Voltio

El voltio (símbolo: V ) es la unidad de potencial eléctrico , diferencia de potencial eléctrico ( voltaje ) y fuerza electromotriz en el Sistema Internacional de Unidades (SI) . ^[1]

Definición

Un voltio se define como el potencial eléctrico entre dos puntos de un cable conductor cuando una corriente eléctrica de un amperio disipa un vatio de potencia entre esos puntos. ^[2] De manera equivalente, es la diferencia de potencial entre dos puntos la que impartirá un julio de energía por culombio de carga que lo atraviese. Se puede expresar en términos de unidades básicas del SI ( m , kg , s y A ) como

{\text{V}}={\frac {\text{energía potencial}}{\text{carga}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}= {\frac {{\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{-2}}{{\text{A} }{\cdot }{\text{s}}}}={\text{kg}}{\cdot }{\text{m}}^{2}{\cdot }{\text{s}}^{ -3}{\cdot }{{\text{A}}^{-1}}.

También se puede expresar como amperios por ohmios (corriente por resistencia, ley de Ohm ), webers por segundo (flujo magnético por tiempo), vatios por amperio (potencia por corriente) o julios por culombio (energía por carga), que también es equivalente a electronvoltios por carga elemental :

{\text{V}}={\text{A}}{\cdot }\Omega ={\frac {\text{Wb}}{\text{s}}}={\frac {\text {W}}{\text{A}}}={\frac {\text{J}}{\text{C}}}={\frac {\text{eV}}{e}}.

El voltio lleva el nombre de Alessandro Volta . Como ocurre con cada unidad SI que lleva el nombre de una persona, su símbolo comienza con una letra mayúscula (V), pero cuando se escribe completo, sigue las reglas de uso de mayúsculas de un sustantivo común ; es decir, voltio se escribe con mayúscula al principio de una oración y en los títulos, pero por lo demás se escribe con minúscula.

Definición del cruce de Josephson

Históricamente, el voltio " convencional ", V ₉₀ , definido en 1987 por la 18.ª Conferencia General de Pesos y Medidas ^[3] y en uso desde 1990 hasta 2019, se implementó utilizando el efecto Josephson para la conversión exacta de frecuencia a voltaje, combinado con el patrón de frecuencia de cesio . Aunque el efecto Josephson todavía se utiliza para calcular un voltio, la constante utilizada ha cambiado ligeramente.

Para la constante de Josephson , K _J = 2 e / h (donde e es la carga elemental y h es la constante de Planck ), se utilizó un valor "convencional" K _J-90 = 0,4835979 GHz/μV con el fin de definir el voltio. . Como consecuencia de la redefinición de las unidades básicas del SI de 2019 , a partir de 2019 la constante de Josephson tiene un valor exacto de $K J$ =483 597 ,848 416 98 ... GHz/V , que sustituyó al valor convencional K _J-90 .

Este estándar generalmente se implementa utilizando una matriz conectada en serie de varios miles o decenas de miles de uniones , excitadas por señales de microondas entre 10 y 80 GHz (según el diseño de la matriz). ^[4] Empíricamente, varios experimentos han demostrado que el método es independiente del diseño del dispositivo, el material, la configuración de medición, etc., y no se requieren términos de corrección en una implementación práctica. ^[5]

Analogía del flujo de agua

En la analogía del flujo de agua , a veces utilizada para explicar los circuitos eléctricos comparándolos con tuberías llenas de agua, el voltaje (diferencia de potencial eléctrico) se compara con la diferencia en la presión del agua , mientras que la corriente es proporcional a la cantidad de agua que fluye. Una resistencia sería un diámetro reducido en algún lugar de la tubería o algo parecido a un radiador que ofrece resistencia al flujo.

La relación entre voltaje y corriente está definida (en dispositivos óhmicos como resistencias ) por la ley de Ohm . La ley de Ohm es análoga a la ecuación de Hagen-Poiseuille , ya que ambos son modelos lineales que relacionan flujo y potencial en sus respectivos sistemas.

voltajes comunes

El voltaje producido por cada celda electroquímica de una batería está determinado por la química de esa celda (consulte Celda galvánica § Voltaje de celda ). Las celdas se pueden combinar en serie para múltiplos de ese voltaje, o agregar circuitos adicionales para ajustar el voltaje a un nivel diferente. Los generadores mecánicos generalmente se pueden construir con cualquier voltaje dentro de un rango de viabilidad.

