Tensión (electricidad)

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Señal de peligro eléctrico, comúnmente conocido como alta tensión eléctrica.

La tensión eléctrica o diferencia de potencial (también denominada voltaje[1] [2] ) es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También 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. Se puede medir con un voltímetro.[3] Su unidad de medida es el voltio.

La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un sólo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial se defina como cero.

Analogía hidráulica[editar]

Suele usarse una analogía para entender de forma sencilla e intuitiva los conceptos básicos de electricidad. Se supone un camino cerrado de tuberías en forma de círculo, compuesto por:

  1. Agua: Son los electrones que se mueven para hacer algún trabajo.
  2. Bomba propulsora de agua: En el equivalente eléctrico seria la fuente de voltaje, que ejerce presión sobre los electrones (agua). Si la bomba está apagada no fluye agua o electrones. Si la bomba está encendida hay una diferencia de presión (tensión) que mueve el agua (electrones).
  3. Zona de la tubería muy estrecha. El agua tendrá dificultades para pasar por una tubería estrecha. Es el equivalente a la resistencia eléctrica, que impide el paso de electrones.

En el caso del voltaje debe existir un voltaje en A diferente al del punto B, se le llama diferencia de tensión a V_a - V_b = \Delta V. Si V_a es mayor que V_b habrá cierta tensión o desequilibrio en dichos puntos, se establecerá un campo eléctrico que moverá los electrones desde el punto A hacia el B. Como el campo eléctrico es conservativo debe existir un camino cerrado desde el punto A al B para que se produzca flujo eléctrico y trabajo en la carga.[cita requerida]

Tensión en componentes pasivos[editar]

La diferencia de potencial entre los terminales de un componente pasivo dependen de las características del componente y de la intensidad de corriente eléctrica.

Tensión en un condensador[editar]

Un condensador sencillo son dos placas paralelas de un material conductor en un medio aislante eléctrico. La tensión en un condensador produce un flujo de electrones en donde en una placa queda un exceso de electrones y en la otra falta de ellos, por lo tanto la ecuación típica es [cita requerida]:

i = C \cdot \frac{dV}{dt}

De la cual se deduce la diferencia de voltaje Vb-Va. Suponiendo Va = 0 o tierra. El voltaje en una de las placas paralelas sería:

V = \frac{1}{C} \cdot q = \frac{1}{C} \cdot \int_{0}^{t} i \cdot dt + \frac{q_0}{C}

Tensión en una bobina[editar]

Una bobina es un conductor o alambre enrollado en espiral. Las bobinas se ocupan en corriente alterna, que es una corriente que cambia de magnitud con el tiempo, generando una diferencia de potencial en sus terminales.

V = L \cdot \frac{di}{dt}

Tensión eficaz[editar]

Un multímetro con la función de voltímetro seleccionada. En corriente alterna indica el valor eficaz de la tensión.

La tensión eficaz o valor eficaz de la tensión es el valor medido por la mayoría de los voltímetros de corriente alterna. Equivale a una tensión constante que, aplicada sobre una misma resistencia eléctrica, consume la misma potencia eléctrica, transformando la energía eléctrica en energía térmica por efecto Joule.

La energía consumida en un periodo de tiempo T por una resistencia eléctrica es igual a

W = P \cdot T = I_{ef}^2 \cdot R \cdot T = \frac{1}{R} \cdot V_{ef}^2 \cdot T = \frac{1}{R} \cdot {\int_{0}^{T} {V^2(t)}\, dt},

donde W es la energía consumida, P es la potencia, T es el periodo de tiempo, Ief es la intensidad eléctrica, Vef es la tensión eficaz y V(t) es el valor instantáneo de la tensión en función del tiempo t.

Despejando la tensión eficaz se obtiene la media cuadrática de la tensión:

V_{ef} = \sqrt {{1 \over {T}} {\int_{0}^{T} {V^2(t)}\, dt}}.

En corriente alterna, la tensión varía conforme una onda senoidal.

V(t)=V_0 \cdot \sin(\omega t + \phi),

donde se expresa la tensión V en función del tiempo t. V0 es la amplitud de la tensión, \omega es la frecuencia angular y \phi es el desfase.

Tomando como periodo de integración el periodo de la onda (T = 2\pi/\omega), se tiene:

V_{ef} = \sqrt {{\frac{\omega}{2\pi}} {\int_{0}^{\frac{2\pi}{\omega}} {V_0^2 \sin^2(\omega t)}\, dt}};

Como la amplitud de la tensión V0 es constante puede sacarse fuera de la integral.

V_{ef} = \sqrt {{\frac{V_0^2\omega}{2\pi}} {\int_{0}^{\frac{2\pi}{\omega}} {\sin^2(\omega t)}\, dt}}.

Aplicando una identidad trigonométrica para eliminar la potencia cuadrática de una función trigonométrica:

V_{ef} = \sqrt {{\frac{V_0^2\omega}{2\pi}} {\int_{0}^{\frac{2\pi}{\omega}} {{1 - \cos(2\omega t) \over 2}}\, dt}};

Integrando:

V_{ef} = \sqrt {{\frac{V_0^2\omega}{2\pi}} \Big [ {\frac{t}{2}-\frac{\sin({2\omega t})}{4\omega}} \Big ]_{0}^{\frac{2\pi}{\omega}} }
V_{ef} = \sqrt {{\frac{V_0^2\omega}{2\pi}} \cdot \frac{\pi}{\omega} }
V_{ef} = \frac{1}{\sqrt {2}} V_0

Relaciones matemáticas[editar]

El voltaje es una de las tres variables comunes que se usan en electricidad, en conjunto con la corriente y la impedancia eléctrica. Existen dos leyes importantes básicas que relacionan al voltaje estas son:

  1. Ley de Ohm: relaciona el voltaje V, con la carga R, y la corriente I con la relación V=RI.
  2. Ley de voltaje de Kirchhoff: establece que la suma de todas las caídas de potencial en un circuito cerrado es igual a cero.

Véase también[editar]

Referencias[editar]