Voltaje

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Voltaje
Comparación de pilas AA AAA AAAA A23-1.jpg
Las baterías son fuentes de voltaje en muchos circuitos eléctricos .
Símbolos comunes
V ,V , U ,U
unidad SIvoltio
En unidades básicas del SIkg⋅m 2 ⋅s −3 ⋅A −1
Derivaciones de
otras cantidades
Voltaje = Energía / carga
Dimensión METRO L 2 T −3 YO −1

Voltaje , diferencia de potencial eléctrico , presión eléctrica o tensión eléctrica es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, que (en un campo eléctrico estático ) se define como el trabajo necesario por unidad de carga para mover una carga de prueba entre los dos puntos. En el Sistema Internacional de Unidades , la unidad derivada de voltaje (diferencia de potencial) se denomina voltio . [1] : 166  En unidades SI, el trabajo por unidad de carga se expresa en julios por coulomb, donde 1 voltio = 1 julio (de trabajo) por 1 culombio (de carga). La antigua definición SI para voltios usaba potencia y corriente ; a partir de 1990, se utilizaron los efectos cuánticos de Hall y Josephson , y recientemente (2019) se introdujeron constantes físicas fundamentales para la definición de todas las unidades SI y unidades derivadas. [1] : 177f, 197f El  voltaje o la diferencia de potencial eléctrico se denota simbólicamente por, simplificado V , [2] o U , [3] por ejemplo en el contexto de las leyes de circuito de Ohm o Kirchhoff .

Las diferencias de potencial eléctrico entre puntos pueden deberse a la acumulación de carga eléctrica (p. ej., un condensador ) ya partir de una fuerza electromotriz (p. ej., inducción electromagnética en un generador , inductores y transformadores ). [4] [5] En una escala macroscópica, una diferencia de potencial puede ser causada por procesos electroquímicos (p. ej., celdas y baterías), el efecto piezoeléctrico inducido por presión y el efecto termoeléctrico .

Se puede usar un voltímetro para medir el voltaje (o la diferencia de potencial) 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

Hay varias formas útiles de definir el voltaje, incluida la definición estándar mencionada anteriormente. También hay otras definiciones útiles de trabajo por carga (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 usando 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 válvulas termoiónicas ( tubos de vacío ).

Definición en electrostática

El campo eléctrico alrededor de la barra ejerce una fuerza sobre la bola de médula cargada, en un electroscopio
En un campo estático, el trabajo es independiente del camino.

En electrostática , el voltaje aumenta desde el puntohasta cierto puntoviene dado por el cambio en el potencial electrostático depara. Por definición, [6] : 78  esto es:

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. [6] : 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 recorrido. [6] : 91 

Bajo esta definición, cualquier circuito donde existan campos magnéticos variables en el tiempo, como los circuitos AC , 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 ).

Generalización a la 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 variables en el tiempo. Sin embargo, a diferencia de la electrostática, el campo eléctrico ya no puede expresarse únicamente en términos de potencial eléctrico. [6] : 417  Además, el significado y el valor de las diferencias de potencial dependerán de la elección del calibre . [6] : 419–422 

En este caso general, algunos autores [7] utilizan la palabra "voltaje" para referirse a la integral de línea del campo eléctrico, más que a las diferencias de potencial eléctrico. En este caso, el voltaje sube a lo largo de algún caminodesdeparaes dado por:

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

Tratamiento en 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. [8]

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. [8] 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 [8]

siempre que el camino 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. [9] [nota 2]

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

es independiente de la ruta y hay un voltaje bien definido en los terminales del inductor. [10] 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.

voltios

El voltio (símbolo: V ) es la unidad derivada del potencial eléctrico, la diferencia de potencial eléctrico 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 gira. Del mismo modo, si la batería del automóvil está muy débil o "muerta" (o "descargada"), entonces no encenderá 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 " (comparar 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 de agua), mayor será el flujo entre ellos (corriente eléctrica o flujo de agua). (Véase " energía eléctrica ".)

Aplicaciones

Trabajando en líneas eléctricas de alta tensión

La especificación de una medida de tensión requiere la especificación explícita o implícita de los puntos en los que se mide la tensión. Cuando se usa un voltímetro para medir la diferencia de potencial, se debe conectar un cable eléctrico del voltímetro al primer punto y otro al segundo punto.

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 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 voltajes

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 medida

Juego de multímetro 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, 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.

Voltajes típicos

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, típicamente de 110 a 1200 kV (CA).

La tensión utilizada en las líneas aéreas para la alimentación de 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 electrostática. diferencia de potencial, sino algo más que se ve afectado por la termodinámica. [11] 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 conocida como la diferencia de voltaje, mientras que el potencial electrostático puro no ajustado (no medible con un voltímetro) a veces se llamapotencial de Galvani . Los términos "voltaje" y "potencial eléctrico" son ambiguos porque, 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 . [12] : 408  Volta significaba con esto una fuerza que no era una fuerza electrostática , específicamente, una fuerza electroquímica . [12] : 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. [13] : 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. [12] : 405 

Véase también

Referencias

  1. ^ a b Oficina Internacional de Pesos y Medidas (2019-05-20), Folleto SI: El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (9.ª ed.), ISBN 978-92-822-2272-0{{citation}}: CS1 maint: url-status (link)
  2. ^ IEV: potencial eléctrico
  3. ^ IEV: voltaje
  4. ^ Demetrius T. Paris y F. Kenneth Hurd, Teoría electromagnética básica , McGraw-Hill, Nueva York 1969, ISBN 0-07-048470-8 , págs. 512, 546 
  5. ^ P. Hammond, Electromagnetismo para ingenieros , p. 135, Pergamon Press 1969 OCLC 854336 . 
  6. ^ a b c d e Griffiths, David J. (1999). Introducción a la electrodinámica (3ª ed.). Prentice Hall. ISBN 013805326X.
  7. ^ Luna, Parry; Spencer, Domina Eberle (2013). Fundamentos de Electrodinámica . Publicaciones de Dover. pag. 126. ISBN 978-0-486-49703-7.
  8. ^ a b c A. Agarwal y J. Lang (2007). "Materiales del curso 6.002 Circuitos y Electrónica" (PDF) . OpenCourseWare del MIT . Consultado el 4 de diciembre de 2018 .
  9. ^ 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 – a través de ResearchGate.
  10. ^ Feynman, Ricardo; Leighton, Robert B.; Arenas, Mateo. "Las conferencias de Feynman sobre física Vol. II Ch. 22: Circuitos de CA" . Caltech . Consultado el 09-10-2021 .{{cite web}}: CS1 maint: url-status (link)
  11. ^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Fundamentos de electroquímica . pag. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  12. ^ a b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Fuerza electromotriz: el concepto olvidado de Volta" , American Journal of Physics , vol. 48, edición. 5, págs. 405–408, mayo de 1980.
  13. ^ CJ Brockman, "El origen de la electricidad voltaica: el contacto frente a la teoría química antes de que se desarrollara el concepto de EMF" , Journal of Chemical Education , vol. 5, núm. 5, págs. 549–555, mayo de 1928

Notas al pie

  1. ^ Esto se deduce 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 conservativo. Para obtener más información, consulte Fuerza conservativa § Descripción matemática .
  2. ^ Esta declaración hace algunas suposiciones sobre la naturaleza del voltímetro (estos se analizan en el documento citado). Una de estas suposiciones es que la corriente consumida por el voltímetro es insignificante.

Enlaces externos