Voltaje

Voltaje, también conocido como presión eléctrica, tensión eléctrica o diferencia de potencial (eléctrico), es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. En un campo eléctrico estático, corresponde al trabajo necesario por unidad de carga para mover una carga de prueba entre dos puntos. En el Sistema Internacional de Unidades, la unidad derivada de voltaje se llama voltio.

El voltaje entre puntos puede ser causado por la acumulación de carga eléctrica (p. ej., un capacitor) y por una fuerza electromotriz (p. ej., inducción electromagnética en generadores, inductores y transformadores). En una 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.

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

Definición

En unidades SI, el trabajo por unidad se expresa como joules por coulomb, donde 1 volt = 1 joule (de trabajo) por 1 coulomb (de pago). La vieja definición SI para volt potencia utilizada y corriente; a partir de 1990, se utilizó el efecto cuántico Hall y Josephson, y recientemente (2019) se han introducido constantes físicas fundamentales para la definición de todas las unidades SI y unidades derivadas. La diferencia de tensión se denota simbólicamente por Δ Δ V{displaystyle Delta V}, simplificado V, especialmente en países de habla inglesa, o por U internacionalmente, por ejemplo en el contexto de las leyes del circuito de Ohm o Kirchhoff.

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 frente a potencial electroquímico).

El voltaje se define de modo que los objetos cargados negativamente sean atraídos hacia voltajes más altos, mientras que los objetos cargados positivamente sean atraídos hacia voltajes más bajos. Por lo tanto, la corriente convencional en un alambre o resistencia siempre fluye de un voltaje más alto a un voltaje más bajo.

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

Definición en electrostática

El campo eléctrico alrededor de la varilla ejerce una fuerza en la bola de pito cargada, en un electroscopio

En un campo estático, el trabajo es independiente del camino

En electrostáticos, el voltaje aumenta desde el punto rA{displaystyle mathbf {r} ¿Qué? a algún punto rB{displaystyle mathbf {r} ¿Qué? es dado por el cambio de potencial electrostático V{textstyle V} desde rA{displaystyle mathbf {r} ¿Qué? a rB{displaystyle mathbf {r} ¿Qué?. Por definición, esto es:

Δ Δ VAB=V()rB)− − V()rA)=− − ∫ ∫ r0rBE⋅ ⋅ dl l − − ()− − ∫ ∫ r0rAE⋅ ⋅ dl l )=− − ∫ ∫ rArBE⋅ ⋅ dl l {displaystyle {begin{aligned} Delta V_{AB}=V(mathbf {r} _{B})-V(mathbf {r} _{A})\\ ¿Qué? ¿Qué? ¿Por qué? ¿Qué? {fnK}cdot mathrm {d} {boldsymbol {ell }right)\fnMicrosoft Sans Serif} ¿Qué? ¿Qué? ¿Por qué?

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. 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 recorrido.

Según esta definición, cualquier circuito en el que haya campos magnéticos que varían con 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. Sin embargo, a frecuencias más bajas cuando los campos eléctricos y magnéticos no cambian rápidamente, esto puede despreciarse (ver aproximación electrostática).

Generalización a la electrodinámica

El potencial eléctrico se puede generalizar a la electrodinámica, por lo que las diferencias de potencial eléctrico entre puntos están bien definidas incluso en presencia de campos variables en el tiempo. Sin embargo, a diferencia de la electrostática, el campo eléctrico ya no puede expresarse únicamente en términos de potencial eléctrico. Además, el potencial ya no se determina de forma única hasta una constante y puede tomar formas significativamente diferentes dependiendo de la elección del calibre.

En este caso general, algunos autores utilizan la palabra "voltaje" para referirse a la línea integral del campo eléctrico, en lugar de diferencias en el potencial eléctrico. En este caso, el voltaje se eleva por algún camino P{displaystyle {fncipal}} desde rA{displaystyle mathbf {r} ¿Qué? a rB{displaystyle mathbf {r} ¿Qué? es dado por:

Δ Δ VAB=− − ∫ ∫ PE⋅ ⋅ dl l {displaystyle Delta V_{AB}=-int _{mathcal {}mathbf {E} cdot mathrm {d} {boldsymbol {ell }}}

Sin embargo, en este caso el "voltaje" entre dos puntos depende del camino tomado.

Tratamiento en teoría de circuitos

En el análisis de circuitos y la 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.

Cuando se utiliza un modelo de elementos agrupados, se supone que los efectos de los campos magnéticos cambiantes producidos por el circuito están adecuadamente contenidos en cada elemento. Bajo estas suposiciones, el campo eléctrico en la región exterior a cada componente es conservativo y los voltajes entre los nodos en el circuito están bien definidos, donde

Δ Δ VAB=− − ∫ ∫ rArBE⋅ ⋅ dl l {displaystyle Delta V_{AB}=-int _{mathbf {r} ¿Qué? - ¿Qué?

siempre y cuando la ruta de integración no pase por el interior de ningún componente. Lo anterior es la misma fórmula utilizada en electrostática. Esta integral, con la ruta de integración a lo largo de los cables de prueba, es lo que realmente medirá un voltímetro.

Si los campos magnéticos no contenidos en todo el circuito no son despreciables, sus efectos se pueden modelar 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 generalmente son insignificantes, especialmente si el inductor tiene un camino magnético cerrado. Si los campos externos son despreciables, encontramos que

Δ Δ VAB=− − ∫ ∫ exteriorE⋅ ⋅ dl l =LdIdt{displaystyle 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 en los terminales del inductor. Esta es la razón por la que las mediciones con un voltímetro a través de un inductor suelen ser 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 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 simple para un circuito eléctrico es el agua que fluye en un circuito cerrado de tuberías, impulsada por una bomba mecánica. Esto se puede llamar 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, una corriente eléctrica impulsada por la diferencia de potencial proporcionada por una batería puede realizar trabajo. 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 funciona, no produce diferencia de presión y la turbina no girará. Del mismo modo, si la batería del automóvil está muy débil o "muerta" (o "plano"), entonces no girará el motor de arranque.

La analogía hidráulica es una forma útil de entender muchos conceptos eléctricos. En tal sistema, el trabajo realizado para mover el agua es igual a la "caída de presión" (comparar p.d.) multiplicado 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" multiplicado 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 de agua), mayor es el flujo entre ellos (corriente eléctrica o caudal de agua). (Ver "energía eléctrica").

Aplicaciones

Trabajando en líneas de alta tensión

La especificación de una medida de voltaje requiere una especificación explícita o implícita de los puntos en los que se mide el voltaje. Al usar un voltímetro para medir el voltaje, un conductor eléctrico del voltímetro debe conectarse al primer punto, uno al segundo punto.

Un uso común del término "voltaje" es describir la caída de voltaje a través de un dispositivo eléctrico (como una resistencia). La caída de voltaje a través del dispositivo se puede entender 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 tensiones

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

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

Instrumentos de medición

Multimetro fijado para medir tensión

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, de acuerdo con 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.

Tensiones típicas

Un voltaje común para las baterías de las linternas es de 1,5 voltios (CC). Un voltaje común para las baterías de los 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, generalmente de 110 a 1200 kV (CA).

El voltaje que se utiliza 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 de Galvani frente a potencial electroquímico

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. 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) es a veces llamado 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. Volta significaba con esto una fuerza que no era una fuerza electrostática, específicamente, una fuerza electroquímica. 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. 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..