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Articulo de referencia

Voltaje

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El voltaje , también conocido como diferencia de potencial ( eléctrico ) , presión eléctrica o tensión eléctrica , es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. [ 1 ] 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. En el Sistema Internacional de Unidades (SI), la unidad derivada para el voltaje es el voltio (V). [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]

La diferencia de potencial entre puntos puede deberse a la acumulación de carga eléctrica (p. ej., un condensador ) y a una fuerza electromotriz (p. ej., inducción electromagnética en un generador ). [ 5 ] [ 6 ] A escala macroscópica, una diferencia de potencial puede deberse a procesos electroquímicos (p. ej., pilas y baterías), al efecto piezoeléctrico inducido por presión , al efecto fotovoltaico y al efecto termoeléctrico . Dado que el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico, es una magnitud física escalar . [ 7 ]

Un voltímetro se puede usar para medir el voltaje entre dos puntos de un sistema. [ 8 ] 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 suele mencionar en un punto sin mencionar completamente el otro punto de medición. El voltaje puede estar asociado tanto a una fuente de energía como a la pérdida, disipación o almacenamiento de energía.

Definición

La unidad del SI de trabajo por unidad de carga es el julio por culombio , donde 1 voltio = 1 julio (de trabajo) por 1 culombio de carga. [ 9 ] La antigua definición del SI para el voltio utilizaba potencia y corriente ; a partir de 1990, se utilizó el efecto Josephson , [ 10 ] y en 2019 se dieron valores definidos a las constantes físicas para la definición de todas las unidades del SI.

El voltaje se denota simbólicamente porΔV{\displaystyle \Delta V}, V simplificada , especialmente en países de habla inglesa . A nivel internacional, el símbolo U está estandarizado. [ 11 ]

El potencial electroquímico es el voltaje que se puede medir directamente con un voltímetro. [ 12 ] [ 13 ] 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 manera que los objetos con carga negativa se sienten atraídos hacia voltajes más altos, mientras que los objetos con carga positiva se sienten atraídos hacia voltajes más bajos. [ 14 ] [ 15 ] Por lo tanto, la corriente convencional en un cable o resistencia siempre fluye de voltaje más alto a voltaje más bajo.

Históricamente, el voltaje se ha descrito utilizando términos como "tensión" y "presión". Incluso hoy en día, el término "tensión" se sigue utilizando, por ejemplo, en la expresión " alta tensión " (AT), que se usa comúnmente en el contexto de la electrónica automotriz y los sistemas que utilizan válvulas termoiónicas ( tubos de vacío ).

Electrostática

En un electroscopio, el campo eléctrico alrededor de la varilla ejerce una fuerza sobre la bola de médula cargada.
En un campo estático, el trabajo es independiente de la trayectoria.

En electrostática , el aumento de voltaje desde el puntorA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}hasta cierto puntorB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}viene dado por el cambio en el potencial electrostáticoV{\textstyle V}derA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}arB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}. Por definición, [ 16 ] : 78 esto es:

ΔVAB=V(rB)−V(rA)=−∫r0rBmi⋅dℓ−(−∫r0rAmi⋅dℓ)=−∫rArBmi⋅dℓ{\displaystyle {\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}}}

dóndemi{\displaystyle \mathbf {E} }es la intensidad del campo eléctrico.

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 aceleración alguna. [ 16 ] : 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 seguida. [ 16 ] : 91

Según esta definición, cualquier circuito con campos magnéticos variables en el tiempo, como los circuitos de corriente alterna , no tendrá una tensión bien definida entre los nodos, ya que la fuerza eléctrica no es conservativa en esos casos. [ nota 1 ] Sin embargo, a frecuencias más bajas, cuando los campos eléctricos y magnéticos no cambian rápidamente, esto puede despreciarse (véase Electrostática §  Aproximación electrostática ).

Electrodinámica

El potencial eléctrico puede generalizarse a la electrodinámica, de modo 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 del potencial eléctrico. [ 16 ] : 417 Además, el potencial ya no está determinado de forma única salvo una constante, y puede adoptar formas significativamente diferentes según la elección del calibre . [ nota 2 ] [ 16 ] : 419–422

En este caso general, algunos autores [ 17 ] utilizan la palabra "voltaje" para referirse a la integral de línea del campo eléctrico, en lugar de a las diferencias de potencial eléctrico. En este caso, el voltaje aumenta a lo largo de alguna trayectoria.PAG{\displaystyle {\mathcal {P}}}derA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}arB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}está dado por:

ΔVAB=−∫PAGmi⋅dℓ{\displaystyle \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 recorrido.

