Voltaje

El voltaje , también conocido como presión eléctrica , tensión eléctrica o diferencia de potencial (eléctrico) , es la diferencia de potencial eléctrico en una línea que va de un punto a un segundo punto. En un campo eléctrico estático , corresponde al trabajo necesario por unidad de carga para mover una carga de prueba positiva desde el primer punto al segundo punto. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad derivada del voltaje es el voltio (V) . ^[1]

El voltaje entre puntos puede ser causado por la acumulación de carga eléctrica (p. ej., un condensador ) y por una fuerza electromotriz (p. ej., inducción electromagnética en un generador ). ^[2]^[3] A escala macroscópica, una diferencia de potencial puede ser causada por procesos electroquímicos (p. ej., pilas y baterías), el efecto piezoeléctrico inducido por la presión y el efecto termoeléctrico . Dado que es la diferencia de potencial eléctrico, es una cantidad física escalar .

Se puede utilizar un voltímetro para medir el voltaje entre dos puntos de un sistema. A menudo se utiliza como uno de los puntos un potencial de referencia común, como la tierra del sistema. Un voltaje puede representar una fuente de energía o la pérdida, disipación o almacenamiento de energía.

Definición

La unidad SI de trabajo por unidad de carga es el julio por culombio , donde 1 voltio = 1 julio (de trabajo) por 1 culombio de carga. La antigua definición SI para voltio usaba potencia y corriente ; a partir de 1990, se utilizaron el efecto cuántico Hall y Josephson , ^[4] y en 2019 se dieron valores definidos a las constantes físicas para la definición de todas las unidades SI.

El voltaje se denota simbólicamente por V simplificado , ^[5] especialmente en los países de habla inglesa . A nivel internacional, el símbolo U está estandarizado. ^[6] Se utiliza, por ejemplo, en el contexto de las leyes de circuitos de Ohm o Kirchhoff . $\Delta V$

El potencial electroquímico es el voltaje que se puede medir directamente con un voltímetro. El potencial de Galvani que existe en estructuras con uniones de materiales diferentes también es trabajo por carga, pero no se puede medir con un voltímetro en el circuito externo (ver § Potencial de Galvani versus potencial electroquímico).

El voltaje se define de modo que los objetos con carga negativa son atraídos hacia voltajes más altos, mientras que los objetos con carga positiva son atraídos hacia voltajes más bajos. Por lo tanto, la corriente convencional en un cable o resistencia siempre fluye de un voltaje más alto a un voltaje más bajo.

Históricamente, se ha hecho referencia al voltaje utilizando términos como "tensión" y "presión". Incluso hoy en día, el término "tensión" todavía se utiliza, por ejemplo, dentro de la frase " alta tensión " (HT), que se utiliza comúnmente en la electrónica basada en válvulas termoiónicas ( tubo de vacío ).

Electrostática

En electrostática , el aumento de voltaje de un punto a otro viene dado por el cambio de potencial electrostático de a . Por definición, ^[7]^{: 78} esto es: $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$ ${\textstyle V}$ $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$

{\begin{aligned}\Delta V_{AB}&=V(\mathbf {r} _{B})-V(\mathbf {r} _{A})\\&=-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}-\left(-\int _{\mathbf {r} _{0}}^{\mathbf {r} _{A}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\right)\\&=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}\end{aligned}}

¿Dónde está la intensidad del campo eléctrico? $\mathbf {E}$

En este caso, el aumento de voltaje del punto A al punto B es igual al trabajo realizado por unidad de carga, contra el campo eléctrico, para mover la carga de A a B sin causar ninguna aceleración. ^[7]^{: 90–91} Matemáticamente, esto se expresa como la integral de línea del campo eléctrico a lo largo de ese camino. En electrostática, esta integral de línea es independiente del camino tomado. ^[7]^{: 91}

Según esta definición, cualquier circuito donde haya campos magnéticos variables en el tiempo, como los circuitos de CA , no tendrá un voltaje bien definido entre los nodos del circuito, ya que la fuerza eléctrica no es una fuerza conservativa en esos casos. ^{[nota 1]} Sin embargo, a frecuencias más bajas, cuando los campos eléctricos y magnéticos no cambian rápidamente, esto puede despreciarse (ver aproximación electrostática ).

