¿Qué es el voltaje? su unidad, fórmula, tipos y aplicaciones
Seguro que ha oído hablar del voltaje, la corriente y la potencia que se asocian a la electricidad. Es uno de los parámetros básicos fundamentales de la electricidad. Las líneas aéreas de transmisión que poseen una tensión muy alto se utilizan para transmitir energía a larga distancia a los centros de carga (ciudades, hogares e industrias). Te explicaremos con lujo de detalle lo qué es el voltaje, presta atención.
Cualquier fuente de energía eléctrica, como las baterías, tienen su tensión mencionado en su carcasa, como las baterías de coche de 12 V o las baterías de 1,5 V utilizadas en los aparatos. Los tomacorrientes de nuestra casa proporcionan una tensión de 120/220 que se suministra desde los postes de la red eléctrica.
Es necesario conocer la tensión porque es esencial que cualquier equipo eléctrico sea alimentado por una fuente de energía que tenga los valores de voltaje requeridos para los que está diseñado. Cada equipo eléctrico tiene su requisito de tensión mencionado en su placa de identificación o en su manual.
Los equipos diseñados para 220 voltios no funcionarán con un suministro de 12 voltios y los equipos diseñados para 12 voltios se dañarán si se conectan a un suministro de 220 voltios. Aparte de eso, el voltaje tiene tipos y debes ser capaz de diferenciar cuál es el adecuado para un dispositivo específico.
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Antes de entender qué es el voltaje, tenemos que entender la carga.
¿Qué es el voltaje? Diferencia de potencial eléctrico y definición y aplicaciones de EMF
Carga eléctrica
Las partículas subatómicas que existen en un átomo, conocidas como protón y electrón, reciben los nombres arbitrarios de carga positiva y carga negativa respectivamente. «Las cargas opuestas se atraen». En otras palabras, el electrón y el protón se atraen.
Supongamos que dos barras hechas de partículas cargadas positiva y negativamente y una carga de prueba positiva se coloca en la parte superior de la barra negativa en el punto A. La distancia entre la carga de prueba y la barra negativa es cero. Si suelto la carga de prueba, no habrá ningún movimiento.
Esta analogía explica la tensión donde la tensión es la energía potencial que corresponde a la distancia entre la carga de prueba y la barra positiva. En el primer caso, no hay distancia entre ellos y la carga no se mueve, lo que significa que si no hay tensión, la carga (corriente) no fluye en un conductor.
Mientras que el segundo caso sugiere que hay algún voltaje que obliga a la carga a moverse en una dirección específica. La tensión es la presión o la fuerza que empuja la corriente dentro de un conductor, al igual que la fuerza experimentada por la carga negativa.
También podemos utilizar la analogía del agua para entenderlo. Supongamos que hay un tanque de agua que tiene un agujero en el fondo para que el agua pueda salir. El nivel del agua dentro del tanque representa el voltaje y la cantidad de agua que sale representa la corriente.
¿Qué es voltaje?
En un circuito eléctrico, el voltaje es la fuerza o presión que se encarga de empujar la carga en un conductor de bucle cerrado. El flujo de carga se llama corriente. El voltaje es el potencial eléctrico entre dos puntos; cuanto mayor sea el voltaje, mayor será el flujo de corriente a través de ese punto. Se denota con la letra V o E (utilizada para representar la fuerza electromotriz).
El voltaje también se conoce como presión eléctrica, voltaje eléctrico o diferencia de potencial eléctrico. Hay una pequeña diferencia entre el voltaje y la fuerza electromotriz.
Unidad del voltaje
La unidad del voltaje es el voltio, llamado así por el físico italiano Alessandro Volta, que inventó la primera pila (pila química, para ser más precisos).
El voltio se define como «la diferencia de potencial entre dos puntos que permite el paso de una corriente de 1 amperio y disipa vatio de potencia entre estos puntos».
En otras palabras, un «voltio» es la diferencia de potencial que mueve un julio de energía por culombio de carga entre dos puntos.
