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Circuitos eléctricos Principios - Monografía



 
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Electrónica. Corriente alterna. Principios. Científicos. Energía eléctrica



Reseña histórica de la electricidad



Para poder comprender mejor la historia de la corriente alterna es necesario saber como fue descubierta la electricidad por algunos científico hace ya miles de años a continuación se hace una reseña histórica del origen de la electricidad:
Aparentemente la primer observación científica de los efectos eléctricos la realizó Tales de Mileto en año 600 antes de Cristo. Vio que las briznas de pasto seco se adherían a un trozo de ámbar cuando éste había sido frotado.
Mil años después, exactamente en 1660, fue el médico y físico inglés William Gilbert quien estudió estos efectos, y tomando la palabra griega electrón, llamó a esas sustancias eléctricas. Tratándose de un efecto al parecer estable, a menos que se lo perturbara terminó denominándose electricidad estática, o que no tiene  movimiento.
Gilbert había escrito un libro sobre tema del magnetismo, fue en 1600 y se llamó “De Magnete”. También Tales había estudiado el fenómeno, pero pasaría un tiempo antes de que los físicos se dieran cuenta que se trataba de un mismo fenómeno. Tanto la electricidad como el magnetismo pasarían a formar el electromagnetismo. Mientras tanto, se intentaba descubrir los secretos de este extraño fenómeno, y desentrañar el mecanismo oculto tras la electricidad.
En 1733 el francés Charles-François de Cisternay du Fay, descubrió que dos bolas de corcho cargadas de la misma manera se repelían. Pero si cargaba cada una por medios diferentes, lograba que a veces se atrajeran; por ejemplo si cargaba una frotándola con una vara de resina y a la otra con una de vidrio. Este fenómeno de atracción y repulsión parecía indicar dos naturalezas distintas. Cisternay du Fay creía que la electricidad era un fluido, y determinó que este existía en dos tipos: Resinoso o vítreo.
En el año 1747 Benjamin Flankin propuso que no había dos tipos de fluidos, sino uno, el cual podía presentarse en exceso o en defecto. En esto se acercaba más du Fay a la verdad que Franklin. Pero rebautizó al fluido como “electricidad negativa” si faltaba para el equilibrio, y “electricidad positiva” al exceso. Estos nombres perduran hasta hoy, pero con una comprensión distinta del fenómeno que la de un fluido.

Llegamos a 1780.



Luigi Galvani, un anatomista italiano, observó por primera vez que una descarga eléctrica sobre las patas de una rana muerta producía contracciones de los músculos afectados. Este descubrimiento seguramente inspiró la legendaria criatura llevada a la vida por doctor Frankenstein a través del poder eléctrico de un rayo.
Probó exponer estos músculos a los efectos de una tormenta usando el descubrimiento de Franklin. Para conseguirlo, colgó patas de rana con ganchos en la reja de la casa. Pero las contracciones proseguían aún cuando la tormenta había pasado. Una inspección posterior lo llevó a ver que la estimulación se producía cuando el músculo tocaba simultáneamente dos metales distintos.
Galvani creyó que la electricidad así producida se generaba en el músculo, observación que resultó errónea, pero no sería él quien descubriera el error.
Años después para ser exactos veinte años, en 1800, Alessandro G. Volta supuso lo contrario, es decir que era el contacto entre metales distintos lo que generaba la electricidad. Esta idea fue el comienzo de una gran revolución en el tema. Dicha hipótesis pudo comprobarse inmediatamente y le permitió dos grandes avances:
Construir el primer dispositivo químico generador de electricidad, que denominó batería eléctrica, hoy llamada pila.
Obtener por primera vez en la historia una corriente continua y suficientemente estable. Ya no se dependía de la estática.
Bueno, todo es mejorable, y la primer pila de Volta fue perfeccionándose. En 1836 fue mejorada por el británico John Daniell, quien logró mayor estabilidad y duración. Los siguientes adelantos en la materia son otra historia.
Antes de esto, en 1820, se había dado un gran salto en la comprensión acerca de la relación entre la electricidad y el magnetismo. En ese año el físico danés Hans Christian Oersted que una corriente generaba un campo magnético. Siguiendo este descubrimiento, André-Marie Ampère  demostró que un solenoide (cable enrollado en forma de resorte) aumentaba considerablemente el campo magnético generado, en proporción directa con la cantidad de vueltas que se le diera al cable.