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. [ 18 ]

Cuando se utiliza un modelo de elementos concentrados, se supone que los efectos de los campos magnéticos cambiantes producidos por el circuito están adecuadamente contenidos en cada elemento. [ 18 ] Bajo estas suposiciones, el campo eléctrico en la región exterior a cada componente es conservativo y los voltajes entre nodos en el circuito están bien definidos, donde [ 18 ]

ΔVAB=−∫rArBmi⋅dℓ{\displaystyle \Delta V_{AB}=-\int _{\mathbf {r} _{A}}^{\mathbf {r} _{B}}\mathbf {E} \cdot \mathrm {d} {\boldsymbol {\ell }}}

siempre que la trayectoria de integración no atraviese el interior de ningún componente. La fórmula anterior es la misma que se utiliza en electrostática . Esta integral, con la trayectoria de integración a lo largo de los cables de prueba, es lo que medirá realmente un voltímetro. [ 19 ] [ nota 3 ]

Si los campos magnéticos no confinados en todo el 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 ideal concentrada suele ser precisa. Esto se debe a que los campos externos de los inductores son generalmente despreciables, especialmente si el inductor tiene una trayectoria magnética cerrada . Si los campos externos son despreciables, encontramos que

ΔVAB=−∫miincógnitatmiriormi⋅dℓ=LdIdt{\displaystyle \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. [ 20 ] 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 . [ 21 ] [ 22 ] 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 por un circuito cerrado de tuberías , impulsada por una bomba mecánica . Esto se conoce como un "circuito de agua". La diferencia de potencial entre dos puntos corresponde a la diferencia de presión entre ellos. Si la bomba crea una diferencia de presión, el agua que fluye de un punto a otro podrá realizar trabajo, como accionar una turbina . De forma similar, una corriente eléctrica, impulsada por la diferencia de potencial de una batería , puede realizar trabajo . Por ejemplo, el voltaje de una batería de automóvil con suficiente carga puede "impulsar" una gran corriente a través del motor de arranque . 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 descargada, no arrancará el motor.

La analogía hidráulica resulta útil para comprender muchos conceptos eléctricos. En un sistema de este tipo, el trabajo realizado para mover agua es igual a la caída de presión (comparar con pd) multiplicada por el volumen de agua desplazada. De forma 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 carga eléctrica desplazada. 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 caudal de agua). (Véase « potencia eléctrica »).

Aplicaciones

Trabajos en líneas eléctricas de alta tensión

Para especificar una medición de voltaje, es necesario indicar explícita o implícitamente los puntos donde se realiza la medición. Al usar un voltímetro, uno de sus cables debe conectarse al primer punto y el otro al segundo.

Un uso común del término "voltaje" es describir la caída de voltaje en un dispositivo eléctrico (como una resistencia). Esta caída de voltaje 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 conectados por un conductor ideal sin resistencia y fuera de un campo magnético variable tienen un voltaje de cero. Dos puntos cualesquiera con el mismo potencial pueden conectarse mediante un conductor y no circulará corriente entre ellos.

Suma de voltajes

La tensión entre A y C es la suma de la tensión entre A y B y la tensión entre B y C. Las distintas tensiones en un circuito se pueden calcular utilizando las leyes de Kirchhoff .

Al hablar de corriente alterna (CA), existe una diferencia entre voltaje instantáneo y voltaje promedio. Los voltajes instantáneos se pueden sumar para la corriente continua (CC) y la CA, pero los voltajes promedio solo se pueden sumar de forma 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 de bobina móvil, funcionan midiendo la corriente que circula por una resistencia fija, la cual, según la ley de Ohm , es proporcional al voltaje aplicado a dicha 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 utilizándolo para desviar un haz de electrones de su trayectoria rectilínea, de modo que la desviación del haz sea proporcional al voltaje.

Voltajes típicos

El voltaje habitual para las pilas de linterna es de 1,5  voltios (CC). El voltaje habitual para las pilas de automóvil es de 12  voltios (CC).

Los voltajes habituales que las compañías eléctricas suministran a los consumidores son de 110 a 120 voltios (CA) en Norteamérica y de 220 a 240  voltios (CA) en la mayor parte de Europa. 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 el voltaje que reciben los consumidores, que suele ser de 110 a 1200  kV (CA).

La tensión utilizada en las líneas aéreas para alimentar las locomotoras ferroviarias oscila 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 otra magnitud que se ve afectada por la termodinámica. [ 23 ] La magnitud 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 denominada diferencia de voltaje, mientras que el potencial electrostático puro no ajustado (no medible con un voltímetro) a veces se denomina potencial de Galvani . Los términos "voltaje" y "potencial eléctrico" son ambiguos, ya que, en la práctica, pueden referirse a cualquiera de ellos 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 . [ 24 ] : 408 Volta se refería con esto a una fuerza que no era electrostática , específicamente, una fuerza electroquímica . [ 24 ] : 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 ni un método para medirlo. [ 25 ] : 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 debía equilibrar exactamente la fem de la celda para que no fluyera corriente. [ 24 ] : 405

