Corriente Alterna (CA): Qué es, Origen y Diferencias con Continua
La Corriente Alterna (CA) es el idioma universal de la red eléctrica. A diferencia de las baterías (Corriente Continua), donde los electrones fluyen como un río en una sola dirección, en la alterna los electrones oscilan vibrando hacia adelante y hacia atrás 50 o 60 veces por segundo.
Esta propiedad, defendida por Nikola Tesla, es la clave que permite elevar el voltaje mediante transformadores para transportar la energía miles de kilómetros sin apenas pérdidas.
En esta guía completa exploraremos desde su origen en los alternadores hasta conceptos avanzados como la frecuencia (Hz), el valor eficaz (RMS) y el comportamiento de las cargas inductivas y capacitivas.
Los electrones de un cable de cobre no se desplazan desde la central eléctrica hasta los hogares a través de las líneas y de los circuitos eléctricos, lo que se transmite es la energía, la cual se propaga mediante la vibración de dichos electrones.
Una analogía representativa es el "péndulo de Newton" (esferas metálicas alineadas que chocan). Al levantar y soltar la primera esfera, la energía se transmite de manera casi instantánea a través de las esferas intermedias, provocando el movimiento de la última, mientras que las centrales apenas modifican su posición.
En la corriente alterna, la central eléctrica ejerce fuerzas de empuje y tracción sincronizadas sobre los electrones de toda la red, induciendo su vibración. Dicha oscilación es la responsable de transferir la energía eléctrica.
Contenidos
- Diferencia entre Corriente Alterna y Corriente Continua
- Importancia de la Corriente Alterna
- ¿Por Qué Usamos Corriente Alterna?
- La Forma de la Corriente Alterna
- ¿Qué Son Realmente los 230V? (Valor Eficaz / RMS)
- Impedancia (Z): Oposición Total a la Corriente Alterna
- La Potencia en Corriente Alterna
- Monofásica contra Trifásica en Corriente Alterna
- Seguridad y Regulación en la Corriente Alterna
Diferencia entre Corriente Alterna y Corriente Continua
Para comprender la corriente alterna es esencial contrastarla con la corriente continua. Ambas representan formas de energía eléctrica, pero se caracterizan por un comportamiento y unas aplicaciones drásticamente diferentes.
Corriente Continua (CC)
La corriente continua (CC), también conocida como corriente directa (CD), es un flujo de carga eléctrica que se mueve siempre en la misma dirección. La polaridad (los polos positivo y negativo) es fija.
● Analogía con el agua: la CC se comporta como un chorro de agua constante a través de una tubería. Si abres el grifo (el interruptor), el agua fluye de un punto de alta presión (polo negativo) a uno de baja presión (polo positivo) de manera constante y unidireccional.
● Fuentes comunes: baterías, pilas, paneles solares y las salidas de los cargadores de los dispositivos electrónicos (como portátiles o móviles, que convierten la CA del enchufe en CC para cargar la batería).
Corriente Alterna (CA)
La corriente alterna (CA) es un flujo de carga eléctrica que, como hemos visto, invierte su polaridad de forma cíclica. El "positivo" se convierte en "negativo" y viceversa, docenas de veces por segundo.
● Analogía con el agua: la CA se parece a las mareas del océano. El agua sube y baja periódicamente. Si nos fijamos en un punto, el flujo neto de agua es cero (no se va a ningún lado), pero la energía que mueve esa masa de agua es inmensa, capaz de erosionar costas y mover barcos.
● Analogía mecánica: también se puede ver como una sierra de vaivén. La hoja se mueve rápidamente hacia adelante y hacia atrás. La hoja en sí no "viaja", pero realiza un trabajo útil (cortar madera) en ambas direcciones.
● Fuentes comunes: la fuente más familiar son los enchufes de nuestros hogares, conectados a la red eléctrica nacional. Esta energía se genera a gran escala en las centrales eléctricas (hidroeléctricas, térmicas, eólicas, etc.) mediante alternadores. A pequeña escala, también la producen los generadores portátiles (grupos electrógenos) y los inversores (dispositivos electrónicos que convierten la corriente continua de una batería o panel solar en corriente alterna).
Representación Gráfica
La forma más clara de ver esta diferencia es representando el voltaje (tensión) de ambas corrientes a lo largo del tiempo:
● Gráfica de CC: es una línea recta y constante. Si una batería entrega 12 Voltios, entrega 12 Voltios de forma continua (hasta que se agota).
● Gráfica de CA: es (típicamente) una onda senoidal (o sinusoidal). Esta onda muestra cómo el voltaje sube desde cero hasta un máximo positivo, vuelve a bajar, pasa por cero, alcanza un máximo negativo y regresa a cero. Este patrón completo se llama ciclo. La cantidad de ciclos que ocurren cada segundo se denomina frecuencia y se mide en Hercios (Hz).
Importancia de la Corriente Alterna
Si la CC es tan simple (un flujo constante), ¿por qué complicarnos la vida con la CA? La respuesta es simple: eficiencia en el transporte.
La corriente alterna es, en su inmensa mayoría, la electricidad que se genera en las centrales eléctricas (hidroeléctricas, térmicas, nucleares, eólicas) y la que se distribuye por la red eléctrica hasta nuestros hogares e industrias.