Así, desde la pila de Volta, que permitió trabajar con una corriente, los descubrimientos se desencadenaron velozmente:

1821: Michael Faraday, otro hombre importante para la ciencia, aportó la idea fundamental de la física moderna, por primera vez para describir una fuerza electromagnética se hablaba de campo.
1823: William Sturgeon, aprovechando el efecto de los solenoides, inventó el electroimán. El primero de ellos pudo levantar un peso de 4 Kg.
1827: Georg Simon Ohm definió la resistencia eléctrica y propuso la ley que lleva su nombre: Ley de Ohm.
1831: Faraday desarrolla el transformador y el generador eléctrico. Joseph Henry crea el motor eléctrico y desarrolla un electroimán que levanta una tonelada de hierro.
1883: Nikola Tesla desarrolla un motor que podía funcionar con corriente alterna y ya no con continua. Thomas Alva Edison se oponía al uso de esa corriente, pero sus esfuerzos fueron vanos
Resultaría monumental la tarea de seguir describiendo los avances hasta el momento en materia de electricidad o de sus posteriores aplicaciones tecnológicas. Pero no sería exagerar si se dijera que la civilización actual volvería a un estado primitivo de no existir el conocimiento de esta forma de energía. Imaginemos nuestra propia vida sin electricidad. No habría luz eléctrica, ni teléfono o cualquier modo de comunicación a distancia que no sea la imprenta, no habría computadoras, ni cine ni tampoco automóviles porque para ello se necesitó del paso de la pistola de Volta, precursor de las bujías. La medicina retrocedería a sus orígenes, sin rayos X, resonancia magnética, ecografías, etc. El mundo de la alimentación sufriría un gran embate sin la refrigeración. Sin satélites de comunicación ni computadoras la meteorología sería incapaz de predecir huracanes o fenómenos como la Corriente del Niño. Si no hay automóviles, tampoco habrá máquinas de construcción. ¿Habría edificios, puentes, túneles? Tal vez muy pocos. Es verdad, no tendríamos que vernos con los problemas que acarrearon estos avances.

Galería



Después de evaluar la pequeña reseña histórica narrada en las paginas anteriores, a continuación se mostraran las fotografías de los científicos que desempeñaron un papel muy importante en la rama de la electricidad, para que se llegara hasta donde actualmente se encuentra la humanidad:
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Tales de Mileto           Willian Gilbert        Otto von Guericke



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Benjamín Franklin           Joseph Priestley      Charles Augustin de Coulomb



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Luigi Galvani             Alessandro Volta        André Marie Ampere



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Chistian Oesterd       Georg Simón Ohm       Finley Breese Morse



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Michael Faraday       Charles Wheatstone   James Prescott Joule



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León Foucault     Gustav Robert Kirchhoff    James Clerk Maxwell



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George Westinghouse   A. Graham Bell    Thomas Alva Edison


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John Hopkinson     H. Kamerlingh Oanes     Hendrik A. Lorentz 



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J. John Thompson         Nicolas Tesla        Heinrich Rudolf Hertz



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C. Proteus Steinmetz  R. Andrews Millikan  W. Bradford Shockley



Inicios de la C.A en el mundo



La historia de la Corriente Alterna esta muy ligada al descubrimiento de la corriente continua, fue hasta fines del siglo XVIII cuando el hombre solo conocía la electricidad estática ya en Marxo de 1800 Alessandro Volta presento su pila Voltaica, la cual fue por mas de la mitad de siglo XIX la única fuente de corriente eléctrica. Las baterías derivadas de la pila voltaica alimentaron la primera industria eléctrica, que en ese tiempo era la telegrafía, un medio de comunicación que en ese tiempo era la más veloz que existía, que surgió en el siglo XIX. Con esto se hizo posible los primeros pasos en la materia de la electroquímica.

Este tipo de baterías eran muy costosas, complicadas y de un mantenimiento de muy rígido. Los postulados de Faraday en 1831 condujeron durante la década de 1870 y 1880 a la puesta en Europa de una maquina de dimensiones practicas que era capaz de operar por extensos periodos sin sobrecalentamiento peligroso y de producir corriente esencialmente continua; era la dinamo.

El dinamo se utilizo para la alimentación de lámparas de arco que se usaban para el alumbrado de las calles más importantes y transitadas de las ciudades, esta reemplazo a las baterías en proceso de electro plateado y se utilizo en barcos.

