Voltaje: ¿Qué es?

Electrical4u

Campo: Electricidad Básica

China

¿Qué es el voltaje?

El voltaje (también conocido como diferencia de potencial eléctrico, fuerza electromotriz emf, presión eléctrica o tensión eléctrica) se define como la diferencia de potencial eléctrico por unidad de carga entre dos puntos en un campo eléctrico. El voltaje se expresa matemáticamente (es decir, en fórmulas) usando el símbolo “V” o “E”.

Si estás buscando una explicación más intuitiva para ayudar a entender qué es el voltaje, salta a esta sección del artículo.

De lo contrario, continuaremos a continuación con una definición más formal del voltaje.

En un campo eléctrico estático, el trabajo requerido para mover una unidad de carga entre dos puntos se conoce como voltaje. Matemáticamente, el voltaje se puede expresar como,

$\begin{align*} Voltage = \frac{Work\,\,Done\ (W)}{Charge\ (Q)} \end{align*}$

Donde el trabajo realizado está en julios y la carga está en coulombs.

$\begin{align*} Thus, Voltage = \frac{joule}{coulomb} \end{align*}$

Podemos definir el voltaje como la cantidad de energía potencial entre dos puntos en un circuito.

Un punto tiene un mayor potencial y los otros puntos tienen un potencial menor. La diferencia de carga entre el potencial más alto y el más bajo se llama voltaje o diferencia de potencial.

El voltaje o diferencia de potencial proporciona la fuerza a los electrones para fluir a través del circuito.

Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la fuerza, y por lo tanto, más electrones fluirán a través del circuito. Sin voltaje o diferencia de potencial, los electrones se moverían al azar en el espacio libre.

El voltaje también se conoce a veces como "tensión eléctrica". Por ejemplo, la capacidad de manejo de voltaje de cables como 1 kV, 11 kV y 33 kV se refiere respectivamente a cables de baja tensión, alta tensión y súper tensión.

Definición de Diferencia de Potencial como Potencial de Campo Eléctrico

Como se mencionó, el voltaje se define como la diferencia de potencial eléctrico por unidad de carga entre dos puntos en un campo eléctrico. Describamos esto usando ecuaciones.

Consideremos dos puntos A y B.

El potencial del punto A con respecto al punto B se define como el trabajo realizado para mover una carga unitaria del punto A al punto B en presencia del campo eléctrico E.

Matemáticamente, esto se puede expresar como,

$\begin{align*} V_A_B = \frac{W}{Q} = -\int_B^A E^- * dl^-\end{align*}$

Esta es también una diferencia de potencial entre los puntos A y B, con el punto B como punto de referencia. También se puede expresar como,

$\begin{align*} V_A_B = V_A - V_B \end{align*}$

El concepto de voltaje puede ser bastante difícil de entender conceptualmente.

Por lo tanto, usaremos una analogía con algo tangible, algo en el mundo real, para ayudar a comprender mejor el voltaje.

Comprender el Voltaje a Través de una Analogía

La "analogía hidráulica" es una analogía común utilizada para explicar el voltaje.

En la analogía hidráulica:

El voltaje o potencial eléctrico es equivalente a la presión del agua hidráulica
La corriente eléctrica es equivalente a la tasa de flujo de agua hidráulica
La carga eléctrica es equivalente a una cantidad de agua
Un conductor eléctrico es equivalente a una tubería

Analogía 1

Consideremos un tanque de agua como se muestra en la figura siguiente. La figura (a) muestra dos tanques llenos al mismo nivel de agua. Por lo tanto, el agua no puede fluir de un tanque a otro, ya que no hay diferencia de presión.

Ahora, la Figura (b) muestra dos tanques llenos con diferentes niveles de agua. Por lo tanto, existe alguna diferencia de presión entre estos dos tanques. Así, el agua fluirá de un tanque a otro hasta que el nivel de agua de ambos tanques sea igual.

De manera similar, si conectamos dos baterías a través de un cable conductor con diferentes niveles de voltaje, entonces las cargas pueden fluir de la batería de mayor potencial a la batería de menor potencial. Por lo tanto, la batería de menor potencial se carga hasta que el potencial de ambas baterías sea el mismo.

Analogía 2

Consideremos un tanque de agua colocado a cierta altura sobre el suelo.

La presión del agua al final de la manguera es equivalente a la tensión o diferencia de potencial en un circuito eléctrico. El agua en el tanque es equivalente a la carga eléctrica. Ahora, si aumentamos la cantidad de agua en el tanque, se desarrolla más presión al final de la manguera.

Por el contrario, si drenamos una cierta cantidad de agua del tanque, la presión creada al final de la manguera disminuirá. Podemos asumir que este tanque de agua es como una batería de almacenamiento. Cuando la tensión de la batería disminuye, las lámparas se atenúan.

