Voltaje: ¿Qué es? (Definición, fórmula y cómo medir la diferencia de potencial)

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¿Qué es el voltaje?

¿Qué es el voltaje?

El voltaje (también conocido como diferencia de potencial eléctrico, fuerza electromotriz fem, presión eléctrica o tensión eléctrica) se define como la diferencia de potencial eléctrico por unidad de carga entre dos puntos en un campo eléctrico . La tensión se expresa matemáticamente (por ejemplo, en fórmulas) mediante el símbolo «V» o «E».

Si está buscando una explicación más intuitiva para ayudar a explicar qué es el voltaje, pase a esta sección del artículo.

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

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

 begin {align *} Voltaje =  frac {Trabajo , , Listo  (W)} {Carga  (Q)}  end {align *}

Donde, el trabajo realizado está en julios y la carga en culombios.

 begin {align *} Por lo tanto, voltaje =  frac {joule} {coulomb}  end {align *}

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

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

La diferencia de voltaje o potencial da la fuerza a los electrones para que fluyan a través del circuito.

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

El voltaje también se conoce como tensión eléctrica. Por ejemplo, una capacidad de manejo de voltaje de cables como 1 kV, 11 kV, 33 kV se denomina cables de baja tensión, alta tensión y súper tensión, respectivamente.

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.

Considere dos puntos A y B.

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

Matemáticamente, esto se puede expresar como,

 begin {align *} V_A_B =  frac {W} {Q} = -  int_B ^ AE ^ - * 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 *}

Ahora bien, el voltaje puede ser un concepto bastante difícil de entender conceptualmente.

Así que usaremos una analogía con algo tangible, algo en el mundo real, para ayudar a que el voltaje sea más fácil de entender.

Entendiendo el voltaje por analogía

La «analogía hidráulica» es una analogía común que se utiliza para ayudar a 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 al caudal de agua hidráulica
  • La carga eléctrica es equivalente a una cantidad de agua.
  • Un conductor eléctrico es equivalente a una tubería.

Analogía 1

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

Analogía hidráulica 1
Analogía hidráulica 1

Ahora, la Figura (b) muestra dos tanques llenos con diferentes niveles de agua. Por tanto, existe cierta diferencia de presión entre estos dos tanques. Por lo tanto, el agua fluirá de un tanque a otros tanques hasta que el nivel de agua de ambos tanques se iguale.

Del mismo modo, si conectamos dos baterías a través de un cable conductor con diferentes niveles de voltaje, las cargas pueden fluir desde 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 se vuelve el mismo.

Analogía 2

Considere un tanque de agua colocado a cierta altura sobre el suelo. Hay una manguera en la parte inferior del tanque como se muestra en la imagen de abajo.

Analogía hidráulica 2
Analogía hidráulica 2

La presión del agua al final de la manguera es equivalente a la diferencia de voltaje o 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 este tanque de agua como una batería de almacenamiento. Cuando el voltaje de la batería disminuye, las lámparas se atenúan.

Analogía 3

Entendamos cómo se puede trabajar por voltaje o diferencia de potencial en un circuito eléctrico. En la siguiente figura se muestra una analogía simple entre el circuito de agua hidráulico y el circuito eléctrico.

Circuito hidráulico y eléctrico
Analogía de trabajo de circuito hidráulico y eléctrico

Como se muestra en el circuito de agua hidráulico, el agua fluye a través de una tubería accionada por una bomba mecánica. Una tubería 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 hacer un trabajo, como accionar una turbina.

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

¿Qué es el voltaje medido en (unidades de voltaje)?

Unidad SI de voltaje

La unidad SI para voltaje es voltios. Esto está representado por un V. El voltio es una unidad SI derivada de 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 se nombra en honor a ellos.

Voltios en unidades base SI

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

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

Por lo tanto, voltio se puede expresar en términos de unidades básicas 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 en amperios por ohmios.

