Comprender el significado físico y el efecto de que el voltaje y la corriente no estén sincronizados
Álvaro Franz
En la corriente alterna, podemos tener inductores y capacitores que hacen que el voltaje y la corriente no estén sincronizados.
Al principio estaba atascado porque ¿cómo puede ser que primero haya tensión y luego corriente? Ahora me di cuenta de que no es la corriente o el voltaje en sí lo que va antes o después del otro.
Es la forma en que los valores aumentan y disminuyen lo que no está sincronizado.
Tanto el voltaje como la corriente comienzan a existir simultáneamente en el mismo momento exacto, pero sus valores aumentan, disminuyen y son cero en diferentes momentos.
Eso me ha aclarado mucho las ideas, pero me cuesta visualizar lo que realmente está pasando en cada caso.
Creo que esto se puede dividir en:
- El efecto del voltaje es mayor que la corriente.
- El efecto de que el voltaje sea menor que la corriente.
- El efecto de tener cualquier voltaje y corriente cero.
- El efecto de tener voltaje cero y cualquier corriente.
Además de esos hechos, también es necesario lidiar con lo que sucede con los valores positivos y negativos, que podrían desglosarse en:
- El efecto de tener voltaje y corriente opuestos.
- El efecto de tener voltaje y corriente en la misma dirección.
¿Alguien podría proporcionar algunas analogías o vistas simplificadas donde se pueda entender el efecto de esto?
Por supuesto, las analogías pueden no ser 100% precisas o pueden simplificar demasiado las cosas, pero es mejor tener una comprensión simple que ninguna. Lo que significa: cualquier idea coherente será muy apreciada.
Para no hacer de esto una pregunta floja, explicaré lo que me dice mi intuición:
El efecto de que el voltaje sea mayor que la corriente:
Alto voltaje y baja corriente significa que alguna fuerza está empujando la corriente hacia atrás. También podría ser que solo haya una pequeña cantidad de carga disponible en el circuito.
El efecto de que el voltaje sea menor que la corriente:
Bajo voltaje y alta corriente significa que hay una fuerza adicional que ayuda a que la corriente fluya más rápido.
El efecto de tener cualquier voltaje y corriente cero:
No puedo entender esto. La única forma de que esto suceda es tener una barrera que no permita que los portadores de carga crucen esa barrera.
El efecto de tener voltaje cero y cualquier corriente:
La corriente no tiene ninguna motivación para fluir si no hay voltaje. Esto solo podría suceder si hay algún tipo de inercia.
El efecto de tener voltaje y corriente opuestos:
Esto es aún más loco. El voltaje empuja las cargas de A a B, pero simplemente deciden ir de B a A. Algo debe estar causando este comportamiento inverso.
El efecto de tener voltaje y corriente en la misma dirección:
Esto parece ser muy normal.
Conclusión demasiado simplificada:
Mi cerebro explota cuando trato de juntar todo esto.
Pero esto es lo que entiende (¿puede corregir las afirmaciones incorrectas?):
El voltaje es lo que realmente se crea en la fuente (por ejemplo, un imán que entra y sale de una bobina).
El flujo de corriente es consecuencia del voltaje (y nunca al revés).
El hecho de que el imán entre y salga suavemente explica la forma sinusoidal de AC.
Entrar suavemente de -max a max, detenerse, salir suavemente de max a -max.
En un circuito simple con una resistencia, tanto el voltaje como la corriente irían juntos.
Si introduzco un capacitor, con la capacidad de almacenar las cargas... "roba" la corriente por un tiempo, hasta que simplemente deja de "robar" (= está lleno). Eso haría que la corriente desapareciera o se detuviera en algún punto, pero aparentemente no se relaciona con las ondas que se muestran arriba.
Si introduzco un inductor, con el comportamiento de detener el flujo de cargas hasta que se crea un campo magnético... "empuja hacia atrás" las cargas hasta que simplemente continúan. Eso haría que la corriente y el voltaje se sincronicen en algún momento, pero aparentemente no se relaciona con las ondas que se muestran arriba.
Si introduzco un condensador y un inductor, podría descomponerse para tener solo uno de ambos. El que es "más grande" gana. Y su comportamiento podría entenderse entendiendo los anteriores.
Esta es una pregunta amplia, pero creo que es la única forma en que puedo preguntar, ya que ese es el panorama general y no tiene sentido dividirlo en muchas preguntas pequeñas separadas.
Gracias por tu atención.
Fuente de la imagen : wikiwand.com
Respuestas (1)
Bob D.
En lugar de tratar de responder a cada uno de sus comentarios uno a la vez, intentaré darle una explicación matemática y física de las formas de onda. Si esta explicación no responde a un punto específico tuyo, házmelo saber mediante comentario(s).
CONDENSADOR :
Explicación matemática:
La relación básica entre corriente y voltaje para un capacitor es
En su diagrama, el voltaje es una onda sinusoidal. La derivada del seno es el coseno, que es su forma de onda actual.
Explicación física:
La ecuación anterior se puede reescribir:
Donde el voltaje inicial a través del capacitor es cero.
La relación entre voltaje, carga y capacitancia es
Dado que la corriente es la tasa de entrega de carga al capacitor, la integral nos dice que se necesita tiempo para entregar esa carga al capacitor, lo que a su vez significa que se necesita tiempo para que se acumule voltaje en el capacitor. Por lo tanto, se dice que no puede cambiar el voltaje a través de un capacitor ideal instantáneamente (es decir, en tiempo cero). Entonces, aunque inicialmente tenemos corriente en t=0, no tenemos voltaje en t=0.
A medida que pasa el tiempo, el voltaje se acumula en el capacitor. Cuando lo hace, reduce la corriente entregada por la fuente. Es por eso que la corriente disminuye mientras que el voltaje a través del capacitor aumenta. Cuando el voltaje alcanza un máximo, la corriente es cero. Ahora la corriente cambia de dirección, lo que significa que ahora sale carga del capacitor. Eso reduce el voltaje a través del capacitor. Cuando el voltaje es cero, la corriente es un valor máximo negativo.
INDUCTOR :
Explicación matemática:
La relación básica entre corriente y voltaje para un inductor es
En su diagrama, la corriente es un coseno. La derivada del coseno es el seno menos, que es su forma de onda de voltaje.
Explicación física:
La ecuación anterior se puede reescribir:
Donde la corriente inicial en el inductor es cero.
La integral nos dice que toma tiempo para que la corriente cambie en un inductor, o dicho de otro modo, no puedes cambiar la corriente en un inductor ideal instantáneamente (en tiempo cero). Por esta razón se dice que el voltaje adelanta a la corriente (o la corriente atrasa al voltaje) en un inductor. El voltaje (emf) inducido en un inductor resiste un cambio en la corriente. A medida que pasa el tiempo, la corriente aumenta y el voltaje disminuye. La corriente es máxima o mínima cuando la tensión es cero.
Espero que esto ayude.
Álvaro Franz
Bob D.
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