Análisis de circuitos en ingeniería

Tensión, Voltaje o Diferencia de Potencial

Elemento de circuito

Objeto de cualquier forma con dos terminales a las cuales se pueden conectar otros elementos.

Hay dos caminos por los cuales puede entrar o salir la carga (o corriente). Imagina que por la terminal A entra una carga (o corriente) que pasa a través del elemento y sale por la terminal B.

Imagina también que el paso de esta carga a través del elemento requiere un GASTO DE ENERGÍA. Entonces, se dice que entre las dos terminales existe un VOLTAJE ELÉCTRICO, una TENSIÓN o una DIFERENCIA DE POTENCIAL entre las terminales A y B del elemento.

Voltaje

Por tanto, el voltaje entre un par de terminales es una MEDIDA DEL TRABAJO requerido para mover CARGA ELÉCTRICA a través del elemento. Así,

Específicamente, se define el voltaje entre los extremos del elemento como el TRABAJO requerido para mover una CARGA positiva de 1 C desde una terminal a la otra a través del dispositivo.

Unidad de voltaje

La unidad de voltaje es el VOLTIO (V), que es igual a 1 Joule / C, y se representa por V o v.

Entre un par de terminales puede existir un voltaje aun cuando entre ellas fluya o no una corriente. Por ejemplo, una batería de auto tiene un voltaje de 12 voltios entre sus terminales, aunque no haya nada conectado a la batería.

La energía que se gasta al forzar a las cargas a pasar a través del elemento debe aparecer en algún lugar, debido al principio de conservación de la energía. Esta energía se almacena o se transforma en energía calórica, acústica, etc.

Convención de signos: polaridad del voltaje

Se elige el signo del voltaje de la terminal A con respecto a la terminal B. Si a través de la terminal A entra una corriente positiva, y si una fuerza externa tiene que gastar energía para establecer esta corriente a través del elemento, entonces la terminal A es positiva respecto a B. La POLARIDAD del voltaje se indica por medio de un par de signos más-menos.

Es esencial que te des cuenta que el par de signos más-menos no indican la polaridad real del voltaje, sino que son solo una convención que permite hablar del voltaje entre terminales.

La definición de todo voltaje de incluir un par de signos más-menos y una magnitud, y la definición de una corriente deben incluir una flecha y una magnitud.

Ejemplo 1

VOLTAJE, TENSIÓN O DIFERENCIA DE POTENCIAL

El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.

Las cargas eléctricas en un circuito cerrado fluyen del polo negativo al polo positivo de  la  propia  fuente<de fuerza electromotriz.

La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de< cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–)< y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones< en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM.

A la izquierda podemos apreciar la estructura completa de un átomo de cobre (Cu) en estado "neutro",<con un solo electrón girando en su última órbita y a la derecha un "ión" cobre, después que el átomo ha<perdido el único electrón que posee en su órbita más externa. Debido a   que  en  esas  condiciones  la<carga positiva de los protones supera a las cargas negativas  de  los e lectrones  que  aún  continúan<girando en el resto de las órbitas, el ión se denomina en este caso "catión", por tener carga positiva.<

En otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico cerrado. Este movimiento de las cargas eléctricas por el circuito se establece a partir del polo negativo de la fuente de FEM hasta el polo positivo de la propia fuente. FUENTES DE FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) Como fuente de fuerza electromotriz se entiende cualquier dispositivo capaz de suministrar energía eléctrica dinámica, ya sea utilizando medios químicos, como las baterías, o electromecánicos, como ocurre con los generadores de corriente eléctrica. Batería como las comúnmente utilizadas en coches y vehículos motorizados. Generador sincrónico empleado. para producir<corriente  alterna en  centrales  termoeléctricas<de pequeño tamaño. Existen también otros tipos de dispositivos como, por ejemplo, las fotoceldas o celdas solares, que convierten la luz en electricidad; los termopares, cuyos alambres transforman la alta temperatura que reciben en el punto de unión de dos de sus extremos en voltajes muy bajos, y los dispositivos piezoeléctricos, que también producen voltajes muy bajos cuando se ejerce una presión sobre ellos. Mediante el uso de celdas solares se puede suministrar energía eléctrica a viviendas situadas en lugares muy apartados donde es imposible o poco rentable transmitirla por cables desde una central eléctrica. Los termopares se utilizan como sensores en instrumentos electrónicos de precisión, como los destinados a medir, por ejemplo, temperatura en hornos y calderas. Los dispositivos piezoeléctricos constituyen, por su parte, la pieza fundamental para convertir las vibraciones mecánicas que capta dicho dispositivo en pulsaciones eléctricas, como ocurre en algunos tipos de micrófonos y en las cápsulas de tocadiscos o giradiscos. ANALOGÍA HIDRÁULICA CON REFERENCIA A UN CIRCUITO ELÉCTRICO Analogía hidráulica con respecto a la tensión o voltaje. En la figura aparecen tres recipientes llenos de líquido, cuyos tubos de salida se encuentran todos al mismo nivel. Por la tubería del recipiente "B", el líquido saldrá con mayor presión que por la tubería del recipiente "A", por encontrarse el "B" a mayor altura. Lo mismo ocurre con el recipiente "C", que, aunque se encuentra al mismo nivel que el recipiente "A", cuando se ejerce presión con un émbolo sobre la superficie del líquido, éste saldrá también a mayor presión por el tubo. De forma parecida a esta analogía hidráulica actúa la fuente de fuerza electromotriz (FEM) para mover las cargas eléctricas por un conductor. A mayor presión que ejerza la fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones, mayor será también el voltaje, tensión o diferencia de pontencial que estará presente en un determinado cicuito eléctrico. Si comparamos el circuito eléctrico con un sistema hidráulico, el voltaje sería algo similar a la presión que se ejerce sobre el líquido en una tubería para su bombeo. Si la presión del sistema hidráulico aumenta, la fuerza de la corriente del líquido que fluye por la tubería también aumenta. De igual forma, cuando se incrementa el voltaje, la intensidad de la corriente de electrones que fluye por el circuito eléctrico también aumenta, siempre que el valor de la resistencia se mantenga constante. MEDICIÓN DE LA TENSIÓN O VOLTAJE Para medir tensión o voltaje existente en una fuente de fuerza electromotriz (FEM) o e un circuito eléctrico, es necesario disponer de un instrumento de medición llamado voltímetro, que puede ser tanto del del tipo analógico como digital. El voltímetro se instala de forma paralela en relación con la fuente de suministro de energía eléctrica. Mediante un multímetro o “tester” que mida voltaje podemos realizar también esa medición. Los voltajes bajos o de baja tensión se miden en volt y se representa por la letra (V), mientras que los voltajes medios y altos (alta tensión) se miden en kilovolt, y se representan por las iniciales (kV). 1. Voltímetro analógico. 2. Voltímetro digital. 3. Miliamperímetro analógico. 4. Amperímetro digital.  El voltímetro siempre se conecta en paralelo con la fuente de suministro de fuerza electromotriz, mientras que el amperímetro y el miliamperímetro se colocan en serie. Diferencias entre la alta, baja y media tensión Alta tensión. Se emplea para transportar altas tensiones a grandes distancias, desde las centrales generadoras hasta las subestaciones de transformadores. Su transportación se efectúa utilizando gruesos cables que cuelgan de grandes aisladores sujetos a altas torres metálicas. Las altas tensiones son aquellas que superan los 25 kV (kilovolt). Media tensión. Son tensiones mayores de 1 kV y menores de 25 kV. Se emplea para transportar tensiones medias desde las subestaciones hasta las subestaciones o bancos de transformadores de baja tensión, a partir de los cuales se suministra la corriente eléctrica a las ciudades. Los cables de media tensión pueden ir colgados en torres metálicas, soportados en postes de madera o cemento, o encontrarse soterrados, como ocurre en la mayoría de las grandes ciudades. Baja tensión. Tensiones inferiores a 1 kV que se reducen todavía más para que se puedan emplear en la industria, el alumbrado público y el hogar. Las tensiones más utilizadas en la industria son 220, 380 y 440 volt de corriente alterna y en los hogares entre 110 y 120 volt para la mayoría de los países de América y 220 volt para Europa. Hay que destacar que las tensiones que se utilizan en la industria y la que llega a nuestras casas son alterna (C.A.), cuya frecuencia en América es de 60 ciclos o hertz (Hz), y en Europa de 50 ciclos o hertz. OTROS DATOS Aunque desde hace años el Sistema Internacional de Medidas (SI) estableció oficialmente como “volt” el nombre para designar la unidad de medida del voltaje, tensión eléctrica o diferencia de potencial, en algunos países de habla hispana se le continúa llamando “voltio”. El volt recibe ese nombre en honor al físico italiano Alessandro Volta (1745 – 1827), inventor de la pila eléctrica conocida como “pila de Volta”, elemento precursor de las actuales pilas y baterías eléctricas.