Fórmula de voltaje

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

triángulo de fórmula de voltaje
Triángulo de fórmula de voltaje

Fórmula de voltaje 1 (ley de Ohm)

Según la ley de Ohm, el voltaje se puede expresar como,

 begin {align *} Voltaje = Corriente * Resistencia  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 voltaje en el circuito.

Ejemplo 1

Solución:

Los datos dados: , Yo = 4 , , AR = 15 , ,  Omega

Según la ley de ohm,

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

Por lo tanto, al usar la ecuación obtenemos una caída de voltaje en el circuito de 60 voltios.

Fórmula de voltaje 2 (potencia y corriente)

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

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

Ahora, ingrese I =  frac {V} {R}la ecuación anterior que obtenemos,

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

Por lo tanto, obtenemos voltaje igual a la potencia dividida por la corriente. Matemáticamente,

 begin {align *} V =  frac {P} {I} , , Voltios  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.

ejemplo 2

Solución:

Los datos dados: , Yo = 2 , , AP = 48 , , W

Según la fórmula,

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

Por lo tanto, al usar la ecuación obtenemos una tensión de alimentación 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 encender una lámpara de 5 W con una resistencia de corriente de 2 Ω.

ejemplo 3

Solución:

Los datos dados: P = 5 , , W,R = 2 , ,  Omega

Según la fórmula,

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

Por lo tanto, al usar la ecuación obtenemos el voltaje necesario para encender la 5 W, 2  Omegalámpara 3.16 voltios.

Símbolo del circuito de voltaje (CA y CC)

El símbolo de voltaje CC y voltaje CA se muestra en la siguiente imagen.

Símbolo de voltaje CA

Símbolo de voltaje CA
Símbolo de voltaje CA

Símbolo de voltaje CC

Símbolo de voltaje CC
Símbolo de voltaje CC

Dimensiones de voltaje

Voltaje (V) es una representación del potencial eléctrico de energía por unidad de carga. ]

Las dimensiones del voltaje se pueden expresar en términos de masa (M), longitud (L), tiempo (T) y amperios (A) están dados por ML ^ 2 T ^ - ^ 3 A ^ - ^ 1.

 begin {align *} V =  frac {W} {Q} =  frac {ML ^ 2 T ^ - ^ 2} {AT} = ML ^ 2 T ^ - ^ 3 A ^ - ^ 1  end {align *}

Tenga en cuenta que algunos también usan I en lugar de A para representar la corriente. En este caso, la dimensión del voltaje se puede representar como ML ^ 2 T ^ - ^ 3 I ^ - ^ 1.

Cómo medir el voltaje

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

En un circuito trifásico, si medimos el voltaje entre cualquiera de una fase desde el punto trifásico y neutro, entonces se conoce como voltaje de línea a tierra.

De manera similar, si medimos el voltaje entre dos fases cualesquiera de las trifásicas, entonces se conoce como voltaje de línea a línea.

Hay varios instrumentos que se utilizan para medir el voltaje. Discutámoslo uno por uno.

Método del voltímetro

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

Un cable del voltímetro debe estar conectado al primer punto y otro al segundo punto. Tenga en cuenta que el voltímetro nunca debe conectarse en serie.

El voltímetro también se puede usar para medir la caída de voltaje en cualquier componente o la suma de la caída de voltaje en dos o más componentes dentro de un circuito. La siguiente imagen muestra la conexión del voltímetro para la medición de voltaje a través de la resistencia.

conexión de voltímetro para medir el voltaje a través de la resistencia
Conexión de voltaje para medir el voltaje a través de la resistencia

Un voltímetro analógico funciona midiendo la corriente a través de una resistencia fija. Ahora, de acuerdo con la ley de ohm, la corriente a través de la resistencia es directamente proporcional al voltaje o la diferencia de potencial a través de la resistencia fija. Por tanto, podemos determinar el voltaje desconocido.