La ventaja fundamental de la corriente alterna reside en que su voltaje puede modificarse con gran facilidad mediante el uso de transformadores, lo que permite elevarlo o reducirlo según los requerimientos del sistema.
Esto permite a las compañías eléctricas:
– Elevar el voltaje: se incrementa a niveles altísimos (cientos de miles de voltios) para transportarla por las grandes líneas de alta tensión. A mayor voltaje, se necesita menos corriente para la misma potencia, y esto reduce drásticamente la energía perdida como calor en los cables.
– Reducir el voltaje: se reduce en subestaciones cercanas a las ciudades y, finalmente, una vez más en el centro de transformación final cercano a los usuarios, para entregarla a un voltaje seguro y utilizable (como 230 V o 400 V).
Este proceso de transformación es increíblemente eficiente con CA, pero muy complejo y caro de realizar con CC. Esta ventaja es la que permitió a la CA ganar la histórica "guerra de las corrientes" a finales del siglo XIX y convertirse en el estándar mundial para la distribución de energía.
Exploraremos los fundamentos de la corriente alterna, desde sus componentes básicos y valores característicos hasta el análisis de circuitos monofásicos y trifásicos, incluyendo corrección de factor de potencia.
Condensador Eléctrico (Capacitor): Qué es, Tipos, Código y Fórmulas
Bobina o Inductor Eléctrico: Qué es, Símbolo y Funcionamiento (Ley de Lenz)
Generación de Corriente Alterna: El Alternador y la Inducción Electromagnética
Parámetros de la Onda Senoidal (CA): Frecuencia, Periodo y Valor Eficaz (RMS)
Receptores en Corriente Alterna: Circuitos R, L y C (Resistivo, Inductivo y Capacitivo)
Circuitos Serie RL, RC y RLC: Impedancia, Fórmulas y Resonancia
Receptores en Paralelo (RLC): Cálculo de Corrientes y Potencias
Factor de Potencia (cos φ) y Energía Reactiva: Qué es y Cómo Corregirlo
Conexión Estrella y Triángulo: Diferencias, Esquemas y Voltajes (230/400V)
Cargas en Red Trifásica: Conexión, Equilibrado y Cálculo Total
¿Por Qué Usamos Corriente Alterna?
La razón por la que hoy en día la electricidad que llega a nuestras casas es Corriente Alterna (AC) y no Corriente Continua (DC) se debe a una batalla tecnológica e histórica (la famosa "Guerra de las Corrientes") entre Nikola Tesla y Thomas Edison.
Aunque Edison defendía la corriente continua, Tesla y Westinghouse ganaron porque la corriente alterna tiene ventajas físicas imbatibles para la distribución masiva de energía.
La Guerra de las Corrientes: Alterna vs Continua
A finales del siglo XIX, una gran batalla de ideas conocida como la "Guerra de las corrientes" definió el futuro de la electrificación. De un lado, Thomas Edison defendía la corriente continua (CC); del otro, Nikola Tesla y George Westinghouse apostaban por la corriente alterna (CA).
Hoy, cada vez que usamos un enchufe, experimentamos el resultado de esa victoria. La corriente alterna no ganó por capricho; ganó porque resolvía el problema más importante de todos: el transporte eficiente de la energía. Y el héroe de esa victoria es un dispositivo de una simplicidad extraordinaria: el transformador.
No obstante, aunque Tesla ganó la batalla para la red eléctrica, Edison está teniendo su "revancha" en el siglo XXI. Toda la tecnología moderna (móviles, ordenadores, luces LED) y, sobre todo, las energías renovables y los coches eléctricos, funcionan con Corriente Continua.
El motivo es el almacenamiento: la corriente alterna no se puede guardar en baterías; solo la continua permite procesos químicos de carga y descarga.
🔍 ¿Quién ganó finalmente? Podríamos decir que vivimos en un mundo híbrido. Usamos la AC de Tesla para que la energía viaje desde las centrales hasta nuestras casas, y usamos la DC de Edison para que nuestros dispositivos funcionen y para guardar la energía del sol en baterías.
El Transformador
La corriente alterna puede cambiar su nivel de voltaje (tensión) de forma increíblemente fácil, barata y eficiente, mientras que la corriente continua no.
El dispositivo que lo hace posible es el transformador. En su forma más simple, un transformador consta de 2 bobinas de cable (devanados) enrolladas alrededor de un núcleo de hierro común, sin tocarse físicamente.
El transformador funciona gracias al principio de inducción electromagnética. Para que la electricidad "salte" de la primera bobina (primario) a la segunda (secundario), se necesita un campo magnético variable (cambiante).
La corriente alterna está, por definición, cambiando constantemente. Al pasar por la bobina primaria, crea un campo magnético que crece, decrece, se invierte y vuelve a crecer, 50 o 60 veces por segundo (la frecuencia). Este campo magnético en constante cambio "induce" una nueva corriente en la bobina secundaria.
