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Voltaje , diferencia de potencial eléctrico , fuerza electromotriz fem, 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 el 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 culombio., donde 1 voltio = 1 julio (de trabajo) por 1 culombio (de carga). La antigua definición del SI para voltios usa potencia 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. [1] : 177f, 197f La diferencia de voltaje o potencial eléctrico se denota simbólicamente por V , V simplificado , [2] o U , [3] por ejemplo en el contexto de Ohm oLeyes de circuito de Kirchhoff .

Las diferencias de potencial eléctrico entre puntos pueden ser causadas físicamente por acumulación o desequilibrio de carga eléctrica (p. Ej., Condensador electrónico y "estático" bien conocido) también por corriente eléctrica a través de un campo magnético y por campos magnéticos que varían en el tiempo (p. ), o alguna combinación de estos tres. [4] [5] Además, en una escala macroscópica, la diferencia de potencial puede ser causada por procesos electroquímicos (celdas y baterías) y el efecto piezoeléctrico inducido por la presión y la fem inducida por el calor a través de uniones metálicas. Estos últimos procesos a nivel microscópico tienen los orígenes físicos mencionados anteriormente. Un voltímetrose puede utilizar para medir el voltaje (o la diferencia de potencial) entre dos puntos de un sistema; a menudo se utiliza como uno de los puntos un potencial de referencia común, como la tierra del sistema. Un voltaje puede representar una fuente de energía ( fuerza electromotriz ) o energía perdida, usada o almacenada ( caída de potencial ).

Definición [ editar ]

Hay varias formas útiles de definir el voltaje, incluida la definición estándar mencionada al comienzo de esta página. También hay otras definiciones útiles de trabajo por carga (consulte esta sección ).

El voltaje se define de modo que los objetos cargados negativamente sean atraídos hacia voltajes más altos, mientras que los objetos cargados positivamente son atraídos hacia voltajes más bajos. Por lo tanto, la corriente convencional en un cable o una resistencia siempre fluye de 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 usa, por ejemplo, dentro de la frase " alta tensión " (HT) que se usa comúnmente en la electrónica basada en válvulas termoiónicas ( tubo de vacío ).

Definición como potencial de campo eléctrico [ editar ]

El aumento de voltaje de un punto a otro viene dado por

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

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. Según esta definición, la diferencia de voltaje entre dos puntos no se define de forma única cuando hay campos magnéticos que varían en el tiempo, ya que la fuerza eléctrica no es una fuerza conservadora en tales casos.

En un campo estático, el trabajo es independiente del camino.

Si se usa esta definición de voltaje, cualquier circuito donde haya campos magnéticos que varían en el tiempo, [nota 1] como los circuitos que contienen inductores , no tendrá un voltaje bien definido entre los nodos del circuito. Sin embargo, si los campos magnéticos están contenidos adecuadamente en cada componente, entonces el campo eléctrico es conservador en la región exterior [nota 2] a los componentes, y los voltajes están bien definidos en esa región. [6] En este caso, el voltaje a través de un inductor, visto externamente, resulta ser

a pesar de que, internamente, el campo eléctrico en la bobina es cero [6] (asumiendo que es un conductor perfecto).

Definición a través de la descomposición del campo eléctrico [ editar ]

Usando la definición anterior, el potencial eléctrico no se define cuando los campos magnéticos cambian con el tiempo. En física, a veces es útil generalizar el potencial eléctrico considerando solo la parte conservadora del campo eléctrico. Esto se realiza mediante la siguiente descomposición utilizada en electrodinámica :

donde está el potencial del vector magnético . La descomposición anterior está justificada por el teorema de Helmholtz .

En este caso, el aumento de voltaje de a viene dado por

donde está el campo eléctrico rotacional debido a campos magnéticos que varían en el tiempo. En este caso, la tensión entre puntos siempre se define de forma unívoca.

Tratamiento en teoría de circuitos [ editar ]

En el análisis de circuitos y la ingeniería eléctrica , el voltaje a través de un inductor no se considera cero o indefinido, como sugeriría la definición estándar. Esto se debe a que los ingenieros eléctricos utilizan un modelo de elementos agrupados para representar y analizar circuitos.

Cuando se utiliza un modelo de elementos agrupados, se asume que no hay campos magnéticos en la región que rodea el circuito y que los efectos de estos están contenidos en 'elementos agrupados', que son elementos de circuito idealizados y autónomos que se utilizan para modelar componentes físicos. . [7] Si la suposición de campos con fugas insignificantes es demasiado inexacta, sus efectos pueden modelarse mediante componentes parásitos .

Sin embargo, en el caso de un inductor físico, la representación agrupada ideal suele ser precisa. Esto se debe a que los campos filtrados del inductor son generalmente insignificantes, especialmente si el inductor es un toroide . Si los campos filtrados son insignificantes, encontramos que

es independiente de la trayectoria y hay un voltaje bien definido en los terminales del inductor. [6] 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 [ editar ]

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 [ editar ]

Una analogía simple para un circuito eléctrico es el agua que fluye en un circuito cerrado de tuberías , impulsada por una bomba mecánica . A esto se le puede llamar "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 funcionar, como accionar una turbina . Del mismo modo, el trabajo se puede realizar mediante 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 funciona, no produce diferencia de presión y la turbina no girará. Asimismo, 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 movido. 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 es la "diferencia de presión" entre dos puntos (diferencia de potencial o diferencia de presión del agua), mayor es el flujo entre ellos (corriente eléctrica o flujo de agua) (ver " energía eléctrica ").

