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Reactancia


Es la oposición al paso de la corriente alterna ofrecida por los condensadores y las bobinas y se expresa en ohms. La energía es absorbida y luego liberada en forma de campo magnético en caso de las bobinas y en forma de campo eléctrico en caso de los condensadores. Esto produce desfasaje entre la tensión y la corriente en el circuito, y reduce la potencia entregada a una carga resistiva asociada.

Las bobinas y condensadores reales presentan una resistencia asociada (R), que se representa en serie en caso de las bobinas y en paralelo en caso de los condensadores. Junto a la resistencia (R) determinan la impedancia total del elemento (Z), siendo la resistencia (R) la parte real (donde se disipara potencia) y la reactancia (X) la parte imaginaria.
(donde se creará campo eléctrico o magnético segun sea condensadores o bobinas)

Reactancia capacitiva XC

Es la oposición al paso de corriente alterna (AC) ofrecida por los condensadores. Se representa como XC.  Esta oposicón es “reactiva” porque el elemento “reacciona” al variar la tensión aplicada sobre él. Cuando el condensador (C) está totalmente descargado se comporta como un cortocircuito y cuando se carga completamente es una resistencia de valor infinito. Como la corriente es alterna el condensador esta cargándo y descargándose constantemente. Si la frecuencia de la corriente es baja, permanecerá mas tiempo en estado de “casi carga” que en estado de “casi descarga”, por lo tanto presentara una media de alta oposición al paso de la corriente.  Por el contrario si la frecuencia de la corriente es alta, el efecto será contrario y la oposición al paso de la corriente será baja. La reactancia capacitiva es de carácter electrostático, la carga en el condensador se opone a que este se siga cargando y esta será mayor cuanto más carga acumule el condensador.

Reactancia Inductiva XL

Es la oposición a la corriente alterna (AC) ofrecida por las bobinas. se representa como XL.  Al igual que el condensador la bobina “reacciona” al paso de la corriente pero la reacción es de carácter electromagnético y no electostático. La bobina induce una tensión (fenómeno de autoinducción) que se opondrá a la que la genera, provocando que no circule corriente en ese instante. Cuanto mayor sea la frecuencia de la tensión, mayor será la tensión inducida y menor la corriente circulando por ella. por lo tanto a mayor frecuencia, mayor será la reactancia.


Nikola Tesla


Nikola Tesla, nacio en Smiljan (Imperio austrohúngaro), el 10 de julio de 1856. Fue un inventor, ingeniero mecánico e ingeniero eléctrico. Se lo conoce, por sus numerosas y revolucionarias invenciones en el campo del electromagnetismo, las patentes de Tesla y su trabajo teórico formaron las bases de los sistemas modernos de potencia eléctrica por corriente alterna (CA), incluyendo el sistema polifásico de distribución eléctrica y el motor de corriente alterna.

Fue el cuarto de cinco hijos.Su familia se trasladó a Gospic en 1862.Tesla asistió a la escuela Gymnasium Karlovac en Karlovac, donde completó el plan de estudios de cuatro años en el término de tres. Posteriormente comenzó los estudios de ingeniería
eléctrica en la Universidad de Graz, en la ciudad del mismo nombre, en 1875. Mientras estuvo allí estudió los usos de la corriente alterna. Se dirigió a Maribor, (hoy Eslovenia), donde obtuvo su primer empleo como ayudante de ingeniería. Tesla pasaba el tiempo leyendo muchas obras y memorizando libros completos, ya que supuestamente poseía una memoria fotográfica. Durante su infancia sufrió varios episodios de enfermedad. Tenía una afección muy peculiar, la cual provocaba que cegadores haces de luz apareciesen ante sus ojos, a menudo acompañados de alucinaciones. Normalmente las visiones estaban asociadas a una palabra o idea que le rondaba la cabeza. Otras veces, éstas le daban la solución a problemas que se le habían planteado.

Simplemente con escuchar el nombre de un objeto, era capaz de visualizarlo de forma muy realista. Actualmente la condición llamada sinestesia presenta síntomas similares. Tesla podía visualizar una invención en su cerebro con precisión extrema, incluyendo todas las dimensiones, antes de iniciar la etapa de construcción; una técnica algunas veces conocida como pensamiento visual. No solía dibujar esquemas, en lugar de eso concebía todas las ideas solo con la mente. También en ocasiones tenía reminiscencias de eventos que le habían sucedido previamente en su vida; esto se inició durante su infancia.

