13.1. INTRODUCCINer anrisis se ha limitado a redes de cd, en las que las corrientes o las tensiones se frjan en magnitud, exdepto para los efectos transitorios. A continuacin debemos enfocar nuestra atencin en el anlisis de las redes en las que la

,

Hasta ahora,

cuadrada.

magnitud de la fuente de fem vara de una manera establecida. Tiene un inters particular la fem variable en el tiempo y que se encuentra disponible comercial_ mente en grandes cantidades y se denomina tensin de ca. (Lasletras ca son la abreviatura ds corriente alterna.) En forma rigurosa, ra terminotga de tensin o corriente de ca no es suficiente para describir tipo d. ,";;; se analiza. cada forma de onda de la figura l3.l es una forma de onda alterna, disponible de las fuentes comerciales deinerga elctrica. Eitrmino alternaindica slo que la forma de onda cambia alternativamente entre dos niveles pr"*ito, (rrgura l3.l). Para dar una explicacin correcta es preciso distinguir los trminos de onda cua_ drada, senoidal o triangular. El patr-n que ms nos interesa aqu es la tensin sen'oidal de ca de la figura 13. r. Dado que este tipo de seal se encuentra en la gran mayora de los casos, se pueden aplicar sin confusin las frases atreviadas de tensin de ca o corriente de ca. para-los otros patrones de la figura 13.1, el trmino descriptivo se encuentra siem,nrg presente, pero a menudo se omite la abreviatura ca, lo que da como resultado designarlas como fuentes de fem triangular o de onda

Figuro 13.1. Formos daondos oltornos.

'n*fu'fu,Onda

senoidal

Onda

cuadrada

Onda triangular

312

Ig.2. GENERACIN DE TENSINSENOIDAL DE CAlos Las caractersticas de la corriente y la tensin senoidal y sus efectos sobre en forma detallada en este captulo y los que elementos bsicos R, L, C sedescribirn siguen. Tiene un inters inmediato su generacin' patala Los trminos generador o alternador de ca no debern ser nuevos tcnica. Se trata de un dispositivo elecmayora de los estujiantes de orientacin se tromecnico capaz deconvertir la energa mecnica en energa elctrica' Como que se ve en la figura 13.2, se construye mediante muestra en el ginerador bsico y estator. Como lo dos componentes bsico s: el rotr (o armadura, en este caso) el gira dentro de la estrqctura del estator' que es implica ia terminologa, elrotor Cuando se hace girai el rotor, debido a alguna rctzamecnica dis-

estacionario. ponible por accin del agua (presas) o motores de turbina de vapor,los conductopolos del ies del rtor cortan las lineai de fuerza magntica establecidas por los la figura 13.2. Los polos pueden ser los de un imn estator, como se muestra en permanente o formarse por unas vueltas de alambre en torno al ncleo ferromag,reti.o del polo por donde pasa una corriente de cd, a fin de establecer la fmm necesaria para la densidad requerida del flujo'

Anillos deslizantes Evitan el torcimientode la bobina cuando gira

\--

Figuro 13.9.

De acuerdo con la ecuacin ( I 1 . 1), la longitud del conductor que pasa por l3'2' el campo magntico tendr una fem inducida, como se muestfa en la figura qrie las fem inducidas en cada conductor son aditivas, de modo que la Obsrvese tensin genirada en las terminales es la suma de las dos fem inducidas' Puesto que la arLadura de la figura 13.2 estgirando y las terminales de salida ay b se hallan conectadas a algu-na carga externa fija, hay necesidad de los anillos deslizantesindicados. Losnillos deslizantes son superficies conductoras circulares que proporcionan una trayectoria de conduccin de la tensin generada alacar' ga y enitan que se tuerza l bobina en ay b ctando sta gira. La fem inducida tenque tiene r oou polaridad en las terminales y y desarrollar una corriente 1, la direccin indicada en la figura 13.2. Obsrvese que la direccin de 1es tambin la de la fem inducida creciente, dentro del generador' la A continuacin, describiremos un mtodo para determinar la direccin de ponen los corriente resultante o de la fem inducida creciente. Para el generador, se pone en la dedos en ngulo recto, como se indica en la figura 13.3. El pulgar se direccin de las lneas de flujo magntico, y el dedo medio indica la direccin del

313B(componente

1

del mowimientol

la direccin F) (Un conductor de la bobina)

+El

punto indica la corrienle que sale La cruz indica lacorriente que entra

b)

