Voltaje

El voltaje , también conocido como diferencia de potencial (eléctrico) , presión eléctrica o tensión eléctrica , es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. ^[1]^[2] En un campo eléctrico estático , corresponde al trabajo necesario por unidad de carga para mover una carga de prueba positiva del primer punto al segundo punto. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad derivada para el voltaje es el voltio (V) . ^[3]^[4]^[5]

El voltaje entre puntos puede ser causado por la acumulación de carga eléctrica (por ejemplo, un condensador ) y por una fuerza electromotriz (por ejemplo, inducción electromagnética en un generador ). ^[6]^[7] A escala macroscópica, una diferencia de potencial puede ser causada por procesos electroquímicos (por ejemplo, celdas y baterías), el efecto piezoeléctrico inducido por presión y el efecto termoeléctrico . Dado que es la diferencia de potencial eléctrico, es una cantidad escalar física . ^[8]

Se puede utilizar un voltímetro para medir el voltaje entre dos puntos de un sistema. ^[9] A menudo, se utiliza un potencial de referencia común, como la tierra del sistema, como uno de los puntos. En este caso, el voltaje se menciona a menudo en un punto sin mencionar completamente el otro punto de medición. Un voltaje puede estar asociado con una fuente de energía o con 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. ^{[ cita requerida ]} La antigua definición SI de voltio usaba potencia y corriente ; a partir de 1990, se utilizaron el efecto Hall y Josephson cuántico, ^[10] y en 2019 se les dieron valores definidos a las constantes físicas para la definición de todas las unidades SI.

El voltaje se denota simbólicamente por , simplificado V , ^[11] especialmente en los países de habla inglesa . A nivel internacional, el símbolo U está estandarizado. ^[12] 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. ^[13]^[14] 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 vs. 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. ^[15]^[16] Por lo tanto, la corriente convencional en un cable o resistencia siempre fluye desde 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 ( tubos de vacío ) y en la electrónica automotriz.

Electrostática

En electrostática , el aumento de voltaje de un punto a otro se da por el cambio en el potencial electrostático de a . Por definición, ^[17]^{: 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}}

donde es 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. ^[17]^{: 90–91} Matemáticamente, esto se expresa como la integral de línea del campo eléctrico a lo largo de esa trayectoria. En electrostática, esta integral de línea es independiente de la trayectoria tomada. ^[17]^{: 91}

Según esta definición, cualquier circuito donde haya campos magnéticos que varíen 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 se puede descuidar (véase aproximación electrostática ).

Electrodinámica

El potencial eléctrico se puede generalizar a la electrodinámica, de modo que las diferencias de potencial eléctrico entre puntos están bien definidas incluso en presencia de campos que varían con el tiempo. Sin embargo, a diferencia de la electrostática, el campo eléctrico ya no se puede expresar solo en términos del potencial eléctrico. ^[17]^{: 417} Además, el potencial ya no se determina de forma única hasta una constante, y puede adoptar formas significativamente diferentes según la elección del calibre . ^{[nota 2]}^[17]^{: 419–422}

En este caso general, algunos autores ^[18] utilizan la palabra "voltaje" para referirse a la integral de línea del campo eléctrico, en lugar de a diferencias de potencial eléctrico. En este caso, el aumento de voltaje a lo largo de un 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 el "voltaje" entre dos puntos depende del camino tomado.

Teoría de circuitos

En el análisis de circuitos y la ingeniería eléctrica , se utilizan modelos de elementos concentrados para representar y analizar circuitos. Estos elementos son elementos de circuito idealizados y autónomos que se utilizan para modelar componentes físicos. ^[19]

Cuando se utiliza un modelo de elementos concentrados, se supone que los efectos de los campos magnéticos cambiantes producidos por el circuito están contenidos adecuadamente en cada elemento. ^[19] 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 ^[19]

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

siempre que el camino de integración no pase por el interior de ningún componente. La fórmula anterior es la misma que se utiliza en electrostática. Esta integral, con el camino de integración a lo largo de los cables de prueba, es lo que realmente medirá un voltímetro. ^[20]^{[nota 3]}

Si los campos magnéticos no contenidos en todo el circuito no son despreciables, entonces sus efectos se pueden modelar añadiendo elementos de inductancia mutua . Sin embargo, en el caso de un inductor físico, la representación concentrada ideal suele ser precisa. Esto se debe a que los campos externos de los inductores son generalmente despreciables, especialmente si el inductor tiene un camino magnético cerrado . Si los campos externos son despreciables, encontramos que

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

es independiente de la trayectoria y hay un voltaje bien definido a través de los terminales del inductor. ^[21] 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 de potencial eléctrico , voltaje y fuerza electromotriz . ^[22]^[23] El voltio recibe su nombre en honor al físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), quien inventó la pila voltaica , posiblemente la primera batería química .

