CA o CC: ¿cuál es mejor?

Según cuenta la historia , la banda de rock AC/DC tomó su nombre de la etiqueta de una vieja máquina de coser en casa de los hermanos Young. Debió significar que la máquina podía funcionar con corriente alterna o continua. Hoy en día, todos los dispositivos electrónicos modernos de nuestros hogares funcionan únicamente con corriente continua (CC), incluso las lámparas, ahora que los LED han sustituido a las bombillas incandescentes.

Pero espera. La electricidad que sale de tu enchufe es corriente alterna . Esto significa que cada dispositivo necesita convertir la corriente alterna (CA) en corriente continua (CC), además de reducir el voltaje a los niveles mucho más bajos que se usan en los circuitos digitales. Así que te preguntarás: ¿no sería más lógico tener enchufes de CC en casa?

Esa es una gran pregunta, y de hecho, desató un gran debate en los inicios de la electrificación. Thomas Edison prefería los circuitos de CC, pero Nikola Tesla pensaba que los circuitos de CA eran la solución. Claramente, Tesla ganó la discusión. ¡Veamos por qué!

La electricidad es un flujo de electrones a través de un material conductor, como un cable metálico. Podemos imaginar la red eléctrica como un sistema de ríos y arroyos por los que fluye la corriente. En un río, una diferencia de elevación hace que el agua se desplace cuesta abajo; en una línea eléctrica, la fuerza que impulsa la corriente es el voltaje , una diferencia de energía potencial entre dos puntos de un circuito.

Esa analogía funciona para la corriente continua, de todos modos. Pero en la mayoría de las redes, la energía eléctrica se transmite con voltaje alterno. Esto significa que los polos negativo y positivo se intercambian, provocando que los electrones se muevan sin cesar hacia adelante y hacia atrás en lugar de viajar en un flujo continuo.

Como puedes imaginar, esto hace que la corriente alterna sea más complicada de manejar. Así que Edison tenía razón: la corriente continua es mucho más sencilla. De hecho, cualquiera puede construir un circuito de corriente continua. Solo necesitas una batería y un cable para conectar los electrodos positivo y negativo. Incluso puedes fabricar tu propia batería. Simplemente consigue dos metales diferentes, como zinc y cobre, y colócalos en los extremos opuestos de una patata. El ácido del jugo de patata reacciona de forma diferente con los dos metales, creando una pequeña cantidad de voltaje, suficiente para encender un pequeño LED. La corriente continua es fácil.

Por ejemplo, supongamos que quieres crear una tostadora de CC. Una tostadora es básicamente una caja con un cable en su interior que se calienta al circular corriente. Supongamos que esta tostadora requiere 1000 vatios de potencia. ¿Potencia? Esa es la tasa de energía ( E ) en función del tiempo ( t ). Por lo tanto, si aplicas 1 julio de energía a un cable en 1 segundo, eso sería 1 vatio de potencia ( P ).

Para la potencia eléctrica en particular, podemos calcularla como el producto de la corriente eléctrica ( I ) y el voltaje ( V ):

Con esto, podemos dibujar un diagrama de circuito de tostadora simple:

El alambre de nicromo dentro de la tostadora no es un buen conductor. Impide el flujo de corriente, lo que provoca su calentamiento. Por lo tanto, es básicamente un dispositivo para convertir energía eléctrica en energía térmica. En el diagrama anterior, R representa la resistencia, que se mide en ohmios.

Supongamos que nuestra fuente de alimentación de CC funciona a 10 voltios. Podemos usar esto para determinar el nivel de resistencia necesario para que nuestras tostadas queden bien tostadas. Existe una relación entre la corriente ( I ) y el voltaje ( V ) de una resistencia, llamada ley de Ohm, que nos da la siguiente expresión para la potencia:

Con 10 voltios, necesitamos una resistencia de 0,1 ohmios (que es minúscula) para obtener una potencia de 1000 vatios. Pero espera: no es solo el elemento calefactor interno el que crea resistencia en el circuito. El cable de alimentación que se enchufa a la pared también tiene resistencia. El cable de cobre dentro del cable es un buen conductor, pero la longitud del cable en sí aumenta la resistencia.

Para simplificar, imaginemos que el cable de alimentación también tiene una resistencia de 0,1 ohmios, por lo que la resistencia total del circuito es de 0,2 ohmios. Esto significa que obtendríamos una corriente eléctrica menor y la potencia de la tostadora sería de tan solo 250 vatios. Así quedará una tostada sin tostar.

Para solucionar esto, tenemos que aumentar el voltaje de la fuente de alimentación. Aumentemos la tensión a 100 voltios. En ese caso, nuestra tostadora podría tener 10 ohmios, así que el cable de alimentación de 0,1 ohmios no será tan importante. Bueno, no es un problema para un cable de alimentación de 90 cm en tu casa. Pero ¿qué pasa con las líneas de transmisión desde la central eléctrica hasta tu ciudad? Estas pueden tener más de 100 kilómetros de longitud.

Con cables mucho más largos, se obtiene mucha más resistencia, lo que significa que se calentarán y desperdiciarán energía. De nuevo, la solución es usar una fuente de mayor voltaje. ¿Recuerdas que P = IV ? Esto significa que puedes suministrar la misma potencia con un voltaje altísimo y una corriente bajísima.

