Voltaje: definición, ecuación, unidades (con ejemplos)

Imagina que el agua fluye cuesta abajo a través de un sistema de tuberías. Tu intuición debería decirte qué factores harían que el agua fluyera más rápido y qué haría que fluyera más lento. Cuanto más alta sea la colina, más rápida será la corriente, y cuantas más obstrucciones haya en la tubería, más lento fluirá.

Todo esto se debe a undiferencia de energía potencial​ ​entre la cima de la colina y la base, porque el agua tiene energía potencial gravitacional en la cima de la colina y ninguna cuando llega al fondo.

Esta es una gran analogía para la electricidad.Voltaje. De la misma manera, cuando hay una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un circuito eléctrico, la corriente eléctrica fluye de una parte del circuito a otra.

Al igual que en el ejemplo del agua, la diferencia de energía potencial entre los dos puntos (creada por la distribución de la carga eléctrica) es lo que crea el flujo de corriente. Por supuesto, los físicos tienen definiciones más precisas que esta, y aprender ecuaciones como la ley de Ohm le brinda una mejor comprensión del voltaje.

Voltaje es el nombre que se le da a una diferencia de energía potencial eléctrica entre dos puntos y se define como la energía potencial eléctrica por unidad de carga. Aunquepotencial eléctricoes un término más exacto, el hecho de que la unidad SI de potencial eléctrico sea el voltio (V) significa que comúnmente se conoce como voltaje, particularmente cuando la gente habla de la diferencia de potencial entre los terminales de una batería u otras partes de un circuito.

La definición se puede escribir matemáticamente como:

DóndeVes la diferencia de potencial,mi​_el es la energía potencial eléctrica (en julios) yqes la carga (en culombios). A partir de esto, debería poder ver que 1 V = 1 J / C, lo que significa que un voltio se define como un julio por culombio (es decir, por unidad de carga). A veces, verásmiutilizado como símbolo de voltaje, porque otro término para la misma cantidad es "fuerza electromotriz" (EMF), pero muchas fuentes usanVpara que coincida con el uso diario del término.

El voltio toma su nombre del físico italiano Alessandro Volta, mejor conocido por inventar la primera batería eléctrica (llamada "pila voltaica").

Sin embargo, la ecuación anterior no es la más utilizada para el voltaje, porque la mayoría de los vez que encuentre el término involucrará un circuito eléctrico, y la ecuación más útil para esto esLey de Ohm. Esto relaciona el voltaje con el flujo de corriente en el circuito y la resistencia al flujo de corriente desde los cables y componentes del circuito, y tiene la forma:

DóndeVes la diferencia de potencial en voltios (V);Ies el flujo de corriente, con una unidad de amperio o amperio para abreviar (A); yRes la resistencia en ohmios (Ω). De un vistazo, esta ecuación le dice que para la misma resistencia, voltajes más altos producen corrientes más altas (análoga a aumentar la altura de la colina en la introducción) y para el mismo voltaje, el flujo de corriente se reduce para resistencias más altas (análoga a las obstrucciones de las tuberías en el ejemplo). Si no hay diferencia de voltaje, no fluirá corriente.

Los diferentes componentes de un circuito tendrán diferentescaídas de voltajea través de ellos, y puede usar la ley de Ohm para calcular cuáles serán. Sin embargo, de acuerdo con la ley de voltaje de Kirchhoff,la suma de las caídas de voltaje alrededor de cualquier bucle completo en un circuito debe ser igual a cero​.

El voltaje a través de un elemento en un circuito eléctrico se puede medir con un voltímetro o un multímetro, este último contiene un voltímetro pero también otras herramientas como un amperímetro (para medir la corriente). Conecta el voltímetro en paralelo a través del elemento que se está midiendo para determinar la caída de voltaje entre los dos puntos, ¡nunca lo conecte en serie!

