Voltaje o Tensión Eléctrica

El voltaje, también conocido como diferencia de potencial, tensión o potencial eléctrico, es una diferencia de potencial entre dos puntos por unidad de carga eléctrica. Debido que es es una diferencia, lo podemos representar con un delta V. Se puede definir como «el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas» (1).

El instrumento para medir el voltaje se le conoce como voltímetro o multimetro (este, mide más parámetros). Para medir el voltaje se toma conecta una punta a la referencia (usualmente tierra) y la otra al punto a medir.

El voltaje puede ser causado por campo eléctrico, corriente eléctrica o por la variación de campos magnéticos respecto al tiempo. El potencial eléctrico es medido mediante un potencial de energía por unidad de carga, con unidades Joules por Coulomb, lo que es igual a Volt (nombrado en honor al físico Alessandro Volta).

De acuerdo a las ecuaciones de Maxwel, el voltaje entre dos puntos es la suma de el campo eléctrico a través del camino entre dichos puntos, esto lo podemos representar con la siguiente ecuación.

    \[ V={\int} {\textbf{E}}{\cdot}d{\textbf{E}}} \]

Además el campo eléctrico es una medida de que tan rápido cambia el voltaje en dicho camino.

    \[ {\textbf{E}}={\frac{dV}{dl}}} \]

El detalle de estas ecuaciones seria tema de otro tutorial.

 

Analogía de Voltaje

Existe una famosa analogía para describir la relación de voltaje, corriente y resistencia. Consideremos un circuito eléctrico simple como una tubería que conecta dos contenedores de agua. Considere un reductor de diámetro en un punto del circuito o de la tubería. Observe figura 2 en donde se relacionan estos elementos. El flujo de agua (flujo o corriente eléctrica) depende directamente de que tan lleno esta el contenedor.  Considere que el agua es la carga del circuito, se mide en Coulombs. La presión con la que se tiene de un contenedor a otro, es la tensión o voltaje eléctrico, se mide en Volts. El flujo de agua que pasa por el tubo de un contenedor a otro, es la corriente eléctrica, se mide en Amperes. El ancho del canal de reducción, o en su defecto el ancho en todo el tubo e conexión es la resistencia, se mide en Ohms.

Voltaje analogia

Figura 1: Analogía de ley de ohm. Voltaje representado por cuanta agua hay en cada contenedor. La resistencia por el ancho del tubo conector. La corriente por el flujo que circula a través del tubo.

Voltaje

Figura 2: Circuito de referencia para la analogía.

Notese que en este caso ambos contenedores tienen agua, esto es que la diferencia de potencial en ambos es menor que si uno estuviese vacío. Cuando un contenedor esta vacío se hace referencia a 0V o también conocido como tierra o GND. La ecuación que relaciona estos tres conceptos es la ley de ohm.

Voltímetro es un dispositivo que mide volataje

El voltímetro mide la diferencia de carga o tensión eléctrica entre dos puntos, por lo que se tiene que conectar en paralelo al elemento o sección a medir. A diferencia del amperímetro que se conecta en serie. Un voltímetro tiene que tener una resistencia de entrada muy alta. Si tomamos como referencia los contenedores, si tenemos una resistencia baja se estaría fugando una cantidad de agua considerable. Los primeros multimetros median el voltaje o tensión eléctrica con un galvanometro. Una galvanómetro es una bobina que se mueve al detectar un campo eléctrico, este generado por el potencial a medir. La bobina se mueve y genera una fuerza o torque, la cual mueve un indicador. Actualmente todos los multimetros son implementados mediante sistemas de estado solido, principalmente convertidores analógico a digital ADC.

Voltaje multimetro

Figura 3: Multimetro. El multimetro tiene la función de voltimetro para medir voltaje, entre otras.

voltaje

Figura 4: Como medir el voltaje de un circuito.

Voltaje AC y DC

En algunas ocasiones escuchara nombrar los términos AC o DC, estos solo refieren a si el voltaje es fijo o variante en el tiempo. Un ejemplo de un voltaje de DC es el de una batería de litio de 3.3V, como la que se encuentra en un celular. Un ejemplo de voltaje alterno, es el que se mide en las terminales entre las 2 lineas de energía de una casa. Un voltaje en alterna, comúnmente se refiere a un comportamiento senoidal. El análisis de los sistemas eléctricos se vuelve independiente de el tipo de señal de entrada, en este caso para señales alternas se tienen que tomar mas consideraciones. En la siguiente figura, se representa de manera gráfica, la diferencia entre estos dos tipos de señales.

voltaje AC

Figura 5: Representación gráfica de un voltaje en alterna (AC).

voltaje

Figura 6: Representación gráfica de un voltaje en directa (DC).

Cuando se mide el voltaje de una señal alterna, se recomienda usar el osciloscopio, ya que si se usa el voltímetro, lo que se estaría midiendo es la señal eficaz, lo que es un tipo de promedio. Esto derivado a que los multimetros son sistemas digitales que toman muestras y promedian cada determinado tiempo. La función de este voltaje o tensión eficaz es:

Voltaje en componentes básicos RLC

El voltaje en una resistencia se da mediante la ley de ohm.

    \[ V = R{\cdot}I\]

Para una bobina o inductor se necesita considerar el voltaje en alterna, ya que en DC es un corto circuito. En alterna o AC, esta en función a la razón de cambio de la corriente respecto al tiempo por el valor del inductor.

    \[ V = L{\cdot}{\frac{di}{dt}} \]

El voltaje en un capacitor, se tiene que considerar en alterna, ya que en DC es un circuito abierto. Recuerde que el capacitor son dos placas físicamente separadas por un dieléctrico que solo conducen energía en los transitorios. El alterna o AC, el voltaje, esta en función a la integral de la corriente respecto al tiempo por el inverso del capacitor.

    \[ V={\frac{1}{C}}{\cdot}{\int _{0}^{t}i{\cdot}dt} \]

(1) https://es.wikipedia.org/wiki/Tensi%C3%B3n_(electricidad)

(2) http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/hframe.html

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Autor: DR: Hector Hugo Torres Ortega

 

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