¿Por qué la CC es un fracaso aquí? Si intentamos conectar corriente continua a un transformador, la CC crea un campo magnético constante y estático (solo hay un pulso inicial en el instante de la conexión). Un campo magnético estático no puede inducir ninguna corriente en la bobina secundaria. Simplemente no funciona.
Cambiar el voltaje de la CC es posible hoy en día, pero requiere de convertidores electrónicos (choppers, conmutadores de potencia) que son mucho más complejos, caros, menos eficientes y generan más interferencias que el simple y robusto transformador (que no tiene partes móviles y puede durar décadas con un mantenimiento mínimo).
Transporte Eficiente de Energía
Toda central eléctrica (hidroeléctrica, nuclear, solar, etc.) se encuentra, por lo general, lejos de donde se consume la energía (las ciudades). Esa energía debe viajar cientos de kilómetros a través de cables (líneas de alta tensión).
El problema es que todos los cables, incluso los mejores conductores como el cobre o el aluminio, tienen una resistencia eléctrica. Esta resistencia actúa como un freno, haciendo que parte de la energía eléctrica se pierda en el camino, disipándose inútilmente en forma de calor.
Aquí es donde entra la física fundamental. La potencia eléctrica (P) que se transporta es el producto del voltaje (V) y la corriente (I).
Esto significa que para enviar una cantidad fija de potencia (por ejemplo, 1.000.000 de vatios), existen 2 opciones extremas:
– Opción A (bajo voltaje): usar un voltaje bajo y una corriente muy alta.
1.000.000 W = 1.000 Voltios · 1.000 Amperios
– Opción B (alto voltaje): usar un voltaje muy alto y una corriente baja.
1.000.000 W = 1.000.000 Voltios · 1 Amperio
Ambas opciones transportan exactamente la misma cantidad de potencia útil al final del trayecto. Sin embargo, la cantidad de energía que se pierde como calor en los cables depende casi exclusivamente del valor de la corriente (Amperios). Una corriente alta genera un calor inmenso; una corriente baja apenas calienta el cable.
Por lo tanto, la Opción B (alto voltaje, baja corriente) es la única forma viable de transportar electricidad a larga distancia sin desperdiciar la mayor parte en el camino.
El Viaje de la CA
La existencia del transformador es lo que hace posible materializar este principio de eficiencia en la red eléctrica global mediante el uso de la corriente alterna:
● Generación: una central eléctrica genera electricidad a un voltaje "medio" (ej. 20.000 Voltios), que es práctico para las máquinas (alternadores).
● Elevación (transporte): justo a la salida de la central, un transformador elevador toma esos 20.000 V y los sube a voltajes de transporte altísimos (ej. 400.000 Voltios). La corriente se reduce drásticamente.
● Transporte: la electricidad viaja cientos de kilómetros por las líneas de alta tensión con pérdidas mínimas.
● Reducción (distribución): al llegar a las afueras de una ciudad, entra en una subestación eléctrica. Allí, transformadores reductores bajan el voltaje (ej. de 400.000 V a 20.000 V) para distribuirlo por los barrios.
● Consumo: finalmente, en nuestra calle o en nuestro edificio, un último transformador reductor toma esos 20.000 V y los convierte en el voltaje doméstico seguro y utilizable que llega a tu enchufe (ej. 400 / 230 Voltios).
Este sistema de "subir para viajar y bajar para usar" es la columna vertebral de nuestra sociedad. Sin la capacidad de la CA para usar transformadores, la electricidad sería un lujo local, confinado a unos pocos kilómetros alrededor de cada central. La corriente alterna no solo ganó una "guerra" técnica; hizo posible la red eléctrica global.
La Forma de la Corriente Alterna
La corriente alterna (CA) no solo se define por cambiar de dirección. Lo más importante es cómo lo hace. Este cambio no es abrupto ni caótico; sigue un patrón matemático increíblemente preciso y suave: la onda senoidal (o sinusoidal).
Esta forma de onda no es una elección de diseño; es la consecuencia natural de cómo generamos electricidad a gran escala.
El Alternador
La inmensa mayoría de la electricidad mundial se genera en alternadores. Un alternador es, en esencia, una máquina rotativa que convierte energía mecánica (el movimiento de una turbina movida por agua, vapor o viento) en energía eléctrica.
Sus componentes básicos son:
– Un campo magnético (creado por un imán o un electroimán).
– Un conductor (una bobina de cable).
Para generar electricidad, uno de ellos debe girar mientras el otro permanece fijo. El alternador produce una onda alterna perfectamente senoidal en sus cables de salida.
El Origen Natural de la Onda Alterna
La clave del origen de la onda es que el voltaje generado (inducido) en la bobina no es constante. Este voltaje depende de la tasa de cambio del campo magnético que atraviesa la bobina, un principio conocido como la Ley de Inducción de Faraday.
Visualicemos un ciclo de rotación completo (360°) de una bobina de 1 espira:
- Posición 0° (A: voltaje cero): el cable de la espira de la bobina se mueve paralelo al campo del imán. La tasa de cambio es nula. Voltaje inducido = 0 V.
- Posición 90° (B: voltaje máximo positivo): la espira ha girado 90 grados. Ahora, los conductores se desplazan perpendicularmente al campo, cortando el máximo número de líneas de fuerza por unidad de tiempo. La tasa de cambio es máxima. Voltaje inducido = +V (pico positivo).