El primer sistema experimental de corriente alterna en Norte América fue operado en 1886, consistente de un alternador monofásico de 500 V, 12 A, transformadores elevadores, línea de transmisión de aprox. 1400 m., transformadores reductores y cargas de iluminación. Esto fue realizado por un socio de George Westinghouse.

En 1888, el motor bifásico de corriente alterna es inventado por Nicola Tesla y perfeccionado posteriormente por Dolivo-Dobrovolski, quien introdujo el motor asincrónico trifásico en 1889. Con esto se abrió la posibilidad de utilizar la energía transmitida en corriente alterna no sólo para el alumbrado, sino que también para la transformación industrial de la energía eléctrica en energía mecánica.

La primera transmisión a distancia de la corriente alterna trifásica fue la transmisión de la energía eléctrica de una central hidroeléctrica de 200 Kw. En Alemania, en 1891, a una distancia de 170 Km. La tensión del generador se elevaba de 95 a 15000 V., tensión de transmisión y luego se reducía hasta 113 V. y se aplicaba a un motor asincrónico trifásico de 75 Kw. Que accionaba a una unidad de bombeo.
Mientras tanto, la transmisión de energía a distancia en corriente continua presentó serios inconvenientes, pues para elevar la tensión a los niveles necesarios para la transmisión, se necesitaba conectar en serie varios generadores de alta tensión, limitada a unos 7000 V. ( en algunos casos hasta 20 generadores en serie), y en la estación receptora varios motores de corriente continua. Un ejemplo de esto fue una transmisión de 4650 Kw. A 57.6 Kv. En la corriente continua que se realizó en Francia sobre una distancia de 180 Km
La aparición de la corriente alterna, precipitó en la última década del siglo XIX la denominada batalla de las corrientes entre los defensores de la corriente continua y los de la corriente alterna, cuyos máximos exponentes fueron en Norte América Thomas Edison por la C. C. y George Westinghouse por la C. A. La pieza fundamental para la definición de esta polémica fue la facilidad de elevación de la tensión de transmisión en C. A. mediante transformadores. Esto inclinó la balanza a favor de la corriente alterna, cayendo en desuso la transmisión a distancia de energía en corriente continua por alrededor de medio siglo.
Científicos habían trabajado algunos años en la invención de la luz eléctrica. Después de dos años, Edison en sus laboratorios creó un filamento que producía luz al circular corriente por este. En 1879 creo una ampolleta usando filamentos carbonizados, iluminando por dos días antes de quemarse el filamento. Requirió mucho tiempo y complicados experimentos posteriores para mejorar el tipo de filamento.

Principios de la C.A



Un voltaje de corriente alterna (ca) cambia continuamente  y periódicamente invierte su polaridad , un voltaje de ca puede ser producido por un generador llamado: alternador. En el generador simplificado la espira conductora gira en el campo magnético y corta la líneas de fuerza para generar un voltaje inducido de ca entre sus terminales. Una revolución completa  de la espira es un ciclo. Considérese la posición de la espira a cada 4 vueltas  durante un ciclo . La posición A, la espira se mueve paralela al flujo magnetica  y por consiguiente no corta lineas de fuerza ; el voltaje inducido es cero. En la posición B de la parte superior del circulo, la espira corta al campo a 90° para producir el voltaje máximo. Cuando llega a C, el conductor se mueve otra vez otra vez paralelo al campo y no corta el flujo. La onda de ca desde A hasta C es medio ciclo de la revolución  y se llama alternación. En D la espira corta otra vez al flujo para producir voltaje máximo, pero ahora el flujo se corta en la dirección opuesta (de izquierda a derecha) que en B (de derecha a izquierda); por consiguiente, la polaridad en D es negativa. La espira completa la ultima cuarta parte de la vuelta en el ciclo al regresar a la posición A. Como se puede ver en las siguientes figuras:

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En un generador de dos polos la rotación de la bobina de la armadura en 360° geométricos, siempre genera un ciclo de voltaje de ca. Pero en el generados de 4 polos, la rotación de la armadura será de 180° geométricos, únicamente generara 1 ciclo de ca o bien 180° eléctricos. En consecuencia la escala de los grados a lo largo del eje horizontal del voltaje o de la corriente de ca se refiere a los grados eléctricos mas no a los geométricos.