Véase también

Referencias

  1. ↑ Cretì, Anna; Fontini, Fulvio (30 de mayo de 2019). Economía de la electricidad: mercados, competencia y reglas . Cambridge University Press. pág.  18. ISBN 978-1-107-18565-4.
  2. ↑ David B. Newell; Eite Tiesinga (agosto de 2019). El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (Informe). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. pág. 31. Consultado el 2 de enero de 2024 . 
  3. ↑ Holloway, Michael D.; Holloway, Emma (09/12/2020). Diccionario de terminología industrial . John Wiley & Sons. pág. 1259. ISBN  978-1-119-36410-8.
  4. ^ Aslam, Dr. S.; Sharma, Dr. Pradosh Kumar; Rahul, Satyakam; Saluja, Dr. Hitanshu (26 de enero de 2024). Integración de sistemas eléctricos con informática inteligente . Editorial Academic Guru. pag. 17.ISBN​  978-81-19843-91-6.
  5. ↑ Demetrius T. Paris y F. Kenneth Hurd, Teoría electromagnética básica , McGraw-Hill, Nueva York, 1969, ISBN 0-07-048470-8, págs. 512, 546
  6. ↑ P. Hammond, Electromagnetismo para ingenieros , pág. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 . 
  7. ↑ Expertos, Disha (29/08/2017). Paquete de estudio 10 en 1 para física de la clase 12 de CBSE con 5 exámenes modelo . Publicaciones Disha. pág. 64. ISBN  978-93-86323-72-9.
  8. ↑ Internacional, Petrogav. Curso de producción para la contratación en plataformas petrolíferas y de gas en alta mar . Petrogav Internacional. pág. 328. 
  9. ↑ "Voltaje" . Physics LibreTexts . 16 de diciembre de 2013. Consultado el 1 de junio de 2026 .
  10. ↑ David B. Newell, Eite Tiesinga (agosto de 2019). El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (Informe). Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. pág. 88. Consultado el 2 de enero de 2024 . 
  11. ↑ IEV: voltaje Archivado el 3 de febrero de 2016 en Wayback Machine
  12. ↑ Fischer, Traugott (13 de marzo de 2009). Ciencia de los materiales para estudiantes de ingeniería . Academic Press. pág. 434. ISBN  978-0-08-092002-3.
  13. ↑ Pulfrey, David L. (28 de enero de 2010). Comprensión de los transistores y diodos modernos . Cambridge University Press. pág. 93. ISBN  978-1-139-48467-1.
  14. ↑ Vadari, Mani (2013). Operaciones del sistema eléctrico: Evolución hacia la red moderna . Artech House. pág. 41. ISBN  978-1-60807-549-2.
  15. ↑ Vadari, Subramanian (31 de enero de 2020). Operaciones del sistema eléctrico: Evolución hacia la red moderna, segunda edición . Artech House. pág. 47. ISBN  978-1-63081-689-6.
  16. 1 2 3 4 5 Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3.ª ed.). Prentice Hall. ISBN  013805326X.
  17. ↑ Moon, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Fundamentos de electrodinámica . Dover Publications. pág. 126. ISBN  978-0-486-49703-7Archivado del original el 19 de marzo de 2022. Consultado el 19 de noviembre de 2021 .
  18. 1 2 3 A. Agarwal y J. Lang (2007). "Materiales del curso 6.002 Circuitos y Electrónica" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Archivado (PDF) del original el 9 de abril de 2016. Recuperado el 4 de diciembre de 2018 .
  19. ↑ 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.
  20. ↑ Feynman, Richard; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew. "Las conferencias de Feynman sobre física, vol. II, cap. 22: circuitos de CA" . Caltech . Consultado el 9 de octubre de 2021 .
  21. ↑ Hanssen, Steven; Hampson, Jeffery (12 de septiembre de 2022). Principios del comercio eléctrico, 6.ª ed . Cengage AU. pág. 3. ISBN  978-0-17-045885-6.
  22. ↑ Cardarelli, Francois (6 de diciembre de 2012). Conversión de unidades científicas: una guía práctica para la metrificación . Springer Science & Business Media. pág. 340. ISBN  978-1-4471-3394-0.
  23. ↑ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Fundamentos de electroquímica . John Wiley & Sons. pág. 22. ISBN  978-0-471-70058-6.
  24. 1 2 3 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, núm. 5, págs. 405–408, mayo de 1980.
  25. ↑ CJ Brockman, "El origen de la electricidad voltaica: La teoría de contacto frente a la teoría química antes del desarrollo del concepto de fuerza electromotriz" Archivado el 17 de julio de 2022 en Wayback Machine , Journal of Chemical Education , vol. 5, n.º 5, págs. 549-555, mayo de 1928

Notas a pie de página

  1. ↑ Esto se deduce de la ecuación de Maxwell-Faraday :∇×mi=−∂B∂t{\displaystyle \textstyle \nabla \times \mathbf {E} =-{\frac {\partial \mathbf {B} }{\partial t}}}Si existen campos magnéticos variables en una región simplemente conexa , entonces el rotacional del campo eléctrico en esa región es distinto de cero y, por lo tanto, el campo eléctrico no es conservativo. Para más información, véase Fuerza conservativa §  Descripción matemática .
  2. ↑ 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.
  3. ↑ Esta afirmación parte de 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.
  • Voltaje eléctrico V , corriente I , resistividad R , impedancia Z , potencia P