10.12: Corriente alterna versus corriente continua
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Objetivos de aprendizaje
- Explicar las diferencias y similitudes entre la corriente CA y CC.
- Describa el voltaje, la corriente y la potencia promedio rms.
- Explique por qué se utiliza corriente de CA para la transmisión de energía
Corriente alterna
La mayoría de los ejemplos en circuitos eléctricos, y particularmente aquellos que utilizan baterías, tienen fuentes de voltaje constante. Una vez establecida la corriente, es así también una constante. La corriente continua (CC) es el flujo de carga eléctrica en una sola dirección. Es el estado estacionario de un circuito de voltaje constante. Muchas aplicaciones bien conocidas, sin embargo, utilizan una fuente de voltaje variable en el tiempo. La corriente alterna (CA) es el flujo de carga eléctrica que invierte periódicamente la dirección. Si la fuente varía periódicamente, particularmente sinusoidalmente, el circuito se conoce como circuito de corriente alterna. Los ejemplos incluyen la energía comercial y residencial que atiende tantas de nuestras necesidades. La figura\(\PageIndex{1}\) muestra gráficas de voltaje y corriente frente al tiempo para la alimentación típica de CC y CA. Los voltajes y frecuencias de CA comúnmente utilizados en hogares y negocios varían en todo el mundo. Los voltajes de CA oscilan entre 100 V y 240 V; las frecuencias oscilan entre 50 Hz y 60 Hz.
La figura\(\PageIndex{2}\) muestra un esquema de un circuito simple con una fuente de voltaje de CA. El voltaje entre los terminales fluctúa como se muestra. Para este ejemplo, se dice que el voltaje y la corriente están en fase, como se ve en la Figura\(\PageIndex{1}\) (b).
La corriente en la resistencia alterna de un lado a otro al igual que el voltaje de accionamiento, ya que\(I=V / R\). Si la resistencia es una bombilla fluorescente, por ejemplo, se ilumina y atenúa 120 veces por segundo a medida que la corriente pasa repetidamente por cero. Un parpadeo de 120-Hz es demasiado rápido para que tus ojos lo detecten, pero si mueve la mano hacia adelante y hacia atrás entre tu cara y una luz fluorescente, verás un efecto estroboscópico evidenciando AC. El hecho de que la salida de luz fluctúe significa que la potencia está fluctuando. La alimentación suministrada es\(P=I V\).
HACIENDO CONEXIONES: Experimento para llevar a casa:
Mueva su mano hacia adelante y hacia atrás entre su cara y una bombilla fluorescente. ¿Observas lo mismo con los faros de tu auto? Explica lo que observas. Advertencia: No mires directamente a la luz muy brillante.
La mayoría de las veces nos preocupa la potencia promedio en lugar de sus fluctuaciones, esa bombilla de 60 W en su lámpara de escritorio tiene un consumo de energía promedio de 60 W, por ejemplo. Como se ilustra en la Figura\(\PageIndex{3}\). Una forma común de expresar un promedio es “raíz cuadrática media” o "rms”. Por ejemplo, el voltaje rms de una fuente de voltaje de CA se encuentra primero al cuadrar el voltaje (“cuadrado”), tomando un promedio de este valor en un período de oscilación (“media”) y tomando la raíz cuadrada (“raíz”).
Es una práctica estándar cotizar\(I_{\text {rms }}\),\(V_{\text {rms }}\), y\(P_{\text {ave }}\) en lugar de los valores pico. Por ejemplo, la mayoría de la electricidad doméstica es de 120 V CA, lo que significa que\(V_{\text {rms }}\) es de 120 V. El disyuntor común de 10-A interrumpirá un sostenido\(I_{\text {rms }}\) mayor a 10 A. Su horno microondas de 1.0-kW consume\(P_{\text {ave }}=1.0 \mathrm{~kW}\), y así sucesivamente. Puede pensar en estos valores rms y promedio como los valores de CC equivalentes para un circuito resistivo simple.
En resumen, cuando se trata de CA, la ley de Ohm y las ecuaciones para la potencia son completamente análogas a las de CC, pero se utilizan valores rms y promedio para CA. Así, para AC, la ley de Ohm está escrita
\[I_{\mathrm{rms}}=\frac{V_{\mathrm{rms}}}{R} . \nonumber \]
Las diversas expresiones para la alimentación de CA\(P_{\text {ave }}\) son
\[P_{\text {ave }}=I_{\text {rms }} V_{\text {rms }}, \nonumber \]
\[P_{\mathrm{ave}}=\frac{V_{\mathrm{rms}}^{2}}{R}, \nonumber \]
y
\[P_{\mathrm{ave}}=I_{\mathrm{rms}}^{2} R. \nonumber \]
¿Por qué utilizar CA para la distribución de energía?