V = J / C = W / A en voltios
Donde:
- V = Tensión en «Voltios»
- J = Energía en «Julios»
- C = Carga en «Columbos»
- W = Trabajo realizado en «Julios»
- A = Corriente en «Amperios»
Para obtener más detalles, consulte la última publicación sobre «¿Qué es Volt (V)?» Unidad en Ingeniería Eléctrica y Física”.
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Fuerza electromotriz y diferencia de potencial
La diferencia de potencial o el voltaje y la FEM son intercambiables, pero hay una pequeña diferencia entre ellos. Verás, el voltaje de una fuente de energía como las baterías cae cuando se conectan a un circuito con carga (resistencia).
La caída de tensión se debe a la resistencia interna de las baterías. Este voltaje reducido se conoce como diferencia de potencial, que depende de la carga conectada, mientras que la FEM (fuerza electromotriz) es la tensión sin carga de la batería o fuente de alimentación.
La diferencia de potencial es siempre menor que la FEM y la FEM es el voltaje máximo que puede suministrar la batería.
¿Cómo se genera el voltaje?
El voltaje se genera utilizando varios métodos, como las reacciones químicas dentro de las baterías, la radiación solar en las células fotovoltaicas y la inducción magnética en los generadores de turbina. En cualquiera de los casos, la fuente de energía genera una diferencia de potencial a través de sus terminales que puede empujar la carga a fluir a través del circuito.
Polaridad de voltaje
La polaridad del voltaje es un punto muy importante para entender el voltaje. Como sabemos, el voltaje es una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. La diferencia sugiere cuál de los dos puntos tiene el mayor potencial. En otras palabras, el voltaje en un punto se toma con referencia a otro punto.
El circuito dado tiene un corte en los puntos A y B donde el voltaje entre ellos es igual a los 12 voltios. El voltaje en el punto A es de +12 voltios con respecto a B mientras que el voltaje en el punto B es de -12 voltios con respecto a A. Esta polaridad es asignada por los terminales de la fuente de alimentación. Supongamos que cerramos el circuito, la corriente comenzará a fluir en el sentido de las agujas del reloj desde el terminal positivo al negativo.
Ahora, si intercambiamos los terminales de la fuente, las polaridades de voltaje en los puntos A y B también se invierten. Si conectamos el circuito cerca, la corriente empezará a fluir en sentido contrario a las agujas del reloj. La dirección del flujo de corriente en un circuito depende de las polaridades de voltaje de la fuente.
En la corriente alterna, la polaridad de voltaje cambia varias veces por sí sola. Por lo tanto, el sentido de la corriente también se invierte múltiples veces.
Como hemos comentado, la corriente eléctrica fluye de un potencial alto a un potencial bajo, como se muestra en estos circuitos. Pero la definición de corriente eléctrica es el flujo de electrones (cargas negativas). Se supone que fluye desde el potencial bajo (terminal negativo) hacia el potencial más alto (terminal positivo) de la batería. La primera se denomina corriente convencional, mientras que la segunda se llama corriente de electrones.
Tipos de voltaje
El voltaje tiene varios tipos según la naturaleza de su polaridad y niveles de voltaje.
Voltaje CC
La corriente continua (DC) es una corriente unidireccional que fluye en una sola dirección. Normalmente, la fuente de alimentación de CC son las pilas, en las que se indican claramente las polaridades. Estas fuentes pueden almacenar energía eléctrica en forma de CC. Tiene polaridades fijas, es decir, positiva y negativa. Además de los signos ±, el voltaje CC se indica con un guion con el símbolo de 3 puntos (⎓).
Dado que el voltaje CC empuja la corriente en una sola dirección, debe tener cuidado al conectar la carga utilizando las polaridades correctas. Invertir las polaridades dañará el circuito.
Voltaje de corriente alterna (CA)
En la corriente alterna (CA), el sentido de la corriente cambia continuamente debido al cambio continuo de las polaridades del voltaje. El suministro de voltaje en los enchufes de nuestra casa tiene un suministro de 50/60 Hz, es decir, intercambia sus polaridades 100/120 veces en un segundo. No tiene polaridades constantes, por lo que no verás ningún signo + o – en los enchufes. Por lo tanto, la carga puede conectarse en cualquiera de las dos posiciones. Intercambiar los terminales del equipo no afectará a su funcionamiento. El voltaje de CA se indica con un símbolo de onda ~.
