Circuitos de corriente alterna y ondas electromagnéticas
Resistores en un circuito CA
Un circuito CA consiste de combinciones de elementos y un generador de CA o fuentes CA.
Con una resistencia en un circuito de CA, la corriente y el voltaje están en la misma fase. Así que no hay un cambio de fase aquí. Además, el valor de la resistencia no está influenciado por la altura de la frecuencia
Para calcular la intensidad en un circuito de corriente alterna se usa la siguiente formula
Los voltajes alternos tambien se calculan con:
Capacitores en un circuito de CA
La función de un capacitor es almacenar una carga de energía que pueda ser liberada de forma rápida. La carga y descarga de un capacitor es muy útil para, por ejemplo, alimentar un motor eléctrico
Un cambio en la carga genera que aparezca una corriente eléctrica en el capacitor. El
recibir corriente alterna es similar al cambio de la carga eléctrica en unidades de tiempo. Segun las propiedades fisicas en un capacitor en corriente alterna genera un diferencia de fases de 90° entre la corriente y el voltaje.
El efecto de impedimiento de un capacitor en la corriente de un circuito de CA se expresa en terminos de un factor llamado reactancia cpacitiva (Xc), que se define como:
Inductores en un circuito AC
La bobina o inductor es formado de un alambre conductor con el cual se han hecho espiras a manera, en su forma más sencilla, de un resorte. Si se aplica corriente continua (corriente que no varía con el tiempo) a un inductor, este se comporta como un corto circuito y dejará pasar la corriente a través de ella sin ninguna oposición.
La resistencia efectiva de la bobina en un circuito CA se mide mediante una cantidad llamada reactancia inductiva (Xl);
El cicuito RLC en serie
un circuito RLC es un circuito lineal que contiene una resistencia eléctrica, una bobina y un capacitor. La corriente I que se forma en el circuito es la misma para los tres receptores, ya que están conectados en serie, cuyo valor depende de la combinación de la resistencia, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva.
La combinación de la resistencia, la reactancia inductiva y la reactancia capacitiva se conoce por el nombre de impedancia. Se representa por la letra Z y se mide en Ω
Una vez obtenida la impedancia, la intensidad de corriente eléctrica la podemos calcular aplicando la ley de Ohm
Potencia en un circuito CA
En un circuito CA no se asocian perdidas de potencia con capacitores puros e inductores puros. cuando la corriente aumenta en direccion en un circuito CA la carga se acomula sobre el capacitor y a traves de el aparece una caida de voltaje.
Sin embargo este almacenamiento de energia solo es momentaneo, cuando la corriente invierte su direccion la carga sale de las placas del capacitor y regresa a la fuete de voltaje. Por lo tanto la potencia promedio que suministra es cero. En oras palabras, no ocurre perdida de potencia en un capacitor en un circuito CA.
Cuando la corriente empieza a disminuir en el circuito, esta energia almacenada regresa a la fuente conforme el inductor intenta mantener la corriente en el circuito. La potencia promedio que se entrega a un resistor en un circuito RLC es:
Resonancia en un circuito RLC en serie
Confirmacion de Hertz de las predicciones de Maxwell
El transformador
Predicciones de Maxwell
Produccion de ondas electromagneticas mediante una antena
La resonancia de un circuito RLC serie, ocurre cuando las reactancias inductiva y capacitiva son iguales en magnitud, pero se cancelan entre ellas porque están desfasadas 180 grados. Esta reducción al mínimo que se produce en el valor de la impedancia, es útil en aplicaciones de sintonización. La nitidez del mínimo de impedancia, depende del valor de R y se caracteriza mediante el valor "Q" del circuito.
Frecuencia de resonancia:
Se denomina transformador a una máquina eléctrica estática y reversible que funciona por electromagnetismo (eléctrico y magnético) que permite aumentar o disminuir el voltaje (tensión) y/o la intensidad de una corriente alterna manteniendo constante la potencia.
En su forma más simple, un transformador esta formado por dos bobinas de conductores con espiras enrolladas (devanado) sobre un núcleo formado por chapas finas de acero al silicio (núcleo magnético).
Los transformadores se basan en la inducción electromagnética. Al aplicar una fuerza electromotriz en el devanado primario, es decir una tensión, se origina un flujo magnético en el núcleo de hierro. Este flujo viajará desde el devanado primario hasta el secundario. Con su movimiento originará una fuerza electromagnética en el devanado secundario.
