Cálculos de energía de corriente alterna

Circuitos CA

Cuando estudias física, pasas la mayor parte del tiempo estudiando corriente continua (o CC). Es más simple, facilita la comprensión de los conceptos básicos y es mejor para la visualización. Pero echa un vistazo a tu alrededor. Mire los enchufes de pared cercanos y las bombillas sobre su cabeza. Ambas cosas, y de hecho la mayoría de las cosas que te rodean, funcionan con corriente alterna (o CA). La banda AC-DC podría haber sido parcial para ambos, pero casi todo lo que experimente en la vida será alimentado por CA.

La corriente alterna es donde la corriente cambia de dirección súper rápido en lugar de fluir solo en un sentido alrededor de un circuito, en un sentido y luego en el sentido opuesto, una y otra vez. La frecuencia más común a la que esto sucede es de 60 Hz, o 60 conmutaciones por segundo. Esto crea una corriente que varía sinusoidalmente, lo que significa que varía en forma de curva sinusoidal, como esta:

Dado que la corriente está cambiando, también lo está el voltaje. También sigue una curva sinusoidal. Debido a esto, tendemos a expresar la corriente y el voltaje como promedios especiales llamados rms (o raíz cuadrada media). Un circuito de CA tendrá una corriente rms y un voltaje rms. Y esos valores están definidos por las siguientes ecuaciones:

Puede ver que V-cero es el pico o voltaje máximo, e I-cero es el pico o corriente máxima. Esas son las partes superiores e inferiores de la curva sinusoidal.

Ecuaciones de potencia

Pero esta lección se titula ‘Energía CA’, entonces, ¿cómo calculamos la energía utilizada por un circuito CA? Como se discutió en otra lección en video, la potencia es la energía utilizada por segundo, medida en vatios (o julios por segundo). Y en un circuito, puedes calcularlo multiplicando la corriente por el voltaje. Podemos hacer exactamente lo mismo con un circuito de CA; solo usamos la corriente rms y los voltajes rms. Entonces, a continuación se muestra nuestra ecuación básica para la potencia en un circuito de CA: el voltaje rms, medido en voltios, multiplicado por la corriente rms, medida en amperios.

Pero, ¿qué pasa si no conoce el voltaje rms o la corriente rms? ¿Qué pasa si, en cambio, conoce el voltaje pico V-cero y la corriente pico I-cero? Bueno, entonces necesitaríamos usar las ecuaciones anteriores para voltaje rms y corriente rms. Pero para evitar usar más de una ecuación, podemos sustituir estas ecuaciones en la ecuación de potencia, así:

Esto luego se simplifica para decirnos que la potencia utilizada en un circuito de CA es igual a la corriente máxima, multiplicada por la tensión máxima, dividida por dos.

Ejemplo de cálculo

Bien, ¡probemos con un ejemplo! Estás haciendo algunas pruebas con una bombilla de bajo consumo. Descubres que el voltaje máximo que usa es de 240 voltios y la corriente máxima que fluye a través de él es de 0,12 amperios. Para una bombilla normal, busca algunos valores y encuentra que el voltaje rms es de 120 voltios y la corriente rms es de 0.5 amperios. ¿Cuál es la diferencia de potencia utilizada por las dos bombillas?

Bien, entonces tenemos que averiguar cuánta energía utiliza cada bombilla y luego compararlas. Para el primero, se nos dan valores máximos, y para el segundo, se nos dan valores rms. Entonces, necesitamos usar una ecuación diferente para cada uno y luego comparar los dos valores de potencia.

Para la bombilla de bajo consumo, sabemos que V-cero es de 240 voltios e I-cero es de 0,12 amperios. Entonces, podemos calcular la potencia usando esta ecuación: (240 * 0.12) / 2 = 14.4 Watts.

Para la bombilla normal, sabemos que V-rms es de 120 voltios e I-rms es de 0,5 amperios. Entonces, todo lo que tenemos que hacer aquí es usar esta ecuación y multiplicar las dos juntas: 120 * 0.5 = 60 Watts.

Por último, para encontrar la diferencia entre ellos, reste el número más pequeño del más grande: 60 – 14,4 = 45,6 Watts. Entonces, hay una diferencia en la potencia utilizada de 45,6 vatios entre las dos bombillas. Y eso es todo, ¡hemos terminado!

Resumen de la lección

Casi todos los dispositivos eléctricos que usamos en la vida cotidiana funcionan con corriente alterna. La corriente alterna (o CA) es donde la corriente cambia de dirección súper rápido en lugar de fluir solo en un sentido alrededor de un circuito, en un sentido y luego en el sentido opuesto, una y otra vez. Esto crea una corriente que varía sinusoidalmente, lo que significa que varía en forma de curva sinusoidal, como esta:

Dado que la corriente está cambiando, también lo está el voltaje y también la potencia utilizada. Todos siguen una curva sinusoidal. Debido a esto, tendemos a expresar la corriente y el voltaje como promedios especiales llamados rms (o raíz cuadrada media ). Un circuito de CA tendrá una corriente rms y un voltaje rms, y esos valores se definen mediante las siguientes ecuaciones, donde V-cero es el pico o voltaje máximo e I-cero es el pico o corriente máxima. Esas son las partes superiores e inferiores de la curva sinusoidal.

Como se discutió en otra lección, la potencia es la energía utilizada por segundo, medida en vatios (o julios por segundo). En un circuito de CA hay dos ecuaciones principales que puede utilizar para calcular la potencia: la superior, en la que se multiplica el voltaje rms por la corriente rms; o el de abajo, donde multiplica el voltaje pico por el pico de corriente y luego lo divide por dos. Según lo que le den en una pregunta, puede averiguar cuál de las dos ecuaciones usar.

Los resultados del aprendizaje

Al completar esta lección, debería poder:

• Defina corriente alterna (CA), raíz cuadrada media y potencia
• Identificar la curva sinusoidal de CA, voltaje y potencia.
• Explica cómo usar las dos ecuaciones principales para calcular la potencia en un circuito de CA