Corriente Alterna



Cuando se conecta una onda senoidal de voltaje alterno a una resistencia de carga, la corriente que fluye por el circuito es también una onda senoidal.
El numero de ciclos por segundos se llama frecuencia, se indica con el símbolo f y se expresa en Hertz (Hz). Un ciclo por segundo es igual a un Hertz. Por tanto, 60 ciclos por segundo es igual a 60 Hz. El tiempo que se requiere para completar un ciclo llamado periodo. Se indica por el símbolo T (por tiempo) y se expresa en segundos. La frecuencia y el periodo son recíprocos .
Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el periodo. La longitud de onda  , es la longitud de una onda completa o ciclo completo. Depende de la frecuencia de la variación periódica y de la velocidad de propagación o transmisión.

RELACIONES DE FASE



El ángulo de fase entre dos formas de ondas de la misma frecuencia es la diferencia angular en cualquier instante. Por ejemplo, el ángulo de fase entre las ondas A y B es 90°, tómese el instante correspondiente a 90°, el eje horizontal esta indicado en unidades de tiempo angulares. La onda B comienza con valor máximo y se reduce a 0 a 90°, mientras que la onda A  comienza en cero y aumenta el valor máximo a 90°. La onda B alcanza su valor máximo 90° antes que la onda A, así que la onda B se adelanta a la onda A por 90° este ángulo de fase de 90° entre las ondas A y B se conservan durante todo el ciclo y todos los ciclos sucesivos. En cualquier instante, la onda B tiene el valor que tendrá la onda A 90° mas tarde. La onda B es una onda cosenoidal por que esta desplazada 90° de la onda A que es una senoidal. Ambas formas de ondas se llaman senoides o senoidales.

La onda B delante de la onda A en un ángulo de fase de 90°
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FORMA DE ONDA



Para compara los ángulos de fase o las fases de un voltaje o corrientes alternas, es conveniente usar diagramas de fasores correspondientes a las formas de onda del voltaje y de la corriente. Un fasor es una cantidad que tiene magnitud y dirección. Los términos fasor y vector se utilizan con las cantidades que tienen dirección. Sin embargo, una cantidad fasorial varia con el tiempo, mientras que una cantidad vectorial tiene su dirección (fija) en el espacio. La longitud de la flecha en un diagrama de fasores indica la magnitud del voltaje alterno. El ángulo de la flecha con respecto al eje horizontal indica el ángulo de la fase. Una forma de onda se escoge como referencia y la otra forma de onda se compara con la referencia mediante el ángulo entre las flechas de los fasores.
Cuando dos ondas están en fase, el ángulo de fase es cero; las amplitudes se suman. Cuando dos ondas están fuera de fase, el ángulo de fase es 180°. Sus amplitudes se oponen ; valores iguales con fase opuesta se cancelan.

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El ángulo de fase es la distancia angular entre punto s correspondientes convenientes son el máximo, mínimo y el cruce con el eje cero de cada onda .

VALORES CARACTERÍSTICOS DEL VOLTAJE Y LA CORRIENTE



Como una sinusoide de voltaje o de corriente alterna tiene muchos valores instantáneos a lo largo del ciclo, es conveniente especificar las magnitudes con las que se pueda comparar una onda  con otra. Se puede especificar los valores pico, promedio o raíz cuadrática media. Estos valores se aplican a la corriente o al voltaje.

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La energía eléctrica actual de consumo es mas del 90% la utilizan las industrias y los particulares se producen en forma de corriente alterna; esto no quiere decir que la C.A. sea mejor que la C.C.  en cuanto a su productividad en fines industriales y domésticos, en algunas industrias sus aparatos eléctricos están diseñados para c.c. como son: los tranvías urbanos, los procesos electrolíticos, y ciertos tipos de lámparas de arco; además los motores de c.c. son preferibles para los ascensores, prensas y muchos accionamientos de velocidad variable. Sin embargo en todos estos casos, la energía se produce y transporta casi siempre en forma de c.a. y se convierte después en c.c.

A continuación se expone la razón que aconsejan producir la energía en forma de corriente alterna :

La c.a. puede producirse a tensiones relativamente altas, que pueden elevarse o reducirse fácilmente por medio de transformadores estáticos; con ello es mas económica su transportación como c.a..


Bibliografía



http://www.contenidos.com/fisica/electricidad/body_corrientealterna.htm

http://www.kmsomerinca.com.ve/historia.htm

http://vicentelopez0.tripod.com/SPRG.html

http://www.cedex.es/lg/geofis/inducc.htm





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