Electrodinámica

El potencial eléctrico se puede generalizar a la electrodinámica, de modo que las diferencias de potencial eléctrico entre puntos estén bien definidas incluso en presencia de campos variables en el tiempo. Sin embargo, a diferencia de la electrostática, el campo eléctrico ya no se puede expresar únicamente en términos de potencial eléctrico. ^[7]^{: 417} Además, el potencial ya no se determina de forma única hasta una constante y puede adoptar formas significativamente diferentes dependiendo del calibre elegido . ^{[nota 2]}^[7]^{: 419–422}

En este caso general, algunos autores ^[8] utilizan la palabra "voltaje" para referirse a la integral de línea del campo eléctrico, en lugar de diferencias de potencial eléctrico. En este caso, el aumento de voltaje a lo largo de algún camino desde a viene dado por: ${\mathcal {P}}$ $\mathbf {r} _{A}$ $\mathbf {r} _{B}$

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathcal {P}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}

Sin embargo, en este caso la "tensión" entre dos puntos depende del camino seguido.

Teoría de circuitos

En análisis de circuitos e ingeniería eléctrica , los modelos de elementos agrupados se utilizan para representar y analizar circuitos. Estos elementos son elementos de circuito idealizados y autónomos que se utilizan para modelar componentes físicos. ^[9]

Cuando se utiliza un modelo de elementos agrupados, se supone que los efectos de los campos magnéticos cambiantes producidos por el circuito están contenidos adecuadamente en cada elemento. ^[9] Bajo estos supuestos, el campo eléctrico en la región exterior a cada componente es conservador y los voltajes entre los nodos del circuito están bien definidos, donde ^[9]

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}

siempre y cuando el camino de integración no pase por el interior de ningún componente. Lo anterior es la misma fórmula utilizada en electrostática. Esta integral, con el camino de integración a lo largo de los cables de prueba, es lo que realmente medirá un voltímetro. ^[10]^{[nota 3]}

Si los campos magnéticos no contenidos a lo largo del circuito no son despreciables, entonces sus efectos pueden modelarse agregando elementos de inductancia mutua . Sin embargo, en el caso de un inductor físico, la representación agrupada ideal suele ser precisa. Esto se debe a que los campos externos de los inductores son generalmente insignificantes, especialmente si el inductor tiene una trayectoria magnética cerrada . Si los campos externos son insignificantes, encontramos que

\Delta V_{AB}=-\int _{\mathrm {exterior} }\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}=L{\frac {dI}{dt}}

es independiente de la ruta y hay un voltaje bien definido a través de los terminales del inductor. ^[11] Esta es la razón por la que las mediciones con un voltímetro a través de un inductor a menudo son razonablemente independientes de la ubicación de los cables de prueba.

Voltio

El voltio (símbolo: $V$ ) es la unidad derivada del potencial eléctrico , el voltaje y la fuerza electromotriz . El voltio lleva el nombre del físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), quien inventó la pila voltaica , posiblemente la primera batería química .

Analogía hidráulica

Una analogía simple para un circuito eléctrico es el agua que fluye en un circuito cerrado de tuberías , impulsada por una bomba mecánica . A esto se le puede llamar "circuito de agua". La diferencia de potencial entre dos puntos corresponde a la diferencia de presión entre dos puntos. Si la bomba crea una diferencia de presión entre dos puntos, entonces el agua que fluye de un punto al otro podrá realizar un trabajo, como impulsar una turbina . De manera similar, el trabajo puede realizarse mediante una corriente eléctrica impulsada por la diferencia de potencial proporcionada por una batería . Por ejemplo, el voltaje proporcionado por una batería de automóvil suficientemente cargada puede "impulsar" una gran corriente a través de los devanados del motor de arranque de un automóvil . Si la bomba no funciona, no produce diferencia de presión y la turbina no gira. Del mismo modo, si la batería del automóvil está muy débil o "agotada" (o "descargada"), entonces no hará girar el motor de arranque.

La analogía hidráulica es una forma útil de comprender muchos conceptos eléctricos. En tal sistema, el trabajo realizado para mover el agua es igual a la " caída de presión " (compárese con pd) multiplicada por el volumen de agua movida. De manera similar, en un circuito eléctrico, el trabajo realizado para mover electrones u otros portadores de carga es igual a la "diferencia de presión eléctrica" multiplicada por la cantidad de cargas eléctricas movidas. En relación al "flujo", cuanto mayor sea la "diferencia de presión" entre dos puntos (diferencia de potencial o diferencia de presión del agua), mayor será el flujo entre ellos (corriente eléctrica o flujo de agua). (Ver " energía eléctrica ".)