Analogía 3

Comprendamos cómo el voltaje o la diferencia de potencial puede realizar trabajo en un circuito eléctrico. El circuito eléctrico se muestra en la figura a continuación.

Como se muestra en el circuito hidráulico de agua, el agua fluye a través de un tubo impulsada por una bomba mecánica. Un tubo es equivalente a un cable conductor en un circuito eléctrico.

Ahora, si una bomba mecánica produce una diferencia de presión entre dos puntos, entonces el agua presurizada podrá realizar trabajo, como impulsar una turbina.

De manera similar, en un circuito eléctrico, la diferencia de potencial de una batería puede causar que la corriente fluya a través del conductor, por lo tanto, el trabajo puede realizarse mediante la corriente eléctrica, como encender una lámpara.

¿En qué se mide el voltaje (unidades de voltaje)?

Unidad SI de Voltaje

La unidad SI para el voltaje es el voltio. Esto se representa con una V. El voltio es una unidad derivada del SI para el voltaje. El físico italiano Alessandro Volta (1745-1827), quien inventó la pila voltaica, que fue la primera batería eléctrica, por lo tanto, la unidad de voltio lleva su nombre en honor a él.

Voltio en unidades base del SI

El voltio se puede definir como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un circuito eléctrico que disipa un joule de energía por coulomb de carga que pasa a través del circuito eléctrico. Matemáticamente, se puede expresar como,

$\begin{align*} 1\,\,Volt = \frac{potential \ energy} {chrage} = \frac{1\,\, joule}{1\,\,coulomb} = \frac{kg\,\, m^2}{A\,\,s^3} \end{align*}$

Por lo tanto, el voltio se puede expresar en términos de las unidades base del SI como $\frac{kg\,\,m^2}{A\,\,s^3}$ o $kg\,\,m^2\,\,s^-^3\,\,A^-^1$ .

También se puede medir en vatios por amperio o amperios por ohmios.

Fórmula del voltaje

La fórmula básica para el voltaje se muestra en la imagen a continuación.

Fórmula de Voltaje 1 (Ley de Ohm)

Según la ley de Ohm, el voltaje puede expresarse como,

$\begin{align*} Voltage = Current * Resistance \end{align*}$

$\begin{align*} V = I * R \end{align*}$

Ejemplo 1

Como se muestra en el circuito a continuación, una corriente de 4 A fluye a través de la resistencia de 15 Ω. Determine la caída de tensión a través del circuito.

Solución:

Datos proporcionados: $I = 4\,\,A$ , $R=15\,\,\Omega$

De acuerdo con la ley de Ohm,

$\begin{align*} & V = I * R \\ & = 4 * 15 \\ & V = 60\,\,Volts \end{align*}$

Así, utilizando la ecuación, obtenemos una caída de tensión a través del circuito de 60 voltios.

Fórmula de tensión 2 (Potencia y Corriente)

La potencia transferida es el producto de la tensión de suministro y la corriente eléctrica.

$\begin{align*} P = V * I \end{align*}$

Ahora, coloque $I=\frac{V}{R}$ en la ecuación anterior obtenemos,

(1) $\begin{equation*} P = V * I = \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Así, obtenemos que el voltaje es igual a la potencia dividida por la corriente. Matemáticamente,

$\begin{align*} V = \frac{P}{I} \,\,Volts \end{align*}$

Ejemplo 2

Como se muestra en el circuito de abajo, una corriente de 2 A fluye a través de una lámpara de 48 W. Determine el voltaje de suministro.

Solución:

Datos proporcionados: $I = 2\,\,A$ , $P = 48 \,\,W$

Según la fórmula entre voltaje, potencia y corriente mencionada anteriormente,

$\begin{align*} & V = \frac{P}{I} \\ & = \frac{48}{2} \\ & V = 24 \,\,Volts \end{align*}$

Así, utilizando la ecuación obtenemos un voltaje de suministro de 24 voltios.

Fórmula de Voltaje 3 (Potencia y Resistencia)

Según la ecuación (1), el voltaje es la raíz cuadrada del producto de la potencia y la resistencia. Matemáticamente,

$\begin{align*} V = \sqrt{P*R} \end{align*}$

Ejemplo 3

Como se muestra en el circuito a continuación, determine el voltaje necesario para que brille una lámpara de 5 W con una resistencia de 2 Ω.

Solución:

Datos proporcionados: $P = 5 \,\, W$ , $R = 2 \,\, \Omega$

Según la fórmula mencionada anteriormente,

$\begin{align*} & V = \sqrt{P*R} \\ & = \sqrt{5*2} \\ & = \sqrt{10} \\ & V = 3.16 \,\,Volts \end{align*}$

Así, utilizando la ecuación, obtenemos el voltaje necesario para que brille una lámpara de $5 W, 2\Omega$ 3.16 Voltios.