Los transformadores son elementos muy utilizados en la red eléctrica. Una vez generada la electricidad en el generador de las centrales, y antes de enviarla a la red, se utilizan los transformadores elevadores para elevar la tensión y reducir así las pérdidas en el transporte producidas por el efecto Joule. Una vez transportada se utilizan los transformadores reductores para darle a esta electricidad unos valores con los que podamos trabajar.
En 1865, el físico escocés James Clerk Maxwell formuló la teoría clásica del electromagnetismo deduciendo así que la luz está hecha de campos eléctricos y magnéticos que se propagan por el espacio, teoría que llevó a la predicción de la existencia de las ondas de radio y a las radiocomunicaciones.
Las ecuaciones de Maxwell representan una de las formas mas elegantes y concisas de establecer los fundamentos de la Electricidad y el Magnetismo. A partir de ellas, se pueden desarrollar la mayoría de las fórmulas de trabajo en el campo. Debido a su breve declaración, encierran un alto nivel de sofisticación matemática y por tanto no se introducen generalmente en el tratamiento inicial de la materia, excepto tal vez como un resúmen de fórmulas.
Estas ecuaciones básicas de la electricidad y el magnetismo se puede utilizar como punto de partida para los cursos avanzados, pero generalmente se encuentran por primera vez después del estudio de los fenómenos eléctricos y magnéticos, en forma de ecuaciones unificadoras
Los experimentos de Hertz confirmaron de forma espectacular la teoría electromagnética de Maxwell, demostrando que las ondas electromagnéticas existen, que viajan a la velocidad de la luz y que tienen las propiedades ópticas de la luz. Los físicos aceptaron muy rápidamente la teoría de Maxwell y empezaron a aplicarla con gran éxito al análisis detallado de todo tipo de fenómenos.
Así, en la última década del siglo XIX, la teoría electromagnética de Maxwell se irguió, junto a la mecánica de Newton, como la parte más firmemente establecida de los fundamentos de la física.
A partir de aquí, Hertz demostró que la radiación electromagnética proveniente de su bobina de inducción tenía todas las propiedades conocidas de las ondas de luz. Podía reflejarse en la superficie de sólidos, incluidos los conductores metálicos y su angulo de reflexión era igual a su ángulo de incidencia. Podía enfocarse usando espejos metálicos cóncavos. Se difractaba si pasaba por un pequeño agujero en una pantalla. Presentaba fenómenos de interferencia, incluidas ondas estacionarias. Los prismas hechos de materiales no conductores (vidrio, madera) refractaban las ondas electromagnéticas.
Cuando una corriente eléctrica se establece a lo largo de un cable se están moviendo partículas cargadas. Sin embargo, no siempre ocurre que estas partículas se aceleren; por ejemplo, si la corriente es de valor constante como la corriente directa que se establece cuando la fuente es una batería conectada a un foco de una linterna, entonces las partículas que dan lugar a la corriente eléctrica se mueven con velocidad constante y por tanto no se están acelerando. Una partícula experimenta una aceleración cuando su velocidad cambia al transcurrir el tiempo. En consecuencia, solamente en una corriente eléctrica que varía al transcurrir el tiempo, las partículas se aceleran. Esto sucede, por ejemplo, con la corriente alterna.
Además de varillas las antenas pueden tener otras configuraciones. Las características que tengan las ondas emitidas dependerán de la forma geométrica y de la longitud de la antena. Así, en el caso de una varilla, las ondas emitidas tienen la misma frecuencia que la corriente que las induce. A esta frecuencia f le corresponde un longitud de ondal dada por (u/ f), siendo v la velocidad de la luz ( ecuación antes mencionada). Por otro lado, la potencia de la onda emitida depende tanto de la longitud de onda l como de la longitud L de la varilla. La potencia que emite adquiere un valor máximo cuando la longitud de la varilla es igual a la mitad de la longitud de onda. En consecuencia, conviene construir la antena con esta longitud. Este hecho es una manifestación del fenómeno de resonancia
La antena no emite la misma potencia en todas las direcciones; a lo largo de la antena (Figura 32) no hay emisión. En una dirección perpendicular a la varilla se alcanza la potencia máxima; de hecho, alrededor de la dirección perpendicular se forma un cono dentro del cual la emisión es apreciable; en direcciones fuera del cono prácticamente no hay radiación. A este tipo de antenas se les llama direccionales.