La mayoría de los grandes sistemas de distribución de energía son AC. Además, la potencia se transmite a voltajes mucho más altos que los 120-V AC (240 V en la mayor parte del mundo) que utilizamos en hogares y en el trabajo. Las economías de escala hacen que sea más barato construir unas pocas plantas generadoras de energía eléctrica muy grandes que construir numerosas pequeñas. Esto requiere enviar energía a largas distancias, y obviamente es importante que se minimicen las pérdidas de energía en ruta. Los voltajes altos se pueden transmitir con pérdidas de potencia mucho menores que las bajas tensiones, como mostraremos a continuación. (Ver Figura\(\PageIndex{4}\).) Por razones de seguridad, el voltaje en el usuario se reduce a valores familiares. El factor crucial es que los voltajes de CA pueden aumentarse y disminuirse de manera eficiente con transformadores (que utilizan inducción electromagnética para producir voltajes variables en el tiempo), mientras que es más difícil cambiar los voltajes de CC sin pérdidas de energía. Así que AC se utiliza en la mayoría de los sistemas de distribución de energía grandes.
Ejemplo\(\PageIndex{1}\): Power Losses Are Less for High-Voltage Transmission
a) ¿Qué corriente se necesita para transmitir 100 MW de potencia a 200 kV? b) ¿Cuál es la potencia disipada por las líneas de transmisión si tienen una resistencia de\(1.00 ~\Omega\)? c) ¿Qué porcentaje de la energía eléctrica se pierde en las líneas de transmisión?
Estrategia
Se nos da\(P_{\text {ave }}=100 ~\mathrm{MW}\),\(V_{\mathrm{rms}}=200 ~\mathrm{kV}\), y la resistencia de las líneas es\(R=1.00 ~\Omega\). Usando estos dados, podemos encontrar la corriente que fluye (de\(P=I V\)) y luego la potencia disipada en las líneas (\(P=I^{2} R\)), y tomamos la relación a la potencia total transmitida.
Solución
Para encontrar la corriente, reorganizamos la relación\(P_{\text {ave }}=I_{\text {rms }} V_{\text {rms }}\) y sustituimos valores conocidos. Esto da
\[I_{\mathrm{rms}}=\frac{P_{\text {ave }}}{V_{\text {rms }}}=\frac{100 \times 10^{6} \mathrm{~W}}{200 \times 10^{3} \mathrm{~V}}=500 \mathrm{~A}. \nonumber\]
Solución
Conociendo la corriente y dada la resistencia de las líneas, se encuentra de la potencia disipada en ellas\(P_{\text {ave }}=I_{\text {rms }}^{2} R\). Sustituir los valores conocidos da
\[P_{\text {ave }}=I_{\text {rms }}^{2} R=(500 \mathrm{~A})^{2}(1.00 \Omega)=250 \mathrm{~kW}. \nonumber\]
Solución
El porcentaje de pérdida es la relación de esta potencia perdida con respecto a la potencia total o de entrada, multiplicada por 100:
\[\% \text { loss }=\frac{250 \mathrm{~kW}}{100 ~\mathrm{MW}} \times 100=0.250 ~\%. \nonumber\]
Discusión
Un cuarto de por ciento es una pérdida aceptable. Tenga en cuenta que si se hubieran transmitido 100 MW de potencia a 25 kV, entonces se habría necesitado una corriente de 4000 A. Esto resultaría en una pérdida de potencia en las líneas de 16.0 MW, o 16.0% en lugar de 0.250%. Cuanto menor sea el voltaje, más corriente se necesita y mayor será la pérdida de potencia en las líneas de transmisión de resistencia fija. Por supuesto, se pueden construir líneas de menor resistencia, pero esto requiere cables más grandes y más caros. Si las líneas superconductoras pudieran producirse económicamente, no habría ninguna pérdida en las líneas de transmisión en absoluto. Pero, como veremos en un capítulo posterior, también hay un límite a la corriente en los superconductores. En resumen, los voltajes altos son más económicos para transmitir potencia, y el voltaje de CA es mucho más fácil de subir y bajar, por lo que la CA se usa en la mayoría de los sistemas de distribución de energía a gran escala.
Resumen de la Sección
- La ley de Ohm para AC es\(I_{\mathrm{rms}}=\frac{V_{\mathrm{rms}}}{R}\).
- Las expresiones para la potencia promedio de un circuito de CA son\(P_{\text {ave }}=I_{\text {rms }} V_{\text {rms }}\)\(P_{\text {ave }}=\frac{V_{\text {rms }}{ }^{2}}{R}\), y\(P_{\mathrm{ave}}=I_{\mathrm{rms}}^{2} R\), análogas a las expresiones para circuitos de CC.
Glosario
- corriente continua
- (CC) el flujo de carga eléctrica en una sola dirección
- corriente alterna
- (AC) el flujo de carga eléctrica que invierte periódicamente la dirección
- Voltaje de CA
- voltaje que fluctúa sinusoidalmente con el tiempo.
- Corriente AC
- corriente que fluctúa sinusoidalmente con el tiempo.
- rms
- un tipo de promedio tomado para una cantidad variable en el tiempo al cuadrarla, tomar la media del cuadrado y luego tomar la raíz cuadrada de la media.