En 1882 Tesla se trasladó a París, Francia, para trabajar como ingeniero en la Continental Edison Company (una de las compañías de Thomas Alva Edison), en el mismo año concibió el motor de inducción e inició el desarrollo de varios dispositivos que usaban el campo magnético rotativo, por los cuales recibió patentes en 1888. En junio de 1884, Tesla llegó por primera vez a los Estados Unidos, a la ciudad de Nueva York, Edison contrató a Tesla para trabajar en su Edison Machine Works. Empezó a trabajar para Edison como un simple ingeniero eléctrico y progresó rápidamente, resolviendo algunos de los problemas más difíciles de la compañía. Tesla renunció a su empleo de inmediato luego de una dura disputa economica con Edison.

Trabajó como obrero en New York de 1886 a 1887 para mantenerse y reunir capital para su próximo proyecto. En 1887, construyó el primer motor de inducción, sin escobillas alimentado con corriente alterna, desarrolló el principio de su bobina de Tesla y comenzó a trabajar con George Westinghouse en la Westinghouse Electric & Manufacturing Company’s en los laboratorios de Pittsburgh. Westinghouse escuchó sus ideas para sistemas polifásicos, los cuales podrían permitir la trasmisión de corriente alterna a larga distancia. Un “sistema mundial para la trasmisión de energía eléctrica sin cables” basado en la conductividad eléctrica de la tierra, fue propuesto por Tesla, el cual funcionaría mediante la trasmisión de energía por varios medios naturales y el uso subsiguiente de la corriente trasmitida entre los dos puntos para alimentar dispositivos eléctricos. En la práctica este principio de trasmisión de energía, es posible mediante el uso de un rayo ultravioleta de alta potencia que produjera un canal ionizado en el aire, entre las estaciones de emisión y recepción. Tesla demostró la transmisión inalámbrica de energía” a principios de 1891. El efecto Tesla (nombrado en honor a Tesla) es un término para una aplicación de este tipo de conducción eléctrica.

El 30 de julio de 1891, se convirtió en ciudadano de los Estados Unidos a la edad de 35 años. A los 36 años fueron otorgadas las primeras patentes relacionadas con la alimentación polifásica y continuó con sus investigaciones sobre los principios del campo magnético rotativo. De 1892 a 1894 se desempeñó como vicepresidente del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos. De 1893 a 1895, investigó la corriente alterna de alta frecuencia. Él generó una CA de un millón de voltios usando una bobina de Tesla cónica e investigó el efecto pelicular en conductores, diseñó circuitos LC, inventó una máquina para inducir el sueño, lámparas de descarga inalámbricas, y transmisión de energía electromagnética, construyendo el primer radiotransmisor.

En San Luis, Misuri, hizo una demostración sobre radiocomunicación en 1893. Dirigiéndose al Instituto Franklin en Filadelfia, Pensilvania y a la National Electric Light Association, describió y demostró con detalles estos principios. Tesla investigó la radiación de fondo de microondas. Él creía que solo era cuestión de tiempo para que el hombre pudiese adaptar las máquinas al engranaje de la naturaleza, declarando: «Antes que pasen muchas generaciones, nuestras máquinas serán impulsadas por un poder obtenido en cualquier punto del universo».

En la Exposición Universal de Chicago en 1893, por primera vez, un edificio dedicado a exposiciones eléctricas. En este evento Tesla y George Westinghouse presentaron a los visitantes la alimentación mediante corriente alterna que fue usada para iluminar la exposición. Además se exhibieron las lámparas fluorescentes y bombillas de Tesla de un solo nodo.

Ese mismo año Tesla logró transmitir energía electromagnética sin cables, construyendo el primer radiotransmisor. Presentó la patente correspondiente en 1897, dos años después Guglielmo Marconi lograría su primera transmisión de radio. Marconi registró su patente el 10 de noviembre de 1900 y fue rechazada por ser considerada una copia de la patente de Tesla. Se inició un litigio entre la compañía de Marconi y Tesla. Tras recibir el testimonio de numerosos científicos destacados, la Corte Suprema de los Estados Unidos de América falló en 1943 a favor de Tesla.

En las cataratas del Niágara se construyó la primera central hidroeléctrica gracias a los desarrollos de Tesla en 1893,
consiguiendo en 1896 transmitir electricidad a la ciudad de Búfalo (Nueva York). Con el apoyo financiero de George Westinghouse, la corriente alterna sustituyó a la continua. Tesla fue considerado desde entonces el fundador de la industria eléctrica. En 1899, Tesla se traslada a un laboratorio en Colorado Springs, Estados Unidos, para iniciar sus experimentos con alta tensión y mediciones de campo eléctrico. Encontró que la resonancia del planeta era del orden de los 10 Hz, un valor realmente exacto para su época, ya que hoy en día se conoce que es de 8 Hz. Después de que descubriera como crear ondas eléctricas permanentes para transmitir potencia eléctrica alrededor del mundo.