Analogía hidráulica

Una analogía sencilla para un circuito eléctrico es el agua que fluye en un circuito cerrado de tuberías , impulsada por una bomba mecánica . ^{[ cita requerida ]} Esto puede llamarse un "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 ser realizado por 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 "empujar" una gran corriente a través de los devanados del motor de arranque de un automóvil . Si la bomba no está funcionando, no produce ninguna diferencia de presión y la turbina no girará. Del mismo modo, si la batería del automóvil está muy débil o "muerta" (o "plana"), entonces no hará girar el motor de arranque.

La analogía hidráulica es una forma útil de entender muchos conceptos eléctricos. En un sistema de este tipo, 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 con el "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). (Véase " potencia eléctrica ").

Aplicaciones

Para especificar una medición de voltaje es necesario especificar explícita o implícitamente los puntos en los que se mide el voltaje. Cuando se utiliza un voltímetro para medir el voltaje, un cable eléctrico del voltímetro debe estar conectado al primer punto y otro al segundo.

Un uso común del término "voltaje" es para describir el voltaje que cae a través de un dispositivo eléctrico (como una resistencia). La caída de voltaje a través del 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 en un circuito eléctrico que están conectados por un conductor ideal sin resistencia y no dentro de un campo magnético cambiante tienen un voltaje de cero. Dos puntos cualesquiera con el mismo potencial pueden estar conectados por un conductor y no fluirá corriente entre ellos.

Adición 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. Los voltajes instantáneos se pueden sumar para corriente continua (CC) y CA, pero los voltajes promedio se pueden sumar de manera significativa solo cuando se aplican a señales que tienen todas la misma frecuencia y fase.

Instrumentos de medida

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 de 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

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

Los voltajes comunes que suministran 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 que se utilizan para distribuir electricidad desde las centrales eléctricas puede ser varios cientos de veces mayor que el voltaje de los consumidores, normalmente de 110 a 1200 kV (CA).

El voltaje utilizado en las líneas aéreas para alimentar las locomotoras ferroviarias está entre 12 kV y 50 kV (CA) o entre 0,75 kV y 3 kV (CC).

Potencial galvanico vs. potencial electroquimico

Dentro de un material conductor, la energía de un electrón se ve afectada no solo por el potencial eléctrico promedio sino también por el entorno térmico y atómico específico en el que se encuentra. Cuando se conecta un voltímetro entre dos tipos diferentes de metal, no mide la diferencia de potencial electrostático, sino algo más que se ve afectado por la termodinámica. ^[24] La cantidad medida por un voltímetro es el negativo de la diferencia del potencial electroquímico de los electrones ( nivel de Fermi ) dividido por la carga del electrón y comúnmente se denomina diferencia de voltaje, mientras que el potencial electrostático puro sin ajustar (no medible con un voltímetro) a veces se denomina potencial de Galvani . Los términos "voltaje" y "potencial eléctrico" son ambiguos en el sentido de que, en la práctica, pueden referirse a cualquiera de estos en diferentes contextos.

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 . ^[25]^{: 408} Volta quiso decir con esto una fuerza que no era una fuerza electrostática , específicamente, una fuerza electroquímica . ^[25]^{: 405} El término fue retomado por Michael Faraday en relación con la inducción electromagnética en la década de 1820. Sin embargo, en ese momento no se había desarrollado una definición clara de voltaje y un método para medirlo. ^[26]^{: 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 fluyera corriente. ^[25]^{: 405}

Véase también

Descarga eléctrica
Red eléctrica por país (lista de países con voltaje y frecuencia de red)
Voltaje de circuito abierto
Voltaje fantasma

Referencias

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Notas al pie

^ Esto se desprende de la ecuación de Maxwell-Faraday : si hay campos magnéticos cambiantes en alguna región simplemente conexa , entonces el rotacional del campo eléctrico en esa región no es cero y, como resultado, el campo eléctrico no es conservativo. Para más información, consulte Fuerza conservativa § 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 (que se analizan en el artículo citado). Una de estas suposiciones es que la corriente que consume el voltímetro es insignificante.

Enlaces externos

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