flujo de la corriente que se produce en el conductor si se fija una carga. Si no es as, indica la direccin de la fem inducida creciente. La Colocacin de los dedos se indica en la figura l3.3a,para el conductor superior del rotor de la figura 13.2 al pasar por la posicin indicada en la figura 13,3b.A partir de este punto, supondremos que se ha aplicado una caga,, de modo que se pueden incluir las direiciones de la corriente utilizando el convencionalismo de punto O y cruz ( X ) que se describi en el captuto 10. Obsrvese que la direccin esultante para el conductor superior es opuesta a la del conductor inferior. Desde luego, se tiata de una condicin necesaria para la corriente 1en esta configuracin en serie. La inversin de la direccin del movimiento (el pulgar) en esta regin dar como resultado la direccin opuesta para I. A continuacin analizaremos unas cuantas posiciones representativas de la bobina giratoria y determinaremos la magnitud relativa y la polaridad de la tensin generada en esas posiciones. En el instante en que la bobina pasa por la posicin 1 de la figura 13.4a, no hay lneas de flujo cortadas y la fem inducida i".o. ", cuando la bobina pasa de la posicin I ala2, que se indica en la figura 13.4b, aumentar el nmero de lneas de flujo cortadas por unidad de tiempo, lo que dar como resultado una fem inducida mayor a travs de la bobina. para h psicin 2,la direccin resultante de la corriente y la polaridad de las termi nales a y b se indica como se determina por la regla de la mano derecha. En la posicin 3, el nmero de lneas de flujo cortadas por unidad de tiempo es mximo, lo que da como resultado una tensin inducida rnxima. Las polaridades y la direccin de la corriente son iguales que en la posicin 2.

Figuro 13.3. o) Raglo damono d@reci'c;

Io

b) diraccionas ca locorri@nt@, o@le,rminodos

oplicondo lo raglo do lo mono darcho o lo posicn indicodo de lo bobinogiroloro.

Ull'-lrl':"^ i"rl I I l"l

l--;--l

l+l+ff-ini,or

lvorru.

Figuro l3.4.

bio de polaridad para las terminales a y b y la inversin de la direccin de la corriente en cada conductor. Las similitudes entre las situaciones de la bobina en

conforme la bobina sigue girando hacia la posicin 4, indicada en la hgura 13.5, la polaridad de la fem inducida y la direccin de la corriente pennanecen iguales, como se muestra en la figura, aunque la fem disminuir debido al nmero reducido de lneas de flujo cortadas por unidad de tiempo. En la posicin 4, la fem inducida es otravezcero, puesto que el nmero de lneas de flujo cortadas por unidad de tiempo disminuye a cero. conforme la bobina gira hacia la posicin 5, aumentar otra vez la magnitud de la fem inducida, pero se debe observar el cam-

314

CAP. 13, CORRIENTE ALTERNA SENOIDAL

lasposiciones2y5(figura13.5c),3y6(figurar3.5c)indicanquelamagnituddela fem inducida es la misma aunque se ioui.rte la polaridad e a-b.(Voltaje mximo)

Figuro 13.5.

En la hgura 13.6 aparece una grrrc continua de la fem inducida e.Las polaridades de la fem inducida se mustran para las terminales del eje vertical. ";-;;i;;;;,:;";rem rnouclda puntos 4 v es

enlre los

b

a-

l,j\,. i\.

Figuro 13.. Formo da ondo sanoidol.

de onda resultante de la

fem generada se repetir a iguales intervalos. obsrvse tambin q.,J.t putron es exac_ tamente el mismo por debajo que por encima del eje y que .u-Hu de manerara

en las exposiciones que siguen. Obsrvense algunas de sus caractersticas evidentes' como se muestra en la figura, si se permit q* r" u"fi"" girurroo,

Tomemos un momento para relacionar las diversas posiciones con la forma figura 13.6. Esta forma de onda regara ser muy familiar ,igu

con-

Figuro 13.7. Gaorodor dtunciones.Cortesa de Hewlett packrd Co.

DEFINICIONES

315

tinua con el tiempo (el eje horizontal). A riesgo de ser repetitivo, de nuevo indicaremos que la forma de onda de la figura 13.6 tiene el aspecto de una tensin senoidal de ca. El alternador es slo una fuente de tensiones y corrientes senoidales. El generador de funciones de la figura 13.7, que emplea componentes electrnicos semiconductores en su construcin interna, proporcionar formas de nda senoidales, cuadradas y triangulares de salida como se pide.

13.3. DEFINICTN NE LAS POLARIDADES Y DE LA DTRECCINEn el anlisis que sigue consideramos necesario establecer un conjunto de polaridades para la tensin senoidal de 9a y una direccin para la corriente senoidal de ca. En cada caso, la polaridad y la direccin de la corriente sern para un instante en la porcin positiva de la forma de onda senoidal. Esto se muestra en la figura 13.8, con los smbolos para la corriente y la tensin senoidales de ca. Para .idu.rtto de ellos se utiliza la letra minscula con el fin de indicar que la cantidad la es funcin del tiempo. La necesidad de definir las polaridades y la direccin de de ca de fuentes mltiples. En la corriente resultarn evidentes al considerar redes ltima frase se debe observar la falta del trmino senoidal pata calificar a las redes de ca.Estose har as cada vez ms, conforme avancemos en el texto; se debe dar por entendido, a menos que se indique otra cosa. Refirindonos a la figura 13.7, obsrvese que se ha indicado un lado "AJ'" y ..BA" paracadagrupo de salida, con la tierra o nivel de potencial cero asociauno do con 1a terminal BA. Por 1o tanto, un signo positivo y uno negativo resultaran adecuados para las terminales AL y BA, respectivamente'

k+b)

Fguo 13.8. o) Fuontas doter6n snoidol do co;

b) f,.stes do