Aplicaciones

La especificación de una medición de voltaje requiere una especificación explícita o implícita de los puntos a través de los cuales se mide el voltaje. Cuando se utiliza un voltímetro para medir voltaje, se debe conectar un cable eléctrico del voltímetro al primer punto y el otro al segundo.

Un uso común del término "voltaje" es para describir la caída de voltaje en un dispositivo eléctrico (como una resistencia). La caída de voltaje en el dispositivo puede entenderse como la diferencia entre las mediciones en cada terminal del dispositivo con respecto a un punto de referencia común (o tierra ). La caída de voltaje es la diferencia entre las dos lecturas. Dos puntos de un circuito eléctrico que están conectados por un conductor ideal sin resistencia y no dentro de un campo magnético cambiante tienen un voltaje igual a cero. Dos puntos cualesquiera con el mismo potencial pueden estar conectados por un conductor y no fluirá corriente entre ellos.

Suma de voltajes

El voltaje entre A y C es la suma del voltaje entre A y B y el voltaje entre B y C. Los distintos voltajes en un circuito se pueden calcular utilizando las leyes de circuitos de Kirchhoff .

Cuando se habla de corriente alterna (CA) existe una diferencia entre voltaje instantáneo y voltaje promedio. Se pueden agregar voltajes instantáneos para corriente continua (CC) y CA, pero los voltajes promedio solo se pueden agregar de manera significativa cuando se aplican a señales que tienen la misma frecuencia y fase.

Instrumentos de medición

Multímetro configurado para medir voltaje.

Los instrumentos para medir voltajes incluyen el voltímetro , el potenciómetro y el osciloscopio . Los voltímetros analógicos , como los instrumentos de bobina móvil, funcionan midiendo la corriente a través de una resistencia fija que, según la ley de Ohm , es proporcional al voltaje a través de la resistencia. El potenciómetro funciona equilibrando el voltaje desconocido con un voltaje conocido en un circuito puente . El osciloscopio de rayos catódicos funciona amplificando el voltaje y usándolo para desviar un haz de electrones de una trayectoria recta, de modo que la desviación del haz sea proporcional al voltaje.

voltajes típicos

Un voltaje común para las baterías de linternas es de 1,5 voltios (CC). Un voltaje común para las baterías de automóviles es de 12 voltios (CC).

Los voltajes comunes suministrados por las compañías eléctricas a los consumidores son de 110 a 120 voltios (CA) y de 220 a 240 voltios (CA). El voltaje en las líneas de transmisión de energía eléctrica utilizadas para distribuir electricidad desde las centrales eléctricas puede ser varios cientos de veces mayor que los voltajes de los consumidores, típicamente de 110 a 1200 kV (CA).

La tensión utilizada en las líneas aéreas para alimentar locomotoras ferroviarias está entre 12 kV y 50 kV (AC) o entre 0,75 kV y 3 kV (DC).

Potencial galvani frente a potencial electroquímico

Dentro de un material conductor, la energía de un electrón se ve afectada no sólo por el potencial eléctrico promedio sino también por el entorno térmico y atómico específico en el que se encuentra. Cuando un voltímetro se conecta entre dos tipos diferentes de metal, no mide la electrostática diferencia de potencial, sino algo más que se ve afectado por la termodinámica. ^[12] La cantidad medida por un voltímetro es el negativo de la diferencia del potencial electroquímico de los electrones ( nivel de Fermi ) dividida por la carga del electrón y comúnmente denominada diferencia de voltaje, mientras que el potencial electrostático puro no ajustado (no medible con un voltímetro) a veces se llama potencial de Galvani . Los términos "voltaje" y "potencial eléctrico" son ambiguos porque, en la práctica, pueden referirse a cualquiera de ellos en contextos diferentes.