- Posición 180° (C: voltaje cero): el bobina sigue girando. Ahora vuelve a quedar con movimiento paralelo al campo del imán, pero en sentido opuesto. La tasa de cambio vuelve a ser nula. Voltaje inducido = 0 V.
- Posición 270° (D: voltaje máximo negativo): la espira completa 270° de giro. Los conductores vuelven a desplazarse de forma perpendicular al campo. La inducción es máxima, pero con la polaridad opuesta. Voltaje inducido = -V (pico negativo).
- Posición 360° (vuelta al inicio): la espira vuelve a la posición 0°. Voltaje inducido = 0 V, y el ciclo está listo para repetirse.
Si representamos gráficamente el voltaje en cada instante de este giro, la curva que obtenemos no es una línea recta ni un triángulo. El voltaje generado en cada instante es proporcional al seno del ángulo de giro.
Por eso, el movimiento giratorio y constante de un alternador produce "naturalmente" una tensión y una corriente en forma de onda senoidal.
La Frecuencia de la Onda Alterna
Ya que la onda se genera por rotación, es fundamental definir qué tan rápido se repite.
● Ciclo: es una vuelta completa de la onda (una rotación de 360°). Incluye un semiciclo positivo y un semiciclo negativo.
● Frecuencia (f): es el número de ciclos completos que la onda realiza en un segundo.
La unidad de medida de la frecuencia es el Hercio (Hz), en honor al físico alemán Heinrich Hertz.
Por ejemplo, 1 Hz (1 ciclo por segundo), 50 Hz (50 ciclos por segundo), 60 Hz (60 ciclos por segundo), etc.
Un concepto relacionado es el período (T), que es el tiempo exacto que tarda en completarse un ciclo. Es la inversa de la frecuencia:
Por ejemplo, en una red de 50 Hz, el período es T = 1/50 = 0,02 segundos (o 20 milisegundos).
Cuando se diseñaron las primeras redes eléctricas, no hubo un consenso global sobre qué frecuencia usar. Esto llevó a la adopción de 2 estándares principales que perduran hasta hoy:
– 60 Hz: usado principalmente en América (EE.UU., Canadá, México, Brasil, etc.), Japón occidental y Corea del Sur.
– 50 Hz: usado en la mayor parte del resto del mundo (toda Europa, la mayor parte de Asia, África, Australia).
Implicación Práctica del Cambio de Sentido
En un sistema de 50 Hz, la onda completa 50 ciclos por segundo. Dado que en cada ciclo la corriente pasa por cero y cambia de sentido 2 veces (una para el pico positivo y otra para el negativo), la corriente cambia su dirección 100 veces por segundo. En un sistema de 60 Hz, la onda completa 60 ciclos por segundo. Por lo tanto, la corriente cambia su dirección 120 veces por segundo.
Esta velocidad es la que hace que la luz de una bombilla incandescente parezca constante, aunque en realidad se está "apagando y encendiendo" 100 o 120 veces por segundo (demasiado rápido para que el ojo humano lo perciba). También es la velocidad base que define cómo giran los motores de CA, como los de un ventilador o una licuadora.
En resumen, la forma senoidal no es una elección, sino la consecuencia física de generar electricidad mediante rotación. Y su frecuencia (50 o 60 Hz) es el pulso fundamental que define el comportamiento de toda nuestra red eléctrica.
¿Qué Son Realmente los 230V? (Valor Eficaz / RMS)
Como hemos visto, la CA es una onda senoidal que está en perpetuo cambio. En una red de 50 Hz, el voltaje pasa por cero, sube a un pico positivo, vuelve a cero, baja a un pico negativo y regresa al inicio... todo en apenas 20 milisegundos.
Esto nos presenta un problema fundamental: si el voltaje es 0 V en un instante, +325 V en otro, y -325 V en un tercero, ¿qué significa exactamente cuando decimos que un enchufe tiene "230 Voltios"?
La respuesta es que no podemos describir una onda tan compleja con un solo número. Necesitamos un "juego de herramientas" de diferentes valores para describirla, cada uno con un propósito específico.
Para analizar y trabajar con la CA, los técnicos e ingenieros usan principalmente 3 valores: valor instantáneo (v(t)), valor máximo (Vmax) o de pico (Vp), y valor eficaz (RMS).
Valor Instantáneo de la Corriente Alterna
El valor instantáneo (v(t)) es el valor exacto del voltaje (o la corriente) en un instante de tiempo específico.
Analogía: es una "fotografía instantánea" de la onda. Si congeláramos el tiempo, podríamos decir "ahora mismo, el voltaje es de 84,3 V". Un instante después, sería diferente.
Es un valor puramente teórico y de análisis. Es fundamental para cálculos de ingeniería (usando funciones trigonométricas), pero es inútil para una medición práctica, ya que cambia millones de veces por segundo.
Valor Máximo o Valor de Pico de la Corriente Alterna
El valor máximo (Vmax) o valor de pico (Vp) es el punto más alto que alcanza la onda senoidal en su ciclo. Es el "techo" absoluto del voltaje.
Analogía: es la "cresta más alta de la ola" o el punto más alto que alcanza un columpio.
Este valor es crítico para la seguridad y el diseño de componentes. Los diodos, condensadores, transistores y aislantes de un dispositivo deben ser capaces de soportar este voltaje máximo, no el "promedio".
Como veremos, en un enchufe de 230 V, ¡el valor de pico es en realidad de aproximadamente +325 V! Si un componente solo estuviera diseñado para 230 V, se destruiría instantáneamente.
También existe el valor pico a pico (Vpp), que es simplemente la distancia total desde el pico negativo (-Vmax) hasta el pico positivo (Vmax), es decir, 2 · Vp.
El Valor Eficaz o RMS de la Corriente Alterna
Cuando un electricista mide un enchufe con su multímetro, o cuando la compañía eléctrica nos factura la energía, no están usando el valor de pico ni el instantáneo. Están usando el valor eficaz, también conocido por sus siglas en inglés: RMS (Root Mean Square).
El valor "230 V" (o 120 V en América) de un enchufe es el valor eficaz (RMS).
El valor eficaz (RMS) de una corriente alterna es el valor que tendría una corriente continua (CC) que produjera la misma cantidad de calor (potencia) en la misma resistencia y durante el mismo tiempo. Se trata de una definición ingeniosa que nos permite comparar la CA con la CC.
Analogía: si la conectamos una fuente de CC de 230 V a una bombilla incandescente, brillará con una intensidad y generará una cantidad de calor específicas. Ahora, si tomamos esa misma bombilla y la conectamos a un enchufe de CA de 230 V (RMS), la bombilla brillará con exactamente la misma intensidad y generará exactamente la misma cantidad de calor.
El valor RMS nos da el "valor de trabajo útil" o la "potencia real" de una señal de CA. Por eso es el único que importa para la mayoría de los cálculos de potencia y el que se usa como estándar en todo el mundo.
El nombre "RMS" (Root Mean Square) o "Raíz Cuadrática Media" describe el proceso matemático que se usa para calcularlo a partir del valor de pico. Es un tipo de promedio estadístico diseñado específicamente para ondas que tienen valores tanto positivos como negativos (un promedio simple de una onda senoidal siempre daría cero).
Impedancia (Z): Oposición Total a la Corriente Alterna
En corriente continua (CC), todo es más sencillo. El flujo de electrones es constante y solo hay un gran oponente: la resistencia. Pero en corriente alterna (CA), donde el voltaje y la corriente oscilan 50 o 60 veces por segundo, la cosa cambia.
La naturaleza cambiante de la CA "despierta" a 2 componentes pasivos que en CC eran casi irrelevantes, convirtiéndolos en protagonistas. Estos son la bobina (inductor) y el condensador (capacitor). Para entender la CA, debemos comprender cómo se comportan estos 3 protagonistas: R, L y C.
Comportamiento en Corriente Continua
En un circuito de corriente continua (como el alimentado por una batería), el flujo de electrones es constante y unidireccional. En este escenario, la oposición principal al flujo es la resistencia (R). La resistencia es la oposición "pasiva" al flujo de electrones. Es una propiedad intrínseca de los materiales (como la fricción). Disipa energía en forma de calor (Efecto Joule).
Comportamiento de L y C en CC: una bobina (L) ideal, una vez que la corriente se ha estabilizado (una fracción de segundo después de encender), se comporta como un simple cable: su resistencia es prácticamente cero. Un condensador (C) ideal, una vez que se ha "cargado" (otra fracción de segundo), actúa como un interruptor abierto: bloquea completamente el flujo de corriente continua.
Por lo tanto, en el análisis de CC en estado estable, la resistencia es el único factor que limita la corriente, siguiendo la simple Ley de Ohm (V = R · I).
Comportamiento en Corriente Alterna
Todo cambia con la corriente alterna. El hecho de que la corriente esté constantemente cambiando (subiendo, bajando e invirtiéndose) provoca una reacción en las bobinas y los condensadores. Estos componentes no se oponen al flujo en sí, sino al cambio del flujo. Y en la CA, el cambio es constante.
Bobina en Corriente Alterna
La bobina (inductor, L) es un componente pasivo, usualmente un alambre enrollado, que almacena energía en forma de campo magnético. A la bobina no le gustan los cambios de corriente. Por su naturaleza (Ley de Lenz), cualquier intento de cambiar la corriente que fluye a través de ella genera un voltaje opuesto que intenta impedir ese cambio.
Analogía (inercia): pensemos en una turbina de agua muy pesada o un volante de inercia.
– En CC: cuesta un esfuerzo inicial hacerla girar (estado transitorio), pero una vez que gira a velocidad constante, fluye con el agua casi sin oposición (como un cable).
– En CA: imaginemos acelerar una pesada turbina al máximo en un sentido, detenerla de forma abrupta y lanzarla a toda velocidad en el sentido opuesto, repitiendo este vaivén 100 veces por segundo (50 Hz). La inercia de la turbina opondría una resistencia inmensa y constante a este flujo oscilante.
En resumen: la bobina se opone activamente al vaivén de la CA. Cuanto más rápida es la oscilación (mayor frecuencia) o más "pesada" es la bobina (mayor inductancia, L), mayor es la oposición.
Condensador en Corriente Alterna
El condensador (capacitor, C) es un componente pasivo formado por 2 placas separadas por un aislante. Almacena energía en forma de campo eléctrico. Al condensador no le gustan los cambios de voltaje. Actúa como un pequeño depósito que intenta mantener el voltaje estable; se "carga" cuando el voltaje sube y se "descarga" cuando el voltaje baja, suavizando los cambios.
Analogía (elasticidad): pensemos en un diafragma de goma elástico sellado en mitad de una tubería de agua.
– En CC: al abrir el grifo, el agua empuja y estira el diafragma (el condensador se "carga"). Una vez estirado al máximo, el diafragma bloquea por completo el flujo de agua (circuito abierto).
– En CA: el agua empuja (carga), luego tira (descarga), luego empuja... El diafragma elástico se mueve hacia adelante y hacia atrás, permitiendo que el agua oscile a través de la tubería. Aunque el agua no "cruza" el diafragma, hay un flujo alterno efectivo.
En resumen: paradójicamente, mientras que el condensador bloquea la CC, sí "permite" que fluya la CA (aunque oponiendo cierta resistencia). Cuanto más rápida es la oscilación (mayor frecuencia) o más "grande" es el depósito (mayor capacidad, C), más fácil es para la CA fluir.
Reactancia e Impedancia
Ahora tenemos 3 tipos de oposición en la CA:
– Resistencia (R): la oposición "normal" que disipa energía como calor.
– Oposición de la bobina (L): que se opone al cambio de corriente.
– Oposición del condensador (C): que se opone al cambio de voltaje.
Sería un error sumar estas tres oposiciones directamente. ¿Por qué? Porque la resistencia (R) disipa energía, mientras que las bobinas y condensadores almacenan y devuelven energía a la red. Sus efectos no están sincronizados (están "desfasados").
Para solucionar esto, introducimos 2 conceptos nuevos y fundamentales:
● Reactancia (X): es el término que usamos para describir la oposición específica al flujo de corriente alterna que no consume energía, sino que la almacena y la devuelve. Es la "resistencia" de las bobinas y los condensadores.
– Reactancia inductiva (XL): la reactancia inductiva es la oposición de una bobina. Aumenta con la frecuencia.
– Reactancia capacitiva (XC): la reactancia capacitiva es la oposición de un condensador. Disminuye con la frecuencia.
Se mide en Ohmios (Ω), igual que la resistencia, pero es un tipo de oposición fundamentalmente diferente.
● Impedancia (Z): es el concepto más importante. Es la oposición total de un circuito al flujo de corriente alterna.
La impedancia es la combinación vectorial (no una suma simple) de la resistencia (R) y la reactancia total (XL - XC).
En la CA, la Ley de Ohm evoluciona. La versión simple V = R · I se convierte en la versión completa y verdadera para la corriente alterna:
Donde Z (impedancia) es la resistencia total que el circuito presenta a la CA.
La Potencia en Corriente Alterna
En corriente continua (CC), la potencia es un cálculo simple:
Si una bombilla de 12 V consume 2 A, disipa 24 W.
Esta simplicidad se rompe en la corriente alterna (CA). Si mides 230 V en un motor, y mides 2 A de consumo, es muy probable que la potencia real que consume (el trabajo que realiza) no sea de 460W. ¿Por qué falla esta fórmula fundamental? La respuesta se encuentra en un concepto del desfase de la CA.
El Desfase
El desfase entre la corriente y la tensión dependerá de si el elemento es una resistencia, una bobina o un condensador:
– Las resistencias (R): en un circuito de CA, las resistencias son los únicos componentes en el que la onda de corriente y la onda de voltaje que la atraviesan están perfectamente sincronizadas. Suben, bajan y cruzan el cero en el mismo instante. Están "en fase".
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Pero los otros 2 componentes fundamentales, las bobinas (L) y los condensadores (C), presentan un comportamiento reactivo:
– Las bobinas (L): se oponen a los cambios de corriente (motores, transformadores, etc.). Esto provoca que la onda de corriente se atrase respecto a la onda de voltaje.
– Los condensadores (C): se oponen a los cambios de voltaje. Esto provoca que la onda de corriente se adelante respecto a la onda de voltaje.
Este fenómeno, donde las ondas de voltaje y corriente no están alineadas en el tiempo, se llama desfase.
Analogía (empujar un columpio): imaginemos que el voltaje es la persona que empuja un columpio y la corriente es el movimiento del columpio.
● Circuito resistivo (en fase): empujamos el columpio justo en el momento en que alcanza su punto más alto hacia atrás. Nuestro esfuerzo (voltaje) y el movimiento (corriente) están perfectamente sincronizados. Toda nuestra energía se transfiere eficientemente para que el columpio se mueva (trabajo real).
● Circuito reactivo (desfasado): empezamos a empujar demasiado pronto (capacitivo) o demasiado tarde (inductivo). El columpio nos golpea, o empujamos al aire. Estamos haciendo un gran esfuerzo (voltaje y corriente existen), pero el columpio apenas se mueve. Nuestro esfuerzo no se traduce eficientemente en trabajo útil.