En la siguiente figura se muestra otro ejemplo de una conexión de voltímetro para medir el voltaje en una batería de 9 V.

conexión de voltímetro para medir el voltaje de la batería
Conexión del voltímetro para medir el voltaje de la batería

Método del multímetro

En la actualidad, uno de los métodos más comunes para medir el voltaje es mediante el uso de un multímetro. El multímetro puede ser analógico o digital, pero los multímetros digitales se utilizan con mayor frecuencia debido a su mayor precisión y bajo costo.

La diferencia de voltaje o potencial en cualquier equipo se puede medir simplemente conectando sondas de multímetro en los dos puntos donde se medirá el voltaje. La medición del voltaje de la batería mediante el uso de un multímetro se muestra en la siguiente imagen.

Multímetro para medición de voltaje
Conexión de multímetro para medir el voltaje de la batería

Método del potenciómetro

El potenciómetro funciona según el principio de la técnica de equilibrio nulo. Mide el voltaje comparando un voltaje desconocido con el voltaje de referencia conocido. El circuito del potenciómetro para la medición de voltaje se muestra en la siguiente figura.

circuito de potenciómetro para medición de voltaje
Circuito de potenciómetro para medición de voltaje desconocido

Otros instrumentos como un osciloscopio, un voltímetro electrostático también se pueden utilizar para medir el voltaje.

Diferencia entre voltaje y corriente (voltaje frente a corriente)

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

Simplemente podemos decir que el voltaje es la causa de que la corriente fluya, mientras que la corriente es el efecto del voltaje.

Cuanto mayor sea el voltaje, más corriente fluirá entre dos puntos. Tenga en cuenta que, si dos puntos de un circuito tienen el mismo potencial, la corriente no puede fluir. La magnitud de un voltaje y una corriente dependen la una de la otra.

Otras diferencias entre voltaje y corriente se analizan en la siguiente tabla.

Voltaje Actual
El voltaje es la diferencia de potencial entre dos puntos en un campo eléctrico. La corriente es el flujo de cargas entre dos puntos en un campo eléctrico.
La unidad SI de voltaje es voltio. La unidad SI de corriente es amperio o amperio.
El símbolo de voltaje es V o ΔV o E. El símbolo de la corriente es I.
El voltaje se puede medir usando un voltímetro. La corriente se puede medir con un amperímetro.
Voltaje  (V) =  frac {Trabajo  terminado  (W)} {Carga  (Q)} Actual  (I) =  frac {Carga  (Q)} {tiempo  (t)}
1  Volt =  frac {1  joule} {1  coulomb} 1  amperio =  frac {1  coulomb} {(1  segundo)}
En un circuito paralelo , la magnitud del voltaje sigue siendo la misma. En un circuito en serie, la magnitud de la corriente sigue siendo la misma.
El voltaje crea un campo magnético a su alrededor. La corriente crea un campo electrostático a su alrededor.
Las dimensiones del voltaje son ML ^ 2 T ^ - ^ 3 A ^ - ^ 1 Las dimensiones de la corriente son MLTA ^ 1
En la analogía hidráulica, el potencial o voltaje eléctrico es equivalente a la presión del agua hidráulica. En la analogía hidráulica, la corriente eléctrica es equivalente al caudal de agua hidráulica.
El voltaje es la causa de la corriente que fluye en el circuito. Una corriente eléctrica es el efecto de un voltaje.
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. Pero podemos describir la diferencia entre ellos de la siguiente manera.

El voltaje es la cantidad de energía requerida para mover una unidad de carga 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 *} Potencial = V =  frac {Q} {4  pi  epsilon_0 R}  end {align}

 begin {align *} Potencial , , Diferencia = V_1_2 =  frac {Q} {4  pi  epsilon_0} ( frac {1} {R_1} -  frac {1} {R_2})  end {align }

Si prefiere una explicación en video del voltaje, vea el video a continuación: