El Voltaje eléctrico

Resumen

El voltaje eléctrico es, por definición, la energía eléctrica necesaria para trasladar una unidad de carga de una posición a otra. 

\[ V=\frac{E}{Q} \]

Magnitud física Unidades (S.I.)
Voltaje V Voltios V
Energía E Julios J
Carga Q Culombios C

Introducción

Más de una vez habrás escuchado hablar en el instituto, en tu casa o en la calle de voltaje eléctrico, diferencia de potencial eléctrico o tensión, preguntándote qué es. Pero no te preocupes más, porque hoy entenderás todo sobre el voltaje.

¿Qué es el voltaje eléctrico?

Para poder explicar qué es el voltaje necesitamos la definición de potencial eléctrico (representado por la letra V).

El potencial eléctrico es una propiedad que tiene cada punto del espacio. Para entenderlo vamos a imaginar una partícula fija (inmóvil) cargada positivamente (un protón). Esta partícula, provoca un potencial en cada uno de los puntos del espacio conocido como voltaje.

Voltaje eléctrico - Campo eléctrico que produce un electrón

Cuanto más lejos esté el punto de protón, menor será su voltaje, siendo 0 cuando r tiende infinito. Esto se debe a que el voltaje depende del radio.

\[ V=K \cdot \frac{Q}{r} \]

Magnitud física Unidades (S.I.)
Voltaje V \[V\]

Constante de Culombio

K

\[\frac{N \cdot m^2}{C^2} \]
Carga Q \[C\]
Radio r \[m\]

Por tanto, debido a que voltaje depende de la distancia al centro de la carga (el radio), según la imagen anterior podemos deducir que:

\[\text{Si }r_A < r_B < r_C \Rightarrow V_A > V_B > V_C\]

Además, gracias a la fórmula anterior, podemos deducir que si dos puntos diferentes se encuentran a la misma distancia de la carga, su voltaje será igual:

Voltaje eléctrico - Punto equidistante del potencial eléctrico

\[\text{Si }r_A = r_B  \Rightarrow V_A = V_B \]

Este voltaje representa la energía que almacena un punto y que se le aplicaría a una unidad de carga que se colocara sobre ese punto.

\[ V=\frac{E}{Q} \]

Magnitud física Unidades (S.I.)
Voltaje V Voltios V
Energía E Julios J
Carga Q Culombios C

Es decir, si sobre un punto del espacio que está a 1 Voltio colocamos 1 Culombio (12 trillones de protones), ese punto ejercerá 1 Julio de energía sobre esos 12 trillones de electrones.

Por tanto, el voltaje es una energía que se aplica a una partícula cargada. Y como muchos ya sabréis (y sino ya lo sabéis), toda materia tiende a moverse de un estado de más energía a otro de menor energía.

Si consideramos circunferencias con diferentes radios, podemos intuir que, si colocamos un protón, tenderá a alejarse (pues circunferencias de mayor radio tienen menos energía).

Voltaje eléctrico - Recorrido de un protón en un campo eléctrico

Esto se suele representar de la siguiente forma, indicando el sentido al que se dirigiría una partícula cargada positivamente (notar que en el caso del portón, la partícula positiva sería repelida, y en el caso del electrón, la partícula positiva sería atraída).

Voltaje eléctrico - Líneas del campo eléctrico en un protón y en un electrón

 

Imagina ahora dos partículas fijas (inmóviles) separadas a una distancia d > 0. Una de estas partículas está cargada positivamente (se trata de un protón) y la otra está cargada negativamente (se trata de un electrón). Entre las dos partículas crean un campo eléctrico representado por las flechas. Debido a este campo eléctrico, cada punto del espacio ahora tiene un potencial diferente (un voltaje diferente):

Voltaje eléctrico - Líneas del campo eléctrico entre un protón y en un electrón

Vamos a imaginar ahora que, en vez de un tener solo dos partículas cargadas fijas, tenemos muchas cargas fijas formando dos paredes paralelas. En esta nueva imagen se puede observar que este campo eléctrico tiene las líneas paralelas por tanto, si trazamos rectas perpendiculares al campo, estas rectas tendrán todas el mismo voltaje:

Voltaje eléctrico - Potencial eléctrico entre protones y electrones paralelos

\[ V_A > V_B \]

Si introducimos un electrón libre (un electrón móvil) en el interior del campo eléctrico, podemos ver como este electrón es atraído hacia el protón (se mueve desde el punto de menor voltaje al punto de mayor voltaje, pues se trata de un electrón) 

Voltaje eléctrico - Movimiento de un electrón dentro de un campo eléctrico entre protones y electrones paralelos

Pues bien, en el aire no existen estos electrones libres, por lo que se utiliza un material conductor (como el cobre o el aluminio) que contienen muchos electrones libres.

