Tensión (electricidad)

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

La tensión eléctrica (el nombre «voltaje» es aceptado pero se prefiere «tensión»)[1][2]​ es la magnitud física que describe el trabajo realizado al mover una carga puntual hipotética a travez del campo eléctrico que existe en una trayectoria especificada (se asume que el campo eléctrico no es alterado por la carga hipotética). Su unidad de medida en el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el voltio o sus múltiplos y submúltiplos (kilovoltio, etcétera). El símbolo recomendado para la magnitud física es ; La definición precisa es[3]

donde es la tensión para la trayectoria sobre la que se toma el integral de linea y es el campo eléctrico.

La tensión eléctrica está definida para cualquier trayectoria, no solo entre conductores eléctricos. En los casos donde el puntos de inicio y fin de la trayectoria son conductores eléctricos alimentados por una fuente (transformador, batería, fuente de corriente directa, etcétera), se puede medir con un voltímetro. Para medir tensiones en espacio abierto generalmente se hace un cálculo aproximado basado en la medición de el campo eléctrico en algunos puntos de la trayectoria.

Confusión con diferencia de potencial[editar]

La diferencia de potencial es la parte de la tensión eléctrica que se debe a la parte irrotacional del campo eléctrico; es una magnitud diferente de la tensión eléctrica. La diferencia de potencial está definida para cualquier par de puntos y no depende de la trayectoria. En algunos casos la tensión y diferencia de potencial tienen el mismo valor pero siempre son magnitudes diferentes.

En muchos circuitos eléctricos que se encuentran en la práctica la tensión difiere poco de la diferencia de potencial; por lo tanto se puede tomar una como aproximación de la otra. No es el caso en la presencia de inducción electromagnética. Por ejemplo supóngase un transformador sin carga. La tensión de una bobina es el integral del campo eléctrico por la trayectoria que sigue el conductor: empieza en una terminal, da considerables vueltas alrededor del núcleo y termina en otra terminal. Por inducción electromagnética existe un campo eléctrico en la bobina; esto causa que los electrones móviles de la bobina se distribuyan de forma que crean un campo eléctrico opuesto que cancela de forma casi perfecta el campo eléctrico inducido. La tensión a través de la bobina es por lo tanto negliglble. Si se conecta un aparato eléctrico al transformador, entonces la referencia para la tensión del aparato es una trayectoria a través de el aparato y sus cables de conexión. No hay vueltas alrededor del núcleo del transformador y el campo eléctrico inducido es 0. Existe el campo eléctrico creado por la diferencia de carga entre terminales del transformador; por eso la tensión del aparato es distinta de 0; para aparatos domésticos típicamente es un sinusoide con una frecuencia de 60 Hz o 50 Hz y un valor efectivo entre 120 V y 230 V.

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 diferente al del punto , se le llama diferencia de tensión a . Si es mayor que habrá cierta tensión o desequilibrio en dichos puntos, se establecerá un campo eléctrico que moverá los electrones desde el punto hacia el . Como el campo eléctrico es conservativo debe existir un camino cerrado desde el punto al para que se produzca flujo eléctrico y trabajo en la carga.[4]

Tensión en componentes pasivos[editar]

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

Tensión en una resistencia[editar]

Viene dada por la ley de Ohm:

Tensión en una bobina[editar]

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

Si L es constante:

Tensión en un condensador[editar]

Dos placas paralelas de un material conductor en un medio aislante eléctrico forman un condensador sencillo. 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]

Si C es constante:

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

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 en un período, transformando la energía eléctrica en energía térmica por efecto Joule.

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

,

donde es la energía consumida, es la potencia, es el periodo de tiempo, ef es el valor eficaz de la intensidad eléctrica, ef es la tensión eficaz y () es el valor instantáneo de la tensión en función del tiempo .

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

.

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

,

donde se expresa la tensión en función del tiempo , 0 es la amplitud de la tensión, es la frecuencia angular y es la fase o el desfase.

Tomando como periodo de integración el periodo de la onda (), se tiene:

;

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

.

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

;

Integrando:

Relaciones matemáticas[editar]

La tensión 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 a la tensión; estas son:

  1. Por definición de la impedancia , la tensión se puede expresar en función de la impedancia y la corriente como .
  2. Segunda ley de Kirchhoff o de las tensiones: establece que la suma de todas las caídas de potencial en un circuito cerrado es igual a cero.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

  1. «Tensión» en el diccionario de la lengua española (23a ed.), «Voltaje»] en op. cit.
  2. Lévy, Élie (2004). «Voltaje.» Diccionario de física. Ediciones AKAL. ISBN 978-84-460-1255-9.
  3. «IEC 80000-6:2008», página 13. Los símbolos para las cantiades físicas no son obligatorios, pero las unidades si lo son.
  4. «Reformas».