En un circuito de CA con bobinas o condensadores, parte de la energía se dedica a "luchar" contra este desfase, y no a realizar un trabajo útil.
El Triángulo de Potencias
Debido a que el voltaje y la corriente no siempre "empujan" al unísono, el simple producto V · I no nos dice cuánta potencia se está convirtiendo en trabajo real. Para entenderlo, debemos descomponer la potencia en 3 conceptos distintos, conocidos como el Triángulo de Potencias.
● Potencia activa (P): es la única potencia "real". Es la parte de la energía que se consume y se transforma en un trabajo útil: calor (en una estufa), luz (en una bombilla) o movimiento (en el eje de un motor).
Analogía (cerveza): en un vaso de cerveza, esta es la cerveza líquida que realmente bebemos.
Su unidad es el Vatio (W).
● Potencia reactiva (Q): es la potencia que no realiza trabajo útil. Es la energía que las bobinas y condensadores "toman prestada" de la red para crear sus campos (magnéticos y eléctricos) y que devuelven a la red en la otra mitad del ciclo. Esto supone una corriente que fuerza a la compañía eléctrica a generar más.
Analogía (cerveza): es la espuma. No nos la bebemos, pero ocupa sitio en el vaso y hemos pagado por ella.
Su unidad es el Voltio-Amperio Reactivo (VAR).
● Potencia aparente (S): es la potencia "total" que la compañía eléctrica debe generar y que los cables, transformadores e interruptores deben ser capaces de transportar. Es la suma (vectorial) de la potencia activa y la reactiva. Es el resultado del cálculo simple que fallaba al principio: S = V · I.
Analogía (cerveza): es el vaso de cerveza completo (líquida + espuma). Es el esfuerzo total que haces empujando el columpio, independientemente de si fue útil o no.
Su unidad es el Voltio-Amperio (VA). Por eso los grandes transformadores o los Sistemas de Alimentación Ininterrumpida (SAI/UPS) se dimensionan en VA, no en Vatios.
El Factor de Potencia
Ahora podemos entender el concepto más importante de eficiencia en CA: el Factor de Potencia.
El Factor de Potencia (FP) es una medida de la eficiencia de un sistema eléctrico. Es un número, de 0 a 1, que nos dice qué porcentaje de la potencia aparente (la total transportada) se está convirtiendo realmente en potencia activa (trabajo útil).
Es, simplemente, la relación entre el trabajo útil y el esfuerzo total:
donde:
P = potencia activa (W)
S = potencia aparente (VA)
La interpretación es la siguiente:
– FP = 1 (perfecto): el mejor escenario. Toda la potencia aparente es activa (P = S). No hay potencia reactiva (sin espuma). Esto solo ocurre en circuitos puramente resistivos.
– FP = 0,9 (bueno): un 90% de la potencia transportada es trabajo útil. Un 10% es "ruido" reactivo.
– FP = 0,6 (malo): un escenario terrible, común en industrias con muchos motores antiguos. Significa que para obtener 600 W de trabajo real, la red debe transportar 1000 VA. Los cables se están sobrecargando con 400 VA de potencia "basura" que solo genera calor.
Un factor de potencia bajo es ineficiente y caro. Por esta razón, las compañías eléctricas penalizan (multan) a las grandes industrias que tienen un factor de potencia bajo, obligándolas a instalar equipos (bancos de condensadores) para corregirlo.
Monofásica contra Trifásica en Corriente Alterna
La Corriente Alterna (CA) que se genera en las centrales eléctricas no llega a todos los usuarios de la misma manera. Dependiendo de las necesidades de potencia, la electricidad se distribuye en dos sistemas principales: monofásico y trifásico.
Aunque ambos son "Corriente Alterna", sus características y aplicaciones son fundamentalmente diferentes. El sistema monofásico es el que alimenta tu hogar, mientras que el trifásico es el motor que mueve la industria.
La Corriente Alterna Monofásica
Un sistema monofásico utiliza una única onda de voltaje senoidal. El circuito se compone, en su forma más simple, de 2 cables principales (fase y neutro):
● Fase (F): es el conductor "activo" o "vivo". Es el que transporta el voltaje oscilante (por ejemplo, 230 V RMS) desde la red hasta el receptor.
● Neutro (N): es el conductor de retorno, que cierra el circuito. Su potencial eléctrico es, por diseño, muy cercano o igual a 0 V (potencial de tierra).
Este sistema es el estándar absoluto para uso doméstico y residencial. Es perfectamente suficiente y económico para alimentar:
– Iluminación.
– Electrodomésticos pequeños (TV, ordenadores, microondas).
– Sistemas de calefacción y refrigeración de pequeña potencia.
La principal limitación del sistema monofásico es su suministro de potencia. Como la onda de voltaje pasa por cero 100 o 120 veces por segundo (en redes de 50/60 Hz), la potencia instantánea que entrega no es constante, sino pulsante. Esto es irrelevante para una bombilla, pero para un motor grande, esta entrega de potencia a "pulsos" es ineficiente, provoca vibraciones y requiere componentes de arranque adicionales.