Los voltímetros analógicos funcionan usando un galvanómetro (un dispositivo para medir pequeñas corrientes eléctricas) en serie con una resistencia de alto ohmio, con el galvanómetro que contiene una bobina de alambre en un campo magnético. Cuando una corriente fluye a través del cable, crea un campo magnético, que interactúa con el existente. campo magnético para hacer girar la bobina, que luego mueve el puntero en el dispositivo para indicar el Voltaje.

Debido a que la rotación de la bobina es proporcional a la corriente, y la corriente es a su vez proporcional al voltaje (según la ley de Ohm), cuanto más gira la bobina, mayor es el voltaje entre los dos puntos. Esto es más complicado si está midiendo corriente alterna en lugar de corriente continua, pero diferentes diseños también lo hacen posible.

Debe conectar un voltímetro en paralelo porque dos elementos del circuito en paralelo tienen el mismo voltaje entre ellos. Un voltímetro debe tener una alta resistencia porque esto evita que extraiga una corriente demasiado grande del circuito principal y, por lo tanto, interfiera con el resultado. Además, los voltímetros no están diseñados para generar grandes corrientes, por lo que si conecta uno en serie, fácilmente podría romper o fundir un fusible.

Aprender a trabajar con el potencial eléctrico implica aprender a usar la ley de Ohm y aprender a aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff para determinar las caídas de voltaje en diferentes elementos de un circuito. Lo más sencillo es aplicar la ley de Ohm a todo un circuito.

Si un circuito está alimentado por una batería de 12 V y tiene un total de 70 ohmios de resistencia, ¿cuál es la corriente que fluye a través del circuito?

Aquí, simplemente necesita reorganizar la ley de Ohm para crear una expresión para la corriente eléctrica. La ley establece:

Todo lo que necesitas hacer es dividir ambos lados porRy revertir para obtener:

Insertar valores da:

Entonces la corriente es 0.1714 A, o 171.4 miliamperios (mA).

Pero ahora imagine que estos 70 Ω de resistencia se dividen en tres resistencias diferentes en serie, con valores de 20 Ω, 10 Ω y 40 Ω. ¿Cuál es la caída de voltaje en cada componente?

Nuevamente, puede usar la ley de Ohm para observar cada componente por turno, notando la corriente eléctrica general alrededor del circuito de 0.1714 A. Usando V = IR para cada una de las tres resistencias a su vez:

Por el primero:

El segundo:

Y el tercero:

De acuerdo con la ley de voltaje de Kirchhoff, estas tres caídas de voltaje deberían sumar 12 V:

Esto equivale a 12 V con dos decimales, y la ligera discrepancia se debe a errores de redondeo.

En la discusión anterior sobre cómo medir el voltaje, se observó que las caídas de voltaje en los componentes paralelos de un circuito son iguales. Esto se explica porLey de voltaje de Kirchhoff, que establece que la suma de todos los voltajes (el voltaje positivo de la fuente de energía y las caídas de voltaje de los componentes) en un circuito cerrado debe ser igual a cero​.

Para un circuito paralelo, con múltiples ramas, puede crear un bucle que incluya cualquiera de las ramas paralelas y la batería. Independientemente del componente en cada rama, la caída de voltaje en cualquier ramadeberpor lo tanto será igual al voltaje proporcionado por la batería (ignorando la posibilidad de otros componentes en serie, por simplicidad). Esto es cierto para todas las ramas, por lo que los componentes paralelos siempre tendrán caídas de voltaje iguales en todos ellos.

La ley de Ohm también puede extenderse para relacionarse con el poder (PAG), que es la tasa de suministro de energía en julios por segundo (vatios,W), y resulta que P = IV.

Para un componente de circuito como una bombilla, esto muestra que la energía que disipa (es decir, se convierte en luz) depende del voltaje a través de él, con voltajes más altos que conducen a una salida de potencia más alta. De acuerdo con la discusión de los componentes paralelos en la sección anterior, varias bombillas dispuestas en paralelo brillan más que las mismas bombillas dispuestas en serie, porque el voltaje total de la batería cae en cada bombilla cuando se conectan en paralelo, mientras que solo un tercio lo hace cuando están conectadas en serie.