Historia

El término fuerza electromotriz fue utilizado por primera vez por Volta en una carta a Giovanni Aldini en 1798, y apareció por primera vez en un artículo publicado en 1801 en Annales de chimie et de physique . ^[13]^{: 408} Volta quiso decir con esto una fuerza que no era una fuerza electrostática , específicamente, una fuerza electroquímica . ^[13]^{: 405} El término fue retomado por Michael Faraday en relación con la inducción electromagnética en la década de 1820. Sin embargo, en este momento no se había desarrollado una definición clara de voltaje y un método para medirlo. ^[14]^{: 554} Volta distinguió la fuerza electromotriz (fem) de la tensión (diferencia de potencial): la diferencia de potencial observada en los terminales de una celda electroquímica cuando estaba en circuito abierto debe equilibrar exactamente la fem de la celda para que no fluya corriente. ^[13]^{: 405}

Ver también

Descarga eléctrica
Red eléctrica por país (lista de países con tensión y frecuencia de red)
Abra el circuito de voltaje
voltaje fantasma

Referencias

^ David B. Newell, Eite Tiesinga (agosto de 2019). El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (Reporte). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. pag. 31 . Consultado el 2 de enero de 2024 .
^ Demetrius T. Paris y F. Kenneth Hurd, Teoría electromagnética básica , McGraw-Hill, Nueva York 1969, ISBN 0-07-048470-8 , págs.512, 546
^ P. Hammond, Electromagnetismo para ingenieros , p. 135, Prensa de Pérgamo 1969 OCLC 854336.
^ David B. Newell, Eite Tiesinga (agosto de 2019). El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (Reporte). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. pag. 88 . Consultado el 2 de enero de 2024 .
^ IEV: potencial eléctrico Archivado el 28 de abril de 2021 en Wayback Machine.
^ IEV: voltaje Archivado el 3 de febrero de 2016 en la Wayback Machine.
^ ABCDE Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3ª ed.). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
^ Luna, parada; Spencer, Domina Eberle (2013). Fundamentos de la electrodinámica. Publicaciones de Dover. pag. 126.ISBN _ 978-0-486-49703-7. Archivado desde el original el 19 de marzo de 2022 . Consultado el 19 de noviembre de 2021 .
^ abc A. Agarwal y J. Lang (2007). «Materiales del curso 6.002 Circuitos y Electrónica» (PDF) . MIT OpenCourseWare . Archivado (PDF) desde el original el 9 de abril de 2016 . Consultado el 4 de diciembre de 2018 .
^ Bossavit, Alain (enero de 2008). "¿Qué miden los voltímetros?". COMPEL - Revista Internacional de Computación y Matemáticas en Ingeniería Eléctrica y Electrónica . 27 : 9–16. doi :10.1108/03321640810836582 - vía ResearchGate.
^ Feynman, Richard; Leighton, Robert B.; Arenas, Mateo. "Las conferencias Feynman sobre física Vol. II Capítulo 22: Circuitos de CA". Caltech . Consultado el 9 de octubre de 2021 .
^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Fundamentos de electroquímica. John Wiley e hijos. pag. 22.ISBN _ 978-0-471-70058-6.
^ abc Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Fuerza electromotriz: el concepto olvidado de Volta" Archivado el 16 de abril de 2021 en Wayback Machine , American Journal of Physics , vol. 48, edición. 5, págs. 405–408, mayo de 1980.
^ CJ Brockman, "El origen de la electricidad voltaica: la teoría del contacto frente a la química antes de que se desarrollara el concepto de EMF" Archivado el 17 de julio de 2022 en Wayback Machine , Journal of Chemical Education , vol. 5, núm. 5, págs. 549–555, mayo de 1928

Notas a pie de página

^ Esto se desprende de la ecuación de Maxwell-Faraday : si hay campos magnéticos cambiantes en alguna región simplemente conectada , entonces la curvatura del campo eléctrico en esa región es distinta de cero y, como resultado, el campo eléctrico no es conservador. Para obtener más información, consulte Fuerza conservadora § Descripción matemática . $\nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}$
↑ Por ejemplo, en el calibre de Lorenz , el potencial eléctrico es un potencial retardado , que se propaga a la velocidad de la luz ; mientras que en el calibre de Coulomb , el potencial cambia instantáneamente cuando cambia la distribución de carga de la fuente.
^ Esta afirmación hace algunas suposiciones sobre la naturaleza del voltímetro (éstas se analizan en el artículo citado). Una de estas suposiciones es que la corriente consumida por el voltímetro es insignificante.

enlaces externos

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Tensión eléctrica V, corriente I, resistividad R, impedancia Z, potencia P