Cualquier equipo diseñado para CA no puede funcionar con voltaje CC y lo contrario también es cierto. El tipo de voltaje se menciona claramente en el equipo para el que está diseñado.
Tensión extra baja ELV (<70)
El voltaje extra bajo, también conocida como ELV, es un rango de voltaje por debajo de 70 voltios. Este nivel de voltaje no es perjudicial para el cuerpo humano. Se utiliza específicamente para eliminar el riesgo de descarga eléctrica. Se utiliza en la iluminación de piscinas, spas y equipos que funcionan con baterías.
Baja tensión LV (70 – 600 v)
El voltaje bajo es el rango de voltajes que está por encima de ELV y cae por debajo del rango de 600v. Este voltaje se suministra normalmente a los hogares y a las industrias. Los enchufes de nuestras casas suministran 110/220 voltios. No se recomienda tocar los cables vivos que tienen estos voltajes. Tocar este tipo de voltaje te dará una shock y te alejará si tienes suerte. Sin embargo, puede resultar fatal en condiciones de humedad, por lo que siempre hay que tener cuidado.
Media tensión MV (600 – 35 KV)
Los rangos de media tensión se sitúan por debajo de los 35 KV y estos voltajes no suelen utilizarse para el consumo. Se utiliza sobre todo para la transmisión entre subestaciones y postes de servicios públicos cerca de nuestros hogares. Estos voltajes son muy peligrosos y muy mortales.
Alta tensión HV (115.000 – 230.000 KV)
Los altos voltajes oscilan entre 115 KV y 230KV. Estos voltajes se utilizan para la transmisión de energía entre ciudades y desde la estación de generación hasta las subestaciones de carga.
Extra Alta Tensión EHV (345.000 – 765.000 KV)
La tensión extra alta oscila entre 345KV y 765 KV y se utiliza para la transmisión de energía a muy larga distancia. Es necesario aumentar la tensión para transmitir a mayores distancias. El aumento de la tensión disminuye las pérdidas de la línea debidas a la corriente.
Ultra Alta Tensión UHV (765.000 – 1.100.000 KV)
Estos voltajes son muy altos y se utilizan para la transmisión de energía a distancias muy largas.
Corriente continua de alto voltaje (HVDC)
La corriente continua de alto voltaje o, más brevemente, conocida como HVDC, es una gama de voltajes de corriente continua que se utiliza para la transmisión eficiente de energía a larga distancia. Como su nombre indica, se trata de voltajes de corriente continua en rangos muy altos. La ventaja de utilizar HVDC en lugar de HVAC es que es más barata y tiene muy pocas pérdidas para transmitir energía desde estaciones generadoras remotas a centros de carga que están a más de 600 km o 400 millas de distancia. También se utiliza para la transmisión de energía subterránea o submarina desde parques eólicos en alta mar.
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¿Cómo se calcula el voltaje?
El voltaje puede calcularse en diferentes escenarios que dependen de las cantidades relacionadas disponibles, como la corriente en amperios, la potencia en vatios y la resistencia en ohmios, etc. Para una explicación clara, veamos los siguientes ejemplos resueltos.
Ejemplo 1:
Calcular el valor de la caída de voltaje a través de una resistencia de 6Ω si el valor de la corriente que circula por ella es de 2A.
Solución:
Según la ley de Ohm :
V = I x R
Poniendo los valores
V = 2A x 6Ω
V = 12 Voltios.
Ejemplo 2:
Determinar el valor del voltaje de alimentación si en un elemento del calentador de agua de 1920W circula una corriente de 16A.
Solución:
Sabemos que
V = P ÷ I
Poniendo los valores:
V = 1920W ÷ 16A
V = 120 Voltios
Ejemplo 3:
Hallar el valor del voltaje necesario para que se encienda una bombilla que tiene 10W y una resistencia de 10Ω.
Solución:
La ecuación derivada de P = V x I (donde poniendo I = V ÷ R).
