Guía didáctica del módulo

Comportamiento de R, L, C en corriente alterna: Guía didáctica para el docente

Guía para el uso didáctico del simulador AC Behaviour (R, L, C) para explicar en clase el desfase entre tensión y corriente en componentes reactivos, la impedancia, los fasores rotativos y la resonancia en un circuito RLC serie. Modos Basic y Advanced para centros técnicos de secundaria, especialidades electrotécnica y electrónica.

Módulo: AC Behaviour (R, L, C) · Modo Basic / Advanced · Osciloscopio + diagrama fasorial

Fenómeno físico

En corriente alterna sinusoidal, tensión y corriente ya no están ligadas por una simple proporcionalidad como en continua. Cada componente pasivo introduce un desfase característico entre $v (t)$ e $i (t)$ :

Resistencia pura (R): $i (t)$ en fase con $v (t)$ , $φ = 0°$ .
Inductancia pura (L): $i (t)$ se retrasa $90°$ respecto a $v (t)$ .
Condensador puro (C): $i (t)$ se adelanta $90°$ respecto a $v (t)$ .

Se introduce el concepto de impedancia $Z$ , generalización de la resistencia al régimen sinusoidal:

$Z_{R} = R, Z_{L} = j ω L, Z_{C} = \frac{1}{j ω C}$

donde $ω = 2 π f$ es la pulsación. El módulo $∣ Z ∣$ establece la relación entre amplitudes, el argumento $φ$ establece el desfase.

En un circuito RLC serie, la impedancia total es $Z = R + j (ω L - 1/ ω C)$ , y se produce la resonancia cuando $ω L = 1/ ω C$ , es decir $f_{0} = \frac{1}{2 π L C}$ : la parte reactiva se anula, $Z = R$ y la corriente es máxima.

Los fasores son vectores rotativos que representan magnitudes sinusoidales: la longitud es el valor de pico, el ángulo la fase inicial. Son el lenguaje estándar de la electrotecnia AC.

Conceptos clave

Desfase $φ$ : la "firma" eléctrica de cada componente en AC.
Reactancia: la oposición "no disipativa" al paso de la corriente, dependiente de la frecuencia ( $X_{L} = ω L$ , $X_{C} = 1/ ω C$ ).
Impedancia $Z$ : generaliza la resistencia, es un número complejo (módulo + fase).
Valor eficaz (RMS): para una sinusoide pura $V_{R M S} = V_{p e ak} / 2$ . Es la magnitud que se lee en el multímetro.
Resonancia RLC: frecuencia a la cual el circuito se comporta como puramente resistivo.
Fasor vs sinusoide: dos lenguajes para la misma realidad: la sinusoide es la "proyección temporal" del fasor rotativo.

Cómo usarlo en el aula

Apertura: modo Basic. Seleccionar el componente R: V e I son sinusoides superpuestas, en fase. Pasar a L: la corriente "se queda atrás" un cuarto de periodo. Después C: la corriente "se adelanta". Hacer verbalizar a los alumnos lo que ven antes de escribir $φ = \pm 90°$ en la pizarra. Es el momento en que las tres reglas entran de manera intuitiva.

Desarrollo: paso a Advanced. En modo Advanced aparecen los fasores junto al osciloscopio. Pulsar la pestaña PHASORS en el panel visual. Mostrar que el fasor de la corriente forma un ángulo de $- 90°$ (inductivo) o $+ 90°$ (capacitivo) respecto al de la tensión. Explicar que fasor y sinusoide representan la misma magnitud en dos lenguajes: temporal (sinusoide) y geométrico (fasor).

Profundización: dependencia de la frecuencia. Variar la frecuencia: con una inductancia la amplitud de la corriente disminuye al aumentar $f$ (porque $X_{L}$ crece). Con un condensador ocurre lo contrario. Es una demostración visual directa que conduce naturalmente al concepto de filtro: se puede anticipar una referencia al módulo Filters.

Cierre: resonancia RLC. Seleccionar el circuito RLC serie y variar la frecuencia hasta encontrar el punto en que los fasores de V e I están alineados: es la resonancia. Las amplitudes alcanzan el máximo. Pedir el cálculo de $f_{0} = 1/ (2 π L C)$ a partir de los valores configurados y verificar la coincidencia.

Ejemplos reales

Distribución eléctrica. Las redes eléctricas operan en AC (50 Hz en Europa) para permitir la transformación de tensión mediante transformadores, imposible en continua.
Motores asíncronos. Funcionan aprovechando el desfase de las corrientes sinusoidales para generar un campo magnético rotativo. El comportamiento inductivo del motor es la principal causa del bajo factor de potencia en cargas industriales.
Sintonización de radio. Un circuito RLC paralelo se "sintoniza" a la frecuencia deseada ajustando $L$ o $C$ , es el principio del mando de una radio analógica.
Fuentes conmutadas. Aprovechan inductancias y condensadores a frecuencias de conmutación de cientos de kHz para transferir energía de manera eficiente.
Compensación capacitiva. Bancos de condensadores se instalan en cuadros industriales para compensar el desfase inductivo de los motores (puente natural hacia el módulo Power Factor).

Preguntas guía para la clase

Con una sola resistencia, V e I están en fase. ¿Qué significa "en fase" gráficamente, y por qué en AC es una propiedad notable?
¿Qué pasa con la reactancia de una inductancia si duplico la frecuencia? ¿Y con la de un condensador?
En la resonancia RLC serie, ¿por qué la corriente es máxima a pesar de que están presentes L y C que "bloquean" la corriente?
Un multímetro muestra 230 V en una toma de casa, pero el valor de pico de la tensión es de unos 325 V. ¿Por qué?
¿Por qué la red eléctrica usa corriente alterna y no continua, aunque nuestros dispositivos funcionen en DC?

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