Tesla realizó trabajos muchos más avanzados que los otros pioneros de la transmisión sin hilos, Hertz y Marconi, quienes usaron altas frecuencias que no resonaban con la tierra, a diferencia de las ondas de radio de altas longitudes de onda empleadas por Tesla, que tenían la ventaja de ser recibidas en sitos remotos de la tierra, o en las profundidades del mar para mantener la comunicación entre naves de superficie y submarinos. En el laboratorio de Colorado Springs, Tesla observó señales inusuales que luego creyó que serían evidencia de comunicaciones de radio extraterrestre provenientes de Venus o Marte. Notó que eran señales repetitivas, con una naturaleza distinta a las observadas de tormentas y ruido terrestre, quedando para la historia como el precursor de la radioastronomía.

Tesla dejó Colorado Springs el 7 de enero de 1900. El laboratorio fue derribado y su contenido vendido para pagar las deudas. Los experimentos preparados por Tesla allí para el establecimiento de la transmisión de telecomuniaciones inalámbricas trasatlánticas fue conocido como Wardenclyffe. Cuando murió, en Nueva York, el 7 de enero de 1943, el Gobierno de los Estados Unidos intervino todos los documentos de su despacho, en los que constaban sus estudios e investigaciones. Años más tarde, la familia Tesla y la embajada Yugoslava lograron recuperar el material incautado que hoy día se encuentra expuesto en el Museo de Nikola Tesla.

Ver  “El Hombre que ilumino el mundo” en Canal Gomyshop:

Parte 1Parte 2


Corriente Alterna


Se denomina corriente alterna (CA) o (AC) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían cíclicamente. La forma de onda puede ser senoidal, triangular o cuadrada pero la mas usada es la onda senoidal, puesto que se consigue una mayor eficacia.

Su generacion se remonta al año 1882 cuando Nikola Tesla, diseñó y construyó el primer motor de inducción de CA. Luego en 1885, William Stanley, logro transferir la CA entre dos circuitos eléctricamente aislados. Su idea fue la de enrollar un par de bobinas en una base de hierro común, creando el precursor del actual transformador. La corriente alterna superó las limitaciones de la corriente continua (CC), la cual es ineficiente para la transmision a gran escala.

Los motivos del uso generalizado de corriente alterna se debe a su facilidad de transformación, imposible de reaizar con corriente continua. Para elevar la tension de una corriente continua debemos agregar generadores en serie, lo cual no es muy práctico, pero en corriente alterna se cuenta con un dispositivo: el transformador, que permite elevar la tensión de una forma eficiente.

La energía eléctrica viene dada por el producto de la tensión, la intensidad y el tiempo. Dado que la sección de un conductor de tansmision depende de la intensidad, podemos, mediante un transformador, elevar el voltaje hasta altos valores (alta tensión), disminuyendo en igual proporción la intensidad de corriente. Con esto la misma energía puede ser distribuida a largas distancias con bajas intensidades de corriente y, por tanto, con bajas pérdidas por causa del efecto Joule, histeresis, Foucault. Luego de su transmision, y cerca de donde se usara la corriente electrica, el voltaje puede ser de nuevo reducido para su uso industrial o doméstico de forma cómoda y segura.

Onda sinusoidal

Muchas ondas periodicas tienen el problema de no tener una expresion matematica definida, lo cual no permite operar analiticamente con ellas. Pero la onda senusoidal no presenta este problema, responde a la funcion seno y presenta varias ventajas analiticas, ademas con los numeros complejos podemos resolver facilmente circuitos de alterna. Otra ventaja es que se puede generar facilmente,  con elevada magnitud,  para facilitar su transmision y se puede atenuar mediante el uso de transformadores.

Una señal senoidal de tension o corriente se puede expresar matematicamente:

Valor instantáneo (a(t)):

Es el valor que toma la señal en un instante, t, determinado.

Valor pico a pico (App):

Diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. Dado que el valor máximo de la funcion seno es 1 (sen(90)=1) y el mínimo es -1,(sen(-90)=-1), una señal sinusoidal que oscila entre +A0 y -A0 tendra un valor pico a pico (App), igual a (+A0)-(-A0) = 2×A0.