V = √(P x R)
Poniendo los valores:
V = √(10W x 10Ω)
V= √(100)
V = 10 Voltios
¿Cómo se mide el voltaje?
Para medir los parámetros de la línea, como la corriente, la tensión y la resistencia, utilizamos varios instrumentos. El instrumento utilizado para medir la tensión entre dos puntos se conoce como multímetro.
El multímetro puede ser analógico o digital. La evolución de la tecnología facilita la lectura y la precisión del multímetro digital. Hoy en día, se utiliza el multímetro digital porque elimina el error humano y puede ser más preciso. Utilizamos las lecturas del multímetro para solucionar problemas de cualquier sistema eléctrico.
Además del multímetro, también se utiliza un potenciómetro y un multímetro digital o analógico para medir el voltaje en una conexión. Hay un modo de voltaje (para CA y CC) en un multímetro y los cables se colocan en paralelo con el elemento en el que se necesita medir el voltaje a través de él.
Nota:
- Conecte siempre el multímetro a través de la fuente de voltaje en la configuración en paralelo.
- Tenga en cuenta que el multímetro se conecta en serie para medir la corriente eléctrica.
- Elija siempre el nivel de voltaje más bajo (moviendo la perilla del multímetro al nivel más bajo, es decir, 50V, 100V, etc.) y luego aumente hasta el nivel de voltaje deseado mientras mide la voltaje.
- Seleccione la CA y la CC en un multímetro (moviendo la perilla del medidor de AVO a los símbolos de CA/CC impresos en él) mientras mide los diferentes niveles de voltaje para los circuitos de CA y CC respectivamente.
Niveles de voltaje comunes de CA y CC
El nivel de voltaje típico de los distintos dispositivos y aparatos eléctricos se conoce como voltaje común. A continuación se indican algunos niveles de voltaje comunes para aplicaciones de CA y CC en diferentes países.
Niveles de tensión de CC
- Los paneles solares más comunes están disponibles en 12V. El valor de cada célula solar es de aproximadamente 0,5V a 0,6V. Estas células se disponen casi siempre en serie para conseguir el sistema de 12V deseado.
- Las baterías utilizadas en los automóviles y vehículos eléctricos son de 12V. El valor de cada célula es de unos 2V que se conectan en serie para aumentar el valor de voltaje.
- USB, Puertos, Cargadores móviles, Fuente de alimentación TTL/CMOS: 5VDC
- Salida de la fuente de alimentación en los inversores comunes: 12VDC
- Baterías de linternas y pilas recargables simples: 1,2 a 1,5V CC
- Líneas eléctricas de tracción para trenes: Hasta 3kV DC (y de 12kV a 50kV AC).
Niveles de tensión de CA
Tensión de alimentación residencial
Los voltajes disponibles habitualmente para los consumidores domésticos y residenciales y las aplicaciones domésticas de los proveedores de servicios públicos son las siguientes en diferentes regiones:
- 120V y 240V, monofásico (EE.UU. y Canadá)
- 230V, monofásico (Reino Unido, UE, Australia, Asia y otros países que siguen la CEI)
- 100V, monofásico (Japón)
- 220V, Monofásico (China, Rusia)
A pesar del voltaje común en EE.UU., también se utilizan los siguientes voltajes para los sistemas de alimentación monofásicos.
Tensión monofásico en EE.UU. (América)
- 120V, 1-Fase
- 240V, 1-Fase
- 208V, 1-Phase (High Leg Delta)
- 277V, 1-Fase
- 480V, 1-Fase
Voltaje trifásico en EE.UU. (América)
- 240V, trifásico
- 208V, trifásico
- 480V, trifásico
Tensión de suministro comercial
Los voltajes comúnmente disponibles para las aplicaciones industriales y comerciales de los proveedores de servicios públicos son los siguientes en diferentes áreas:
- 277V y 480V, trifásico (EE.UU. y Canadá)
- 415V, trifásico (Reino Unido, UE, Australia, Asia y otros países que siguen la CEI)
- 200V, trifásico (Japón)
- 380V, trifásico (China, Rusia)
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