Tensiones nominales de fuentes familiares:

Potencial de reposo de las células nerviosas : ~75 mV ^[6]
Batería recargable de NiMH ^[7] o NiCd de una sola celda : 1,2 V
De una sola celda, no recargable (por ejemplo, pilas AAA, AA, C y D ): batería alcalina : 1,5 V; ^[8] batería de zinc-carbono : 1,56 V si está nueva y no se utiliza
Niveles de voltaje lógico : 1,2 V, 1,5 V, 1,8 V, 2,5 V, 3,3 V, 5,0 V
Batería recargable LiFePO _{4 : 3,3 V}
Batería recargable de polímero de litio a base de cobalto : 3,75 V (ver Comparación de tipos de baterías comerciales )
Lógica transistor-transistor / Alimentación CMOS (TTL): 5 V
USB : 5 V CC
Batería PP3 : 9 V.
Los sistemas de baterías de automóviles tienen 2,1 voltios por celda; una batería de "12 V" tiene 6 celdas o 12,6 V; una batería de "24 V" tiene 12 celdas, o 25,2 V. Algunos vehículos antiguos usan baterías de "6 V" y 3 celdas, o 6,3 voltios.
Red doméstica de electricidad AC: (ver Lista de países con enchufes, voltajes y frecuencias de red eléctrica )
- 100 V en Japón,
- 120 V en América del Norte,
- 230 V en Europa, Asia, África y Australia
Tercer carril de tránsito rápido : 600–750 V (ver Lista de sistemas de electrificación ferroviaria )
Líneas eléctricas aéreas de trenes de alta velocidad: 25 kV a 50 Hz , pero ver Lista de sistemas de electrificación ferroviaria y 25 kV a 60 Hz para excepciones.
Líneas de transmisión de energía eléctrica de alto voltaje : 110 kV en adelante (1,15 MV es el récord; el voltaje activo más alto es 1,10 MV ^[9] )
Rayo : un máximo de unos 150 MV. ^[10]

Historia

En 1800, como resultado de un desacuerdo profesional sobre la respuesta galvánica defendida por Luigi Galvani , Alessandro Volta desarrolló la llamada pila voltaica , precursora de la batería , que producía una corriente eléctrica constante . Volta había determinado que el par de metales diferentes más eficaz para producir electricidad era el zinc y la plata . En 1861, Latimer Clark y Sir Charles Bright acuñaron el nombre "voltio" para la unidad de resistencia. ^[11] En 1873, la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia había definido el voltio, el ohmio y el faradio. ^[12] En 1881, el Congreso Eléctrico Internacional, ahora Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), aprobó el voltio como unidad de fuerza electromotriz. ^[13] Hicieron que el voltio fuera igual a 10 ⁸ unidades de voltaje cgs , siendo el sistema cgs en ese momento el sistema de unidades habitual en la ciencia. Eligieron esta relación porque la unidad de voltaje cgs es inconvenientemente pequeña y un voltio en esta definición es aproximadamente la fem de una celda Daniell , la fuente estándar de voltaje en los sistemas telegráficos de la época. ^[14] En ese momento, el voltio se definía como la diferencia de potencial [es decir, lo que hoy en día se llama "voltaje (diferencia)"] a través de un conductor cuando una corriente de un amperio disipa un vatio de potencia.

El "voltio internacional" se definió en 1893 como 1/1,434 de la fem de una celda de Clark . Esta definición se abandonó en 1908 en favor de una definición basada en el ohmio internacional y el amperio internacional hasta que se abandonó todo el conjunto de "unidades reproducibles" en 1948. ^[15]

El 20 de mayo de 2019 entró en vigor una redefinición de las unidades básicas del SI , incluida la definición del valor de la carga elemental ^.

