1. Corriente alterna frente a corriente continua

La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la corriente continua. En el caso de la corriente continua, la elevación de la tensión se logra conectando dínamos en serie, lo cual no es muy práctico. Al contrario, en corriente alterna se cuenta con un dispositivo, el transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.

La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de los conductores de las líneas de transporte de energía eléctrica depende de la intensidad, podemos, mediante un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Con esto, la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Joule y otros efectos asociados al paso de corriente, tales como la histéresis o las corrientes de Foucault. Una vez en el punto de consumo o en sus cercanías, el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso industrial, doméstico o comercial de forma cómoda y segura.

2. Sistemas trifásicos frente a monofásicos

Los sistemas de transmisión y distribución de mayor utilización son los sistemas trifásicos, los cuales están constituidos por tres tensiones de igual magnitud, desfasadas 120° entre sí. Las ventajas de usar este tipo de distribución son las siguientes:

  • Para alimentar una carga de igual potencia eléctrica, las corrientes en los conductores son menores que las que se presentan en un sistema monofásico.
  • Para una misma potencia, las máquinas eléctricas son de menor tamaño que las máquinas eléctricas monofásicas.
  • Se puede ver que en un sistema trifásico es posible conectar cargas monofásicas y trifásicas simultáneamente. Por ejemplo, en la figura 4 b) el esquema muestra un generador trifásico que alimenta a través de tres conductores alimentadores una única carga trifásica de 45 kW y las demás son cargas monofásicas.

3. Generación de la corriente alterna

Para producir corriente alterna, lo que hacemos es introducir una espira en el seno de un campo magnético a una cierta velocidad angular que mediremos en radianes por segundo. En su giro, los conductores cortan líneas de campo magnético, por lo que aparece en ellos una fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida. Con el objetivo de eliminar los anillos colectores, en vez de hacer que gire el rotor, hacemos girar las piezas polares que producen el campo magnético inductor. En el estator se colocan los conductores donde se genera la f.e.m. de inducción cuando son cortadas por el campo magnético. (Insertar el gráfico de la senoide).

La tensión generada depende de:

  • La velocidad angular de la espira.
  • La intensidad del campo magnético.
  • El número de espiras.

4. Conceptos básicos de la corriente alterna

  • Frecuencia: Es el número de ciclos que se produce en un segundo. Se mide en Hz o en ciclos por segundo.
  • Periodo: El periodo es el tiempo que transcurre en un ciclo completo. Se representa con la letra T y se mide en segundos.
  • Valor instantáneo: Es el valor que toma la senoide en un tiempo determinado.
  • Valor eficaz: Dado que la tensión cambia constantemente, se hace necesario determinar un valor intermedio que represente a la tensión para realizar los cálculos y medidas (esta es la tensión eficaz).

5. Efectos en circuitos de corriente alterna

  • Resistencia pura: Se comporta igual en corriente alterna que en corriente continua (la corriente que pasa por la resistencia hace que se transforme en calor por el efecto Joule).
  • Bobina: La bobina desarrolla una cierta oposición a la corriente eléctrica de carácter diferente a la resistencia óhmica. Este efecto se denomina efecto de autoinducción. La fuerza de autoinducción se va a oponer a la causa que lo produjo mediante un campo magnético.
  • Condensador: Si conectamos un condensador a un circuito de corriente alterna, la corriente fluye de una forma constante y el consumo de potencia es nulo. El condensador, al igual que la bobina, no consume potencia.

6. Potencia reactiva y mediciones en corriente alterna

a) Dado que las bobinas y los condensadores no intercambian, no consumen energía eléctrica. ¿Cómo se denomina a la potencia que intercambian con el generador?

Se denomina potencia reactiva, que se mide en VAR (voltiamperios reactivos).

b) ¿Qué valor de la tensión indica un voltímetro al ser conectado a una red de corriente alterna?

La medición que realiza un voltímetro se denomina tensión eficaz.

c) ¿Qué desfase produce en un circuito los siguientes componentes?

  • Resistencia: En este caso, están en fase la tensión y la intensidad.
  • Bobina: La bobina pura retrasa un ángulo de 90° a la corriente respecto de la tensión.
  • Condensador: Un condensador puro adelanta un ángulo de 90° a la corriente respecto a la tensión.