Aplicaciones [ editar ]

Trabajando en líneas eléctricas de alta tensión

La especificación de una medición de voltaje requiere una especificación explícita o implícita de los puntos a través de los cuales se mide el voltaje. Cuando se usa un voltímetro para medir la diferencia de potencial, se debe conectar un cable eléctrico del voltímetro al primer punto, uno 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 en el 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 [ editar ]

La tensión entre A y C es la suma de la tensión entre A y B y la tensión 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 (CA), existe una diferencia entre el voltaje instantáneo y el voltaje promedio. Se pueden agregar voltajes instantáneos para corriente continua (CC) y CA, pero los voltajes promedio se pueden agregar de manera significativa solo cuando se aplican a señales que tienen la misma frecuencia y fase.

Instrumentos de medida [ editar ]

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 puente . El osciloscopio de rayos catódicos funciona mediante la amplificación de la tensión y utilizarlo para desviar un electrón haz desde una trayectoria recta, de manera que la deflexión de la viga es proporcional a la tensión.

Voltajes típicos [ editar ]

Un voltaje común para las baterías de las linternas es de 1,5 voltios (CC). Un voltaje común para las baterías de 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 que se utilizan para distribuir electricidad desde las centrales eléctricas puede ser varios cientos de veces mayor que los voltajes de los consumidores, normalmente de 110 a 1200 kV (CA).

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

Potencial de Galvani frente a potencial electroquímico [ editar ]

Dentro de un material conductor, la energía de un electrón se ve afectada no solo por el potencial eléctrico promedio, sino también por el ambiente térmico y atómico específico en el que se encuentra. Cuando un voltímetro está conectado entre dos tipos diferentes de metal, no mide el diferencia de potencial electrostático, sino algo más que se ve afectado por la termodinámica. [8] 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 conocido 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 en el sentido de que, en la práctica, pueden referirse a cualquiera de ellos en contextos diferentes.

Historia [ editar ]

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 . [9] : 408 Volta quería decir con esto una fuerza que no era una fuerza electrostática , específicamente, una fuerza electroquímica . [9] : 405 El término fue adoptado por Michael Faraday en relación con la inducción electromagnética en la década de 1820. Sin embargo, en este momento no se había desarrollado una definición clara de voltaje y método de medición. [10] : 554Volta 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. [9] : 405

Ver también [ editar ]

  • Corriente alterna (AC)
  • Corriente continua (DC)
  • Potencial eléctrico
  • Descarga eléctrica
  • Medidas electricas
  • Potencial electroquímico
  • Nivel de Fermi
  • Alto voltaje
  • Red eléctrica (un artículo sobre voltajes de suministro eléctrico doméstico)
  • Red eléctrica por país (lista de países con tensión y frecuencia de red)
  • Ley de Ohm
  • Ohm
  • Abra el circuito de voltaje
  • Voltaje fantasma

Referencias [ editar ]

  1. ^ a b Oficina Internacional de Pesos y Medidas (2019-05-20), Folleto SI: El Sistema Internacional de Unidades (SI) (PDF) (9a ed.), ISBN 978-92-822-2272-0
  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 R. Feynman; et al. "Las conferencias de Feynman sobre física vol. II cap. 22: circuitos de CA" . Caltech . Consultado el 4 de diciembre de 2018 .
  7. ^ A. Agarwal y J. Lang (2007). "Materiales del curso para 6.002 Circuitos y Electrónica" (PDF) . MIT OpenCourseWare . Consultado el 4 de diciembre de 2018 .
  8. ^ Bagotskii, Vladimir Sergeevich (2006). Fundamentos de electroquímica . pag. 22. ISBN 978-0-471-70058-6.
  9. ^ a b c Robert N. Varney, Leon H. Fisher, "Fuerza electromotriz: concepto olvidado de Volta" , American Journal of Physics , vol. 48, edición. 5, págs. 405–408, mayo de 1980.
  10. ^ 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, no. 5, págs. 549–555, mayo de 1928

Notas al pie [ editar ]

  1. ^ Si hay campos eléctricos que varían en el tiempo o cargas aceleradas, entonces habrá campos magnéticos que varían en el tiempo. Esto significa que en los circuitos de CA, siempre hay algunos campos magnéticos no confinados. Sin embargo, excepto en frecuencias más altas, estos se descuidan.
  2. ^ Esto se basa en el hecho de que cada componente tiene un volumen finito. Si un componente tuviera una extensión infinita, la región exterior a los componentes no estaría simplemente conectada y, por lo tanto, las integrales a través de él seguirían dependiendo del camino tomado.

Enlaces externos [ editar ]

  • Voltaje eléctrico V , corriente I , resistividad R , impedancia Z , potencia P