Ver también

Referencias

^ "Folleto de SI, Tabla 3 (Sección 2.2.2)". BIPM. 2006. Archivado desde el original el 18 de junio de 2007 . Consultado el 29 de julio de 2007 .
^ Folleto de BIPM SI: Apéndice 1, p. 144.
^ "Resoluciones de la CGPM: 18ª reunión (12 a 15 de octubre de 1987)".
^ Burroughs, Charles J.; Doblado, Samuel P.; Harvey, Todd E.; Hamilton, Clark A. (1 de junio de 1999), "Estándar de voltaje Josephson programable de 1 voltio CC", Transacciones IEEE sobre superconductividad aplicada , Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE), 9 (3): 4145–4149, Bibcode : 1999ITAS....9.4145B, doi :10.1109/77.783938, ISSN 1051-8223, S2CID 12970127
^ Keller, Mark W. (18 de enero de 2008), "Estado actual del triángulo de metrología cuántica" (PDF) , Metrologia , 45 (1): 102–109, Bibcode : 2008Metro..45..102K, doi : 10.1088/0026-1394/45/1/014, ISSN 0026-1394, S2CID 122008182, archivado desde el original (PDF) el 27 de mayo de 2010 , consultado el 11 de abril de 2010. En teoría, no hay predicciones actuales para ningún términos de corrección. Empíricamente, varios experimentos han demostrado que K _J y R _K son independientes del diseño del dispositivo, el material, la configuración de medición, etc. Esta demostración de universalidad es consistente con la exactitud de las relaciones, pero no lo prueba rotundamente.
^ Bullock, Orkand y Grinnell, págs. 150-151; Junge, págs. 89–90; Schmidt-Nielsen, pág. 484.
^ Horowitz, Pablo; Winfield, colina (2015). El arte de la electrónica (3. ed.). Cambridge [ua]: Universidad de Cambridge. Prensa. pag. 689.ISBN _ 978-0-521-809269.
^ SK Baño; Keith Keller (agosto de 2004). "Características de descarga de la batería de una sola celda utilizando el convertidor Boost TPS61070" (PDF) . Instrumentos Texas. Archivado (PDF) desde el original el 15 de octubre de 2023.
^ "La línea de voltaje ultraalto más grande del mundo se enciende en toda China" . Bloomberg . 1 de enero de 2019 . Consultado el 7 de enero de 2020 .
^ Paul H. Risk (26 de junio de 2013). "Relámpago - Naturaleza de alto voltaje". RiesgoVA .
^
Como nombres para unidades de diversas cantidades eléctricas, Bright y Clark sugirieron "ohma" para voltaje, "faradio" para carga, "galvat" para corriente y "voltio" para resistencia. Ver:
- Latimer Clark y Sir Charles Bright (1861) "Sobre la formación de estándares de cantidad y resistencia eléctrica", Informe de la trigésima primera reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (Manchester, Inglaterra: septiembre de 1861), sección: Matemáticas y Física, págs. 37-38.
- Latimer Clark y Sir Charles Bright (9 de noviembre de 1861) "Medición de cantidades y resistencia eléctricas", The Electrician , 1 (1): 3–4.
^ Señor W. Thomson, et al. (1873) "Primer informe del Comité para la Selección y Nomenclatura de Unidades Dinámicas y Eléctricas", Informe de la 43ª Reunión de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia (Bradford, septiembre de 1873), págs. De la pág. 223: "El "ohmio", representado por la bobina estándar original, es aproximadamente 10 ⁹ unidades CGS de resistencia; el "voltio" es aproximadamente 10 ⁸ unidades CGS de fuerza electromotriz; y el "faradio" es aproximadamente 1/10 ⁹ de la unidad de capacidad CGS."
^ (Anón.) (24 de septiembre de 1881) "El Congreso Eléctrico", El Electricista , 7 : 297.
^ Hamer, Walter J. (15 de enero de 1965). Celdas estándar: su construcción, mantenimiento y características (PDF) . Monografía n.º 84 de la Oficina Nacional de Normas. Oficina Nacional de Estándares de EE. UU.
^ "Valores revisados para unidades eléctricas" (PDF) . Registro de los Laboratorios Bell . XXV (12): 441. Diciembre de 1947.
^ Proyecto de Resolución A "Sobre la revisión del Sistema Internacional de unidades (SI)" que se presentará a la CGPM en su 26ª reunión (2018) (PDF) , archivado desde el original (PDF) el 29 de abril de 2018 , recuperado 2018-11-02

enlaces externos

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Historia de las unidades eléctricas.