplicado, la corriente en un resistor siempre est en fase con el voltaje en las terminales del resistor. Para resistores en circuitos de CA, no existen conceptos nuevos que aprender. Los resistores se comportan esencialmente en la misma forma en circuitos de CD y de CA. No obstante, que no es el caso para capacitores e inductores. Para simplificar el anlisis de circuitos que contienen dos o ms elementos, se usa una representacin grfica denominada diagramas de fasores. Un fasor es un vector cuya longitud es proporcional al valor mximo de la variable que representa (Vmx para voltaje e Imx para corriente en el presente anlisis) y que gira en sentido contrario a las manecillas del reloj con una rapidez angular igual a la frecuencia angular asociada con la variable. La proyeccin del fasor sobre el eje vertical representa el valor instantneo de la cantidad que representa. La figura 3b muestra fasores de voltaje y corriente para el circuito de la figura 2 en algn instante. Las proyecciones de las flechas del fasor sobre el eje vertical estn determinadas por una funcin de seno del ngulo del fasor respecto al eje horizontal. Por ejemplo, la proyeccin del fasor de corriente de la figura 3b es Imx sen wt. Observe que se trata de la misma expresin que la ecuacin1. Por lo tanto, use las proyecciones de fasores para representar valores de corriente que varan senoidalmente con el tiempo. Es posible hacer lo mismo con voltajes que varan con el tiempo. La ventaja de este planteamiento es que las correspondencias de fase entre corrientes y voltajes se representan como sumas vectoriales de fasores, con las tcnicas para suma de vectores.

En el caso del circuito resistivo de una sola espira de la figura 2, los fasores de corriente y voltaje se encuentran a lo largo de la misma lnea, como en la figura 3b, debido a que estn en fase. La corriente y el voltaje en circuitos que contienen capacitores e inductores tienen diferentes correspondencias de fase.

Para el circuito resistivo sencillo de la figura 2, observe que el valor promedio de la corriente en todo un ciclo es cero. Es decir, se mantiene la corriente en la direccin positiva durante el mismo tiempo y a la misma magnitud que en la direccin negativa. No obstante, la direccin de la corriente no afecta el comportamiento del resistor. Comprender esto si observa que las colisiones entre electrones y los tomos fijos del resistor generan un aumento en la temperatura del resistor. Aun cuando este aumento de temperatura depende de la magnitud de la corriente, es independiente de la direccin de sta.Puede hacer Puede hacer esta explicacin cuantitativa a este anlisis si recuerda que la rapidez con la que se entrega energa a un resistor es la potencia P=iR, donde i es la corriente instantnea en el resistor. Ya que esta rapidez es proporcional al cuadrado de la corriente, no hay diferencia si la corriente es directa o alterna, es decir, si el signo asociado con la corriente es positivo o negativo. No obstante, el aumento de temperatura producido por una corriente alterna que tiene un valor mximo Imx no es igual que el que produce una corriente directa igual a Imx, porque la corriente alterna tiene este valor mximo slo un instante durante cada ciclo (figura 5a). Lo que es de importancia en un circuito de CA es el valor promedio de corriente, que se conoce

Esta ecuacin expresa que una corriente alterna cuyo valor mximo es 2.00 A entrega a un resistor la misma potencia que una corriente directa que tiene un valor de (0.707) (2.00 A)=1.41 A. As, la potencia promedio entregada a un resistor que lleva una corriente alterna es

Cuando mide un voltaje alterno de 120 V de una toma de corriente elctrica, se trata de un voltaje rms de 120 V. Un clculo con la ecuacin 5 muestra que ese voltaje alterno tiene un valor mximo de 170 V. Con frecuencia un argumento para utilizar valores rms cuando se analiza corrientes alternas es que los ampermetros y los voltmetros de CA estn diseados para leer valores rms. Adems, con valores rms, muchas de las ecuaciones tienen la misma forma que las de corriente directa.

Inductores en un circuito de CA

Capacitadores en un circuito de CA

RESUMEN

REFERENCIA: Fsica para ciencias e ingeniera con fsica Moderna - Serway vol.2 - paginas 923 931; 944