Voltaje eléctrico - Movimiento de un electrones en un cable dentro de un campo eléctrico entre protones y electrones paralelos

Como se ha explicado en la entrada sobre la intensidad eléctrica, este movimiento de electrones libres es la corriente eléctrica, sin embargo, no habíamos explicado qué provocaba el movimiento de estos electrones libres.

El movimiento de los electrones libres es provocado por la energía que se le aplica a estas partículas debido a una diferencia de voltaje eléctrico.

Hay que tener en cuenta que no importa el voltaje del punto A o el voltaje del punto B. Lo que importa es exista una diferencia de voltaje que hay entre dos puntos para que el electrón pueda moverse desde un punto de mayor voltaje a otro de menor voltaje. 

Si tenemos una región del espacio que se encuentra a 10V y colocamos un electrón, este no se moverá, pues no hay ninguna zona de mayor potencial a la que dirigirse.

Unidades del voltaje eléctrico

El voltaje eléctrico se mide en Voltios (V). Esta unidad forma parte del Sistema Internacional de unidades (S.I.) y, como se ha explicado antes, no es más que la cantidad de energía almacenada en un punto por unidad de carga.

De las expresiones anteriores podemos deducir que:

\[ 1V=1 \frac{J}{C}\]

Como se ha explicado anteriormente en esta entrada, si sobre un punto del espacio que está a 1 Voltio colocamos 1 Culombio (12 trillones de protones), ese punto ejercerá 1 Julio de energía sobre esos 12 trillones de electrones en dirección de la flecha del campo eléctrico.

Analogía con la hidráulica

Para comprenderlo de una manera muy sencilla, pondremos el siguiente ejemplo: dos depósitos de agua (A y B) conectados por un canal.

Los depósitos representan dos puntos a diferente potencial eléctrico (diferente voltaje) y el canal representa el conductor eléctrico (el cable) sobre el que circulará un caudal de agua (una corriente eléctrica)

En un primer momento, los dos depósitos están situados a una altura de 2m (la diferencia de altura es de 0m). ¿Creéis que habrá un caudal de agua?. Efectivamente, no. Para que haya un movimiento de agua es necesario que un depósito esté más alto que el otro. 

Voltaje eléctrico - Comparativa entre voltaje e hidráulica. Mismo potencial

Si ahora situamos el depósito A a una altura de 3m y el depósito B a una altura de 2m con respecto al suelo (la diferencia de altura es de 1m), el agua circulará desde el depósito A hacia el B, logrando un caudal de agua.

Voltaje eléctrico - Comparativa entre voltaje e hidráulica. Diferente potencial

¡Esto mismo ocurre con la corriente eléctrica!. Para que exista la intensidad eléctrica tiene que existir una diferencia de potencial (una diferencia de voltaje). Si esta diferencia de voltaje es NO nulo, existirá una corriente

¡Párate a pensar!

Si nuestro deseo es hacer el agua se mueva, no nos sirve de nada tener el depósito A a 50m si el depósito B también está a esa altura. Lo que realmente nos importa es la diferencia de altura entre los depósitos, es decir, en el caso de la electrónica, la diferencia de potencial.

Esto es lo que se ha intentado explicar sobre el potencial eléctrico. Si dos puntos están al mismo voltaje (al mismo potencial eléctrico), el electrón no se va a mover, pues no hay ninguna diferencia de voltaje y, por tanto, no habrá corriente eléctrica.

Formas de nombrar el voltaje

  • Voltaje eléctrico
  • Diferencia de potencial eléctrico
  • Tensión eléctrica

Queremos que tengas claro que el voltaje eléctrico, diferencia de potencial eléctrico o tensión es lo mismo y, que en adelante, se nombrará como voltaje o diferencia de potencial la mayoría de las veces. 

Conclusión

Las fórmulas descritas tienen muy poca utilidad en la electrónica más allá del ámbito académico. Sin embargo, hemos creído conveniente citarlas para que el lector tenga un conocimiento más profundo acerca del voltaje eléctrico y de su significado físico.

Por último, recomendamos que el lector se vuelva a leer el dato curioso de la entrada anterior, pues ahora será capaz de entenderlo mucho más profundo.

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