Símbolo de Voltaje en el Circuito (CA y CD)

Símbolo de Voltaje CA

El símbolo para el voltaje CA (corriente alterna) se muestra a continuación:

企业微信截图_17098668569432.png — Símbolo de Voltaje CA

Símbolo de Voltaje CD

El símbolo para el voltaje CD (corriente directa) se muestra a continuación:

Dimensiones del Voltaje

El voltaje (V) es una representación de la energía eléctrica por unidad de carga.

Las dimensiones del voltaje pueden expresarse en términos de masa (M), longitud (L), tiempo (T) y amperio (A) como se da por $M L^2 T^-^3 A^-^1$ .

$\begin{align*} V = \frac{W}{Q} = \frac{M L^2 T^-^2}{A T} = M L^2 T^-^3 A^-^1 \end{align*}$

Es importante destacar que algunos también utilizan I en lugar de A para representar la corriente. En este caso, la dimensión del voltaje se puede representar como $M L^2 T^-^3 I^-^1$ .

Cómo Medir el Voltaje

En un circuito eléctrico o electrónico, la medición del voltaje es un parámetro esencial que debe ser medido. Podemos medir el voltaje entre un punto específico y la tierra o la línea de cero voltios en un circuito.

En un circuito trifásico, si medimos el voltaje entre cualquiera de las fases de las tres fases y el punto neutro, se conoce como voltaje fase a tierra.

De manera similar, si medimos el voltaje entre dos fases de las tres fases, se conoce como voltaje fase a fase.

Existen varios instrumentos utilizados para medir el voltaje. Discutamos cada método.

Método del Voltímetro

El voltaje entre dos puntos en un sistema se puede medir utilizando un voltímetro. Para medir un voltaje, el voltímetro debe conectarse en paralelo con el componente cuyo voltaje se va a medir.

Un extremo del voltímetro debe conectarse al primer punto y otro al segundo punto. Es importante notar que el voltímetro nunca debe conectarse en serie.

El voltímetro también se puede usar para medir la caída de tensión a través de cualquier componente o la suma de la caída de tensión a través de dos o más componentes dentro de un circuito.

Un voltímetro analógico funciona midiendo la corriente a través de un resistor fijo. Según la ley de Ohm, la corriente a través del resistor es directamente proporcional a la tensión o diferencia de potencial a través del resistor fijo. Así, podemos determinar la tensión desconocida.

Otro ejemplo de conexión de un voltímetro para la medición de la tensión a través de una batería de 9 V se muestra en la figura siguiente:

Método del multimetro

En la actualidad, uno de los métodos más comunes para medir la tensión es mediante el uso de un multimetro. El multimetro puede ser analógico o digital, pero los multimetros digitales son los más utilizados debido a su mayor precisión y bajo costo.

La tensión o diferencia de potencial a través de cualquier equipo se puede medir simplemente conectando las sondas de un multimetro a los dos puntos donde se desea medir la tensión. La medición de la tensión de una batería utilizando un multimetro se muestra en la imagen a continuación.

Multimeter for Voltage Measurement — Conexión del multimetro para la medición de la tensión de la batería

Método del potenciómetro

El potenciómetro funciona sobre el principio de la técnica de balance nulo. Mide la tensión comparando una tensión desconocida con una tensión de referencia conocida.

Otros instrumentos como el osciloscopio, el voltímetro electrostático también pueden usarse para medir la tensión.

Diferencia entre Voltaje y Corriente (Voltaje vs Corriente)

La principal diferencia entre el voltaje y la corriente es que el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un campo eléctrico, mientras que la corriente es el flujo de cargas eléctricas de un punto a otro en un campo eléctrico.

Podemos decir simplemente que el voltaje es la causa del flujo de corriente, mientras que la corriente es el efecto del voltaje.

Cuanto mayor sea el voltaje, mayor será la corriente que fluye entre dos puntos. Tenga en cuenta que si dos puntos en un circuito están al mismo potencial, entonces no puede fluir corriente entre esos puntos. La magnitud del voltaje y la corriente dependen una de la otra (según la ley de Ohm).

Otras diferencias entre el voltaje y la corriente se discuten en la tabla a continuación.

Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)} — Diferencia entre Voltaje y Corriente

Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)} — Diferencia entre Voltaje y Corriente

Diferencia entre Voltaje y Diferencia de Potencial (Voltaje vs Diferencia de Potencial)

No hay mucha diferencia entre el voltaje y la diferencia de potencial. Sin embargo, podemos describir la diferencia entre ellos de las siguientes maneras.

El voltaje es la cantidad de energía requerida para mover una carga unitaria entre dos puntos, mientras que la diferencia de potencial es la diferencia entre el potencial más alto de un punto y el potencial más bajo del otro punto.