Valor medio (Amed):

El valor medio se puede interpretar como la componente de continua de la onda sinusoidal. Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo es idéntico al negativo, su valor medio es nulo. Por eso el valor medio de una onda sinusoidal se refiere a un semiciclo. Mediante el cálculo integral se puede demostrar que:

Valor Pico:

Valor máximo, de signo positivo (+), que toma la onda sinusoidal, cada medio ciclo, a partir del punto “0”. Ese valor aumenta o disminuye a medida que. la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor “0″.

Valor eficaz (A):

Su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continua. Este valor se conoce como R.M.S. (root mean square, valor cuadrático medio). En la practica, el valor eficaz es de gran importancia ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. Matemáticamente se demuestra que para una corriente alterna senoidal el valor eficaz viene dado por la expresión:

El valor A, sea tension o intensidad, es útil para calcular la potencia consumida por una carga. Entonces, si una tensión de corriente continua, VCC, desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva, una tensión de CA, Vrms desarrollará la misma potencia P en la misma carga si Vrms = VCC. Por ejemplo en nuestros hogares, se dice que tenemos una corriente elctrica de de 220V CA, esto es que su valor eficaz es de 220 V, lo que significa que tiene los mismos efectos caloríficos que una tensión de 220 V de CC. Su tensión de pico (Vp), se obtiene de la formula anterior:

Entonces, para la red de 220 V CA, la tensión de pico es de aproximadamente 311V y 622V la tensión de pico a pico (Vpp). Su frecuencia es de 50 Hz, lo que significa que que cada ciclo de la onda sinusoidal tarda 20 ms en repetirse (T = 1/f). La tensión de pico positivo se alcanza a los 5 ms de pasar la onda por cero (0 V) en su incremento, y 10 ms después se alcanza la tensión de pico negativo.

Una función senoidal puede ser representada por un vector giratorio, llamado fasor, que girará con una velocidad angular w y su módulo será el valor máximo o el eficaz, según convenga. La ventaja de este modelo, es que matemáticamente, un fasor puede ser definido fácilmente por un número complejo, por lo que puede emplearse la teoría de cálculo de números complejos para el análisis de sistemas de corriente alterna.

Sistemas de Generacion

Los sistemas de generacion de corriente alterna, llamados sistemas polifásicos son sistemas de producción, distribución y consumo de energía eléctrica formado por dos o más tensiones iguales con diferencia de fase constante, que suministran energía a las cargas conectadas a las líneas. Basicamente los sistemas monofasicos, bifasico, trifasicos, son los mas usados, pero existen hexafásicos y dodecafásicos, destinado a alimentar rectificadores de modo de obtener una tensión continua poco ondulada.

Monofasico
Esta formado por una única corriente alterna (CA) y por lo tanto todo el voltaje varía de la misma forma. Se suele usar cuando las cargas son iluminación, calefacción y pequeños motores eléctricos. Un motor de CA en un sistema monofasico, no producirá un campo magnético giratorio, por lo que los estos motores necesitan circuitos adicionales para su arranque, y son poco usuales para potencias por encima de los 10 kW. El voltaje y la frecuencia de esta corriente dependen del país o región, siendo 220 y 110 Voltios los valores más extendidos para el voltaje y 50 o 60 Hercios para la frecuencia.

Bifasico
Esta formado por dos corrientes alternas (CA) desfasadas 90º. En estos generadores, el sistema está equilibrado cuando la suma vectorial de las tensiones es nula (punto neutro), lo que ocurre cuando las tensiones son iguales y perfectamnete desfasadas 90º. En este sistema se necesitan 4 conductores, dos por cada una de las fases. Actualmente este sistema está en desuso por considerarse más peligroso que el monofásico a 220 V, además de ser más costoso al necesitar más conductores.

Trifasico
Esta formado por tres corrientes alternas (CA) monofásicas de igual frecuencia y amplitud, las cuales estan desfasadas entre ellas 120 grados. Cada una de las corrientes alternas monofásicas que forman el sistema se designa con el nombre de fase. Este sistema presenta varias ventajas; mayor economia en la transmision (cables mas finos que en una línea monofásica equivalente) en los transformadores, mejor rendimiento especialmente en motores, a los que alimenta con potencia constante y no pulsada, como en el caso de usar corriente monofásica.

La trifásica se usa mucho en industrias, donde las máquinas funcionan con motores para esta tensión. Existen dos tipos de conexión; en triángulo y en estrella (Teorema de Kenelly). En estrella, el neutro es el punto de unión de las fases.

 


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