A diferencia de la corriente contínua (o directa), la cual fluye sólo en una dirección a través de un circuito1, la corriente alterna invierte su dirección periódicamente.
En particular supondremos corrientes que varían de forma sinusoidal con el tiempo , es decir, por ejemplo:
donde I0 es la corriente instantánea máxima o amplitud, t es el tiempo en segundos y
La relación de
con la frecuencia f
(que se mide en ciclos
por segundo o hertz) es2
En la figura 1 se muestra un esquema de la corriente alterna de tipo sinusoidal (la única que consideraremos).
Partiendo del valor cero, la corriente llega a su máximo valor en la dirección positiva y regresa a cero (es decir, al punto en el cual la corriente deja de circular); después de esto desciende al máximo valor en la dirección negativa para volver nuevamente a cero.
Así pues, la corriente varía continuamente de magnitud (pasando por todos los valores intermedios entre el máximo positivo y el mínimo negativo) y las variaciones son periódicas, es decir, a intervalos regulares. La duración de este intervalo es el periodo T :
Históricamente el principal inconveniente del uso de la corriente continua ha sido la dificultad de transformar las tensiones continuas.
Por ejemplo, si usamos un generador de corriente continua (generador DC) para alimentar una bombilla de 240V el generador debe suministrar los 240V. Si cambiamos la bombilla por otra de 120V deberemos colocar una resistencia (o otra bombilla de 120V) en serie con la bombilla para reducir la caida de tensión3. En este caso la resistencia empleada consumirá una potencia igual a la gastada por la bombilla (!!).
Por otra parte, la desventaja del empleo de corriente continua se hace evidente cuando es necesario transportar la energía eléctrica a largas distancias. En este caso puede llegar a perderse mucha potencia debido a la resistencia de las líneas eléctricas. En principio, estas pérdidas podrían minimizarse si la potencia eléctrica transmitida por las líneas se realiza a un elevado potencial y, por consiguiente, a un bajo nivel de intensidad de corriente. Sin embargo esta no es una solución práctica en el caso de la corriente continua pues implicaría el uso de tensiones muy elevadas (y peligrosas) en el lugar de consumo. Esta es la principal razón por la que las compañías eléctricas generan y distribuyen corriente alterna.
A diferencia de la corriente continua, la amplitud de la tensión alterna puede amplificarse o reducirse con gran facilidad utilizando transformadores (basados en el fenómeno de la inducción mútua comentado en el tema anterior). De esta forma, la corriente alterna puede llevarse a grandes distancias sin pérdidas apreciables -en forma de alta tensión y baja corriente- por medio de líneas de alta tensión. Después puede ser transformada en el lugar de utilización en tensión y corriente aptas para su empleo en los hogares y fábricas.
En un conductor la corriente se establece como resultado de la aplicación de un campo eléctrico. En particular una corriente alterna sinusoidal, como la expresada por la ecuación 1, es el resultado de un campo aplicado de la forma
El campo eléctrico no se establece instantáneamente en todos los puntos del conductor. El campo debe considerarse como una perturbación electromagnética que tarda cierto tiempo (retardo) en alcanzar los distintos puntos del circuito.
El tiempo que tarda la perturbación electromagnética en recorrer la mayor distancia D del circuito es
donde c es la velocidad de la luz ( c = 3×108m/s ).
En este intervalo de tiempo, el cambio de fase (t
) del campo
aplicado (el cambio de fase de la fuente de corriente) es:
Se considera que una corriente eléctrica, alterna y de tipo sinusoidal,
es de variación lenta cuando el cambio de fase en tmax
(i.e.,
tmax
) es despreciable y esto ocurre si se cumple
(en otras palabras: en el tiempo tmax , que tarda el campo en propagarse a lo largo del circuito, apenas cambia la fase de las fuentes).
Introduciendo la longitud de onda
asociada con la
frecuencia
de la perturbación electromagnética
la condición 2 queda
En la siguiente tabla se muestran ejemplos de señales alternas de distinta frecuencia con la correspondiente longitud de onda asociada. Si las dimensiones de los circuitos son superiores a dicha longitud de onda los efectos debido al retardo de la propagación electromagnética deberían tenerse en cuenta.
Frecuencia | Longitud de onda | Descripción |
---|---|---|
50 Hz | 6000 km | Frecuencia de la red de distribución de la energía eléctrica |
4 kHz | 75 km | Límite de la señal telefónica |
20 kHz | 15 km | Límite de los equipos HI-FI |
10 MHz | 30 m | Frecuencia fundamental en las redes locales |
33 MHz | 9 m | Frecuencia de reloj de ordenadores |
100 MHz | 3 m | Centro de la banda de FM |
1 GHz | 0.3 m | Empiezan las microondas |
Si se verifica la condición
D
la corriente pude considerarse
de variación lenta y se dice que es cuasi-estacionaria
(o cuasi-estática). Es decir, aunque no es estrictamente una
corriente estacionaria (depende del tiempo), aproximadamente se comporta
como tal.
Por lo tanto, se debe cumplir
y en esta aproximación podremos utilizar las leyes de Kirchhoff para determinar las tensiones y corrientes sobre el circuito.
En este tema supondremos que se verifica siempre la condición de corriente cuasi-estacionaria.