Debido a la carga puntual:

El voltaje es el potencial obtenido en algún punto considerando el otro punto de referencia en el infinito. Mientras que la diferencia de potencial es la diferencia de potencial entre dos puntos a distancias finitas de la carga. Matemáticamente se pueden expresar como,

$\begin{align*} Potential = V = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0 R} \end{align}$

$\begin{align*} Potential \,\, Difference= V_1_2 = \frac{Q}{4 \pi \epsilon_0}(\frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2}) \end{align}$

Si prefieres una explicación en video sobre el voltaje, consulta el video a continuación:

¿Qué es un Voltaje Común?

Un voltaje común se define como el nivel o calificación típica de voltaje de los aparatos o equipos eléctricos.

A continuación se presenta una lista de voltajes comunes para diversos aparatos o equipos eléctricos.

Baterías de plomo-ácido utilizadas en vehículos eléctricos: 12 Voltios DC. La batería de 12 V consta de 6 celdas, con un voltaje común de cada celda de 2.1 V. Tenga en cuenta que las celdas están conectadas en serie para aumentar la clasificación de voltaje.
Células solares: Generalmente producen un voltaje de alrededor de 0.5 Voltios DC en condiciones de circuito abierto. Sin embargo, a menudo se conectan múltiples células solares en serie para formar paneles solares, que pueden generar un voltaje total más alto.
USB: 5 Voltios DC.
Líneas de transmisión de alta tensión de electricidad: 110 kV a 1200 kV CA.
Líneas de alimentación de trenes de alta velocidad (tracción): 12 kV y 50 kV CA o 0.75 kV y 3 kV DC.
Alimentación TTL/CMOS: 5 Voltios.
Una batería recargable de níquel-cadmio de una sola celda: 1.2 Voltios.
Baterías de linterna: 1.5 Voltios DC.

Un voltaje común suministrado por la empresa de distribución a los consumidores residenciales es:

100 V, 1 fase AC en Japón
120 V, 1 fase AC en América
230 V, 1 fase AC en India, Australia

Un voltaje común suministrado por la empresa de distribución a los consumidores industriales es:

200 V, 3 fases AC en Japón
480 V, 3 fases AC en América
415 V, 3 fases AC en India

Aplicaciones del Voltaje

Algunas de las aplicaciones del voltaje incluyen:

Una de las aplicaciones más comunes del voltaje es determinar la caída de tensión en un dispositivo o equipo eléctrico, como un resistor.
Se requiere la adición de voltaje para aumentar la clasificación de voltaje. Por lo tanto, las celdas se conectan en serie para aumentar la clasificación de voltaje.

El voltaje es la fuente de energía básica de cada pieza de equipo eléctrico y electrónico. Desde pequeños voltajes (5 V) hasta altos voltajes (415 V) se utilizan en diversas aplicaciones.

El bajo voltaje generalmente se utiliza para muchos equipos electrónicos y aplicaciones de control.

El alto voltaje se usa para

Impresión electrostática, pintura electrostática, recubrimiento electrostático de materiales
Estudio de la cosmología del espacio
Precipitador electrostático (control de la contaminación del aire)
Laboratorio de propulsión a chorro
Tubos de rayos X
Tubos de vacío de amplificador de alta potencia
Espectrometría de masas
Pruebas dieléctricas
Pruebas de alimentos y bebidas
Aplicaciones de pulverización y hilado electrostático, electrofotografía
Aplicaciones basadas en plasma
Detección de nivel
Calentamiento por inducción
Lámparas de flash
SONAR
Para pruebas de equipos eléctricos

Fuente: Electrical4u

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Voltage	Current
The voltage is the difference in potential between two points in an electric field.	The current is the flow of charges between two points in an electric field.
The symbol of the current is I.	The SI unit of current is ampere or amp.
The symbol of voltage is V or ΔV or E.	The symbol of current is I.
Voltage can be measured by using a voltmeter.	Current can be measured by using an ammeter.
$Voltage\ (V)=\frac{Work\ done\ (W)}{Charge\ (Q)}$	$Current\ (I)=\frac{Charge\ (Q)}{time\ (t)}$
$1\ Volt=\frac{1\ joule}{1\ coulomb}$	$1\ Ampere=\frac{1\ coulomb}{(1\ second)}$
In a parallel circuit, the magnitude of voltage remains the same.	In a series circuit, the magnitude of the current remains the same.
The voltage creates a magnetic field around it.	The current creates an electrostatic field around it.
Dimensions of voltage is $ML^2 T^-^3 A^-^1$	Dimensions of current is $MLTA^1$
In the hydraulic analogy, electric potential or voltage is equivalent to hydraulic water pressure.	In the hydraulic analogy, electric current is equivalent to hydraulic water flow rate.
The voltage is the cause of the current flowing in the circuit.	An electric current is the effect of a voltage.