7. Tipos de centrales eléctricas

  • Centrales hidráulicas: Utilizan como fuente de energía el agua almacenada en un embalse, de forma que la potencia aprovechable en un salto hidráulico depende del caudal del salto y de su altura en metros. La energía almacenada en el agua provocará el movimiento de los álabes de la turbina hidráulica, transformándose en una energía mecánica igual al producto entre el par mecánico entregado por la turbina y su velocidad angular. Estas centrales requieren una gran inversión en su construcción y, además, requieren de un embalse que inundará un área en general muy extensa. Las ventajas de estas centrales consisten en que no contaminan, que el combustible es el agua y que tienen gran facilidad para su arranque, parada y ajuste mediante la apertura o cierre de la válvula de admisión a la turbina. Por ello, se utilizan como centrales de regulación para ajustar la generación de energía eléctrica a la demanda de una forma rápida y gradual.
  • Centrales térmicas: Estas centrales utilizan un combustible fósil (carbón, fuel-oil o gas), que se quema en una caldera para producir vapor de agua. El vapor de agua a alta presión se transforma también en energía mecánica mediante una turbina de vapor. Finalmente, la turbina de vapor mueve el generador eléctrico. La eficiencia energética de las centrales térmicas dependerá fundamentalmente del poder calorífico del combustible.
  • Central nuclear: Aprovecha el calor producido por la fisión del átomo de materiales radiactivos que producen grandes cantidades de calor al separarlos e introducirlos en agua, que empieza a hervir y, por la presión, hace girar la turbina. Ese movimiento es recogido por el alternador, transformándolo en energía eléctrica.
  • Otras centrales: Central mareomotriz, central geotérmica, central solar, central eólica.

Objetivo principal de las centrales respecto al alternador: El objetivo principal de las distintas centrales es generar el movimiento necesario para que el alternador pueda convertir la energía mecánica en energía eléctrica.

8. Producción de corriente eléctrica a partir de la estructura atómica

Los átomos están compuestos por un núcleo que contiene protones (con carga positiva) y neutrones (sin carga), y una nube de electrones (con carga negativa) que orbitan alrededor del núcleo. Los neutrones, que comparten núcleo con los protones, poseen la misma masa que estos, pero sin carga eléctrica. Cuando el número de protones y electrones son iguales, se dice que el átomo tiene carga eléctrica nula. Si el número de protones supera al de electrones, el átomo tiene carga positiva, y, por el contrario, si el número de protones es inferior al de electrones, el átomo está cargado negativamente.

Por otro lado, un átomo con carga positiva o negativa es susceptible de intercambiar electrones con otros átomos de su alrededor con el fin de conseguir la estabilidad eléctrica, es decir, se iguala el número de protones y electrones para conseguir la carga nula. Al frotar un material, este puede ganar o perder electrones. Se puede experimentar frotando un bolígrafo con un paño; se observará que el bolígrafo puede atraer “trocitos de papel”. Se dice entonces que tiene una carga de electricidad positiva respecto al papel. En realidad, un material tiene exceso de electrones y el otro está falto de ellos. El material con exceso de electrones se comporta como carga negativa y, por el contrario, el material con defecto de electrones tiene carga positiva.

Los electrones que se comparten en la materia son denominados de “las últimas órbitas atómicas”, que, al estar más alejados del propio núcleo atómico, es más fácil de ser arrancado y, por tanto, de ser compartido. Volviendo a la comparación con “el sistema solar” y a modo de ejemplo, es como si se pudiera compartir Plutón con otras estrellas.

9. Instrumentos de medida eléctrica

  • Voltímetro: Este aparato de medida tiene dos bornes, que se conectan a los dos puntos entre los cuales se quiere averiguar la diferencia de potencial que existe entre ellos. Físicamente, el aparato debe presentar una gran resistencia al paso de la corriente, o lo que es lo mismo, una mínima parte de la corriente debe ser suficiente para que se mueva la aguja e indique cuál es la tensión entre los dos puntos que se miden; por ello, se construyen con hilo muy fino y de muchas vueltas. El voltaje de una instalación eléctrica depende del que proporciona el generador y es un valor constante con poquísimas variaciones, y cuando las hay, son del grado de las unidades; es decir, en ningún caso van más allá de los seis o siete voltios de diferencia. Por ello, los voltímetros no se colocan en todos los cuadros de distribución de electricidad; en muchos, se sustituye simplemente por luces piloto. Cuando se instalan voltímetros en los cuadros principales de distribución, se hace con interruptor para tenerlos desconectados casi siempre y solo en el momento de ver el voltaje se conectan. Se conecta en paralelo.
  • Amperímetro: Para medir una corriente, se utilizan los amperímetros. Al igual que el voltímetro, tiene dos bornes, pero a diferencia con el voltímetro, lo que se quiere saber es la cantidad de corriente que pasa por un conductor. Por lo que, para averiguar esto, hay que cortar el conductor e intercalar en este los dos bornes del amperímetro, de modo que toda la corriente pase a través del aparato de medir. Físicamente, el amperímetro no ha de producir ninguna caída de tensión en la línea, por lo que el hilo con que se construye su bobina es bastante más grueso que la propia línea y, además, la bobina que hace mover la aguja tiene el mínimo de vueltas. Se conecta en serie.
  • Vatímetro: Las bobinas amperimétrica y voltimétrica crean sendos campos magnéticos que responden en el tiempo a los mismos valores alternos de la intensidad y la tensión, respectivamente. Por lo tanto, entre los dos campos se originan las fuerzas que dan lugar a un desplazamiento de la aguja, que es proporcional a la potencia activa. La constante de proporcionalidad es la denominada constante del vatímetro, de modo que la potencia activa medida es el producto del número de divisiones que marca la aguja por dicha constante. Se conecta con una bobina en serie y otra en paralelo.