La Corriente Alterna Trifásica
El sistema trifásico es el estándar mundial para la generación, el transporte y la distribución de electricidad a gran escala, así como para el consumo industrial.
Es un sistema más ingenioso y potente que consiste en 3 corrientes alternas independientes que comparten los mismos conductores. En lugar de una sola onda, el sistema trifásico produce y distribuye 3 ondas senoidales de idéntica frecuencia y amplitud.
La clave técnica es que estas 3 ondas están desfasadas 120° entre sí:
– Recordemos que un ciclo completo son 360°.
– El sistema trifásico divide este ciclo en 3 partes iguales (360º/ 3 = 120°).
– Esto significa que cuando la Fase 1 está en su pico máximo (90°), la Fase 2 está en un valor negativo (a 210°) y la Fase 3 está subiendo (a -30°).
Este desfase de 120° no es una complicación, sino la fuente de sus enormes ventajas:
● Suministro de potencia constante: si sumamos la potencia instantánea de las 3 fases en cualquier momento, el resultado es un valor perfectamente constante. A diferencia de la potencia pulsante del monofásico, el trifásico entrega un flujo de energía suave y continuo.
● Motores más eficientes y potentes: esta entrega de potencia constante es ideal para los motores trifásicos, que son:
– Más potentes para el mismo tamaño que uno monofásico.
– Más eficientes y con mejor rendimiento (factor de potencia).
– Simples y robustos, ya que no necesitan devanados de arranque ni condensadores, pues el propio desfase de las ondas crea el campo magnético giratorio necesario para arrancar.
● Eficiencia en el transporte: transportar energía en trifásica es mucho más económico. Permite transmitir más potencia con menos cantidad de conductor que si se intentara transportar la misma potencia con 3 sistemas monofásicos separados. Por esta razón, toda la red de alta tensión es trifásica.
Seguridad y Regulación en la Corriente Alterna
Todo estudio y aplicación de la electricidad, especialmente la corriente alterna (CA) que alimenta la red global, debe estar supeditado a estrictas normas de seguridad y regulación. El riesgo de la CA no solo reside en su magnitud, sino en sus características inherentes de variación cíclica.
Riesgos Específicos de la Corriente Alterna
Aunque tanto la CA como la corriente continua (CC) son peligrosas, la CA presenta riesgos particulares relacionados con su naturaleza de variación periódica, especialmente en la interacción con el cuerpo humano.
El principal peligro de la CA de baja frecuencia (50 Hz o 60 Hz) es su capacidad de interferir con el sistema nervioso y muscular humano:
● Tetanización muscular (efecto "No Soltar"): la frecuencia de la CA coincide peligrosamente con la frecuencia de respuesta de los músculos. Esto puede provocar que los músculos de la mano se contraigan involuntariamente alrededor del conductor en tensión, impidiendo a la persona soltarse y prolongando el contacto.
● Fibrilación ventricular: es el riesgo más letal. La CA tiene una alta probabilidad de desorganizar el ritmo cardíaco (fibrilación ventricular) con corrientes relativamente bajas (del orden de 10 a 100 mA), especialmente si el choque ocurre durante la fase vulnerable del ciclo cardíaco.
A continuación, se muestra una tabla comparativa de los riesgos entre CA y CC:
Principio de seguridad: el valor de tensión límite generalmente aceptado como "no peligroso" varía según el estándar, pero es comúnmente de 50 V en CA y 120 V en CC para condiciones secas, debido al mayor riesgo fisiológico que presenta la CA.
Normativas y Estándares Eléctricos
Para mitigar los riesgos inherentes de la CA, todos los diseños, instalaciones y mantenimientos eléctricos deben adherirse estrictamente a códigos y normativas establecidos por organismos reguladores.
Las normativas eléctricas son documentos legales de obligado cumplimiento cuyo objetivo principal es garantizar:
– La seguridad de las personas: mediante la protección contra descargas eléctricas (contactos directos e indirectos).
– La seguridad de los bienes: mediante la prevención de incendios y daños materiales causados por fallas eléctricas (cortocircuitos, sobrecargas).
– La compatibilidad y calidad del suministro: asegurando que los equipos funcionen correctamente y que la instalación sea duradera.
Todo profesional de la electricidad debe conocer y aplicar la normativa relevante para su ubicación, ya que definen los métodos de cálculo, selección de materiales y procedimientos de instalación.
En el ámbito de la regulación eléctrica, las 3 fuentes de referencia más significativas son:
● Reglamento Electrotécnico para Baja Tensión (REBT): el REBT, de aplicación en España, define las prescripciones técnicas y garantías de seguridad de las instalaciones eléctricas de baja tensión (típicamente hasta 1000 V).
● Comisión Electrotécnica Internacional (IEC): desarrolla estándares internacionales (ej.: niveles de aislamiento, métodos de prueba, etc.) para uniformizar la tecnología eléctrica globalmente.
● Código Eléctrico Nacional (NEC): el NEC, de Estados Unidos, es un estándar de seguridad ampliamente reconocido e implementado, siendo uno de los códigos más influyentes a nivel mundial.
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