Sí, resuelves un problema y solo creas otro. Supongamos que el enchufe de la pared es de 10,000 voltios de CC. Ah, pero quieres cargar tu teléfono y necesita 5 voltios de CC. ¿Cómo lo haces? Bueno, hay una manera de que funcione. Podrías conectar una resistencia grande en serie con tu teléfono y convertiría la energía eléctrica en calor. Pero, de nuevo, eso es simplemente desperdiciar energía.

¿Qué ocurre si cambiamos a corriente alterna? Recuerda que los circuitos de CA se crean intercambiando los polos positivo y negativo, por lo que el voltaje alterna entre un valor positivo y uno negativo (lo que significa que cambia la dirección del flujo de electrones). Aquí se muestra una gráfica del voltaje en función del tiempo para los dos tipos de corriente.

La fuente de CC tiene un voltaje constante, como se ve en la línea azul plana de arriba. La fuente de CA (roja) tiene un voltaje que oscila entre +10 y -10 voltios, y a veces es cero. En este ejemplo imaginario, se puede ver que el voltaje cambia ocho veces en medio segundo. El CA doméstico real varía, pero en EE. UU. el promedio es de unos 120 voltios (más y menos) con una frecuencia de 60 hercios.

Si conectamos nuestra tostadora a una toma de corriente alterna de 60 Hz, funcionará perfectamente. Como funciona simplemente calentando un cable, no importa si tiene corriente continua o alterna; se calienta de cualquier forma. Lo mismo ocurre con las bombillas incandescentes. De hecho, no se diferencian mucho de las tostadoras; simplemente, el fino cable de tungsteno de una bombilla se calienta tanto (hasta 2280 °C) que brilla y produce luz.

Con la CA, seguimos teniendo el mismo problema con las líneas eléctricas largas. Se necesita alto voltaje y baja corriente para no perder demasiada energía por los cables con corriente. Pero la CA tiene una ventaja: es fácil convertir ese alto voltaje en uno bajo. Esto es posible gracias a la naturaleza oscilante de la corriente y a la ley de inducción de Faraday.

La ley de Faraday dice que si se modifica la intensidad de un campo magnético dentro de una espira de alambre, se produce una corriente eléctrica. En el vídeo de abajo, se puede ver que al introducir un imán potente en una bobina de alambre o extraerlo, el nivel de corriente (medido en amperios) aumenta bruscamente.

También puedes hacerlo sin imán si usas dos bobinas de alambre. En el video a continuación, conecto y desconecto una pequeña pila de botón a una bobina primaria. (No se ven las bobinas, pero están dentro del pequeño recuadro gris en primer plano).

La bobina secundaria no está conectada a ninguna fuente de alimentación. Pero la corriente variable en la bobina primaria crea un campo magnético variable que induce una corriente en la bobina secundaria. Incluso con esta pequeña batería, pueden ver que obtengo una gran corriente inducida. Compruébenlo:

¡Pero eso no es todo! Podemos cambiar el voltaje inducido en la segunda bobina modificando la relación del número de espiras en cada bobina. Si la bobina inducida tiene 100 espiras y la bobina primaria tiene 1000, el voltaje inducido será 100/1000, o 0,1 veces el voltaje de entrada. Si se invierte el cálculo, se puede obtener un voltaje de salida 10 veces el voltaje de entrada.

A esto lo llamamos transformador (porque transforma el voltaje). Son bastante importantes. Así se ve uno pequeño por dentro:

Este es uno de esos bloques de alimentación que todos tus dispositivos usan para enchufarse a un enchufe. Las dos bobinas están una al lado de la otra, y puedes ver que la de la derecha tiene más vueltas que la de la izquierda. Por lo tanto, si tienes una entrada de CA de 120 voltios, la salida será menor (en este caso, 12 voltios). Hay otro componente que convierte esa CA de menor voltaje en una salida de CC; se llama rectificador de voltaje.

Para que quede claro, no se puede usar un transformador de CA con un circuito de CC. Es decir, técnicamente es posible tomar una entrada de CC, convertirla a CA y luego transformarla, pero ¿para qué hacer tanto si se puede suministrar CA a las casas? Eso es precisamente lo que hacemos. Cuando ves esas gigantescas líneas de transmisión de alto voltaje, son circuitos de CA de altísimo voltaje.

Así es como funciona. Tienes una central eléctrica que funciona con combustibles fósiles, hidroeléctrica o lo que sea. Necesitas convertirla en una salida de CA y luego aumentar el voltaje a algo así como 100.000 voltios. Esto significa que puedes enviarla por las líneas eléctricas largas con una corriente muy baja, por lo que no hay mucha pérdida de energía.

Cuando una línea eléctrica llega a un pueblo, pasa por una subestación. Esta es básicamente otro transformador gigante que reduce el voltaje de CA a un valor más manejable, como 10,000 voltios. Finalmente, la corriente pasa por otro transformador para alcanzar los 240 voltios de CA que entran en tu casa. Los electrodomésticos grandes, como las secadoras de ropa, utilizan los 240 V, y en los enchufes, esa corriente se reduce a la mitad para obtener 120 V.

Pero nada de esto sería posible con corriente continua (CC). Simplemente no sería práctico. ¡La CA es lo máximo!