Tensión (electricidad)

En física e ingeniería, concretamente en electromagnetismo, latensióno ladiferencia de potencial(también denominadavoltaje)​​ es unamagnitud físicaque cuantifica la diferencia depotencial eléctricoentre dos puntos. También se puede definir como eltrabajopor unidad decargaejercido por elcampo eléctricosobre unapartículacargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con unvoltímetro.​ Su unidad en elSistema Internacional de Unidades (SI)es elvoltio, usado comopotenciaycorriente; a partir de 1990, se utilizaron elefecto Hall cuánticoy elefecto Josephson, y recientemente (2019) se introdujeronconstantes físicas fundamentalespara la definición de todas las unidades SI y unidades derivadas.​La diferencia de voltaje o potencial eléctrico se denota simbólicamente porΔV{\displaystyle \Delta V}, simplificado enV,​ especialmente en países de hablainglesao internacionalU,​ por ejemplo, en el contexto de losOhmiosoleyes de circuitos de Kirchhoff.
La tensión entre dos puntosA{\displaystyle A}yB{\displaystyle B}es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de dichos puntosA{\displaystyle A}yB{\displaystyle B}en el campo eléctrico, que es uncampo conservativo.
Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante unconductorse producirá un flujo deelectrones. 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 comocorriente eléctrica.
Cuando se habla sobre una diferencia de potencial en un solo punto, o potencial, se refiere a la diferencia de potencial entre este punto y algún otro donde el potencial se defina como cero.
En muchas ocasiones, se adopta como potencial nulo al de latierra.
La unidad SI de trabajo por unidad de carga es eljulioporcoulomb, donde 1 voltio = 1 joule (de trabajo) por 1 coulomb (de carga). La antigua definición del SI paravoltioutilizabapotenciaycorriente; a partir de 1990, se utilizaron elHall cuánticoy elefecto Josephson, y en 2019 se dieron valores definidos a lasconstantes físicaspara la definición de todas las unidades del SI.La diferencia de tensión se denota simbólicamente porΔV{\displaystyle \Delta V}, simplificadoV,​ especialmente en-países de habla inglesa, o porUinternacionalmente,​ por ejemplo en el contexto deley de Ohmoleyes de circuitos de Kirchhoff.
Elpotencial electroquímicoes el voltaje que se puede medir directamente con un voltímetro. Elpotencial de Galvanique existe en estructuras con uniones de materiales disímiles es también trabajo por carga pero no puede medirse con un voltímetro en el circuito externo.
La tensión se define de modo que los objetos cargados negativamente son atraídos hacia tensiones más altas, mientras que los objetos cargados positivamente son atraídos hacia tensiones más bajas. Por lo tanto, lacorriente eléctricaen un cable oresistorsiempre fluye de mayor tensión a menor tensión.
Históricamente, la tensión se ha denominado con términos como "tensión" y "presión". Incluso hoy en día, el término "tensión" se sigue utilizando, por ejemplo, en la frase "alta tensión" (HT) que se utiliza habitualmente en la electrónica basada en válvulas termoiónicas (tubo de vacío).
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Enelectrostática, el aumento de tensión desde el puntorA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}hasta algún puntorB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}viene dado por el cambio enpotencial electrostático.V{\textstyle V}desderA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}hastarB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}. Por definición,​{Rp|78}} esto es:
dondeE{\displaystyle \mathbf {E} }es la intensidad del campo eléctrico.
En este caso, el aumento de tensión del punto A al punto B es igual al trabajo realizado por unidad de carga, en contra del campo eléctrico, para mover la carga de A a B sin causar ninguna aceleración.​<{Rp|90-91}} Matemáticamente, esto se expresa como laintegral de líneadelcampo eléctricoa lo largo de esa trayectoria. En electrostática, esta integral de línea es independiente de la trayectoria tomada.​
Según esta definición, cualquier circuito en el que existan campos magnéticos variables en el tiempo, comoAC, no tendrá una tensión bien definida entre los nodos del circuito, ya que la fuerza eléctrica no es unafuerza conservativaen esos casos.​ Sin embargo, a frecuencias más bajas, cuando los campos eléctrico y magnético no cambian rápidamente, esto puede despreciarse (véaseaproximación electrostática).
El potencial eléctrico puede generalizarse a la electrodinámica, de modo que las diferencias de potencial eléctrico entre puntos están bien definidas incluso en presencia de campos variables en el tiempo. Sin embargo, a diferencia de la electrostática, el campo eléctrico ya no puede expresarse sólo en términos del potencial eléctrico.​Además, el potencial ya no está determinado unívocamente hasta una constante, y puede tomar formas significativamente diferentes dependiendo de la elección degauge.​​
En este caso general, algunos autores​ utilizan la palabra "tensión" para referirse a la integral de línea del campo eléctrico, en lugar de a las diferencias de potencial eléctrico. En este caso, el aumento de tensión a lo largo de algún caminoP{\displaystyle {\mathcal {P}}}derA{\displaystyle \mathbf {r} _{A}}arB{\displaystyle \mathbf {r} _{B}}está dado por:
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:
En el caso de existir un potencial eléctrico enA{\displaystyle A}diferente al del puntoB{\displaystyle B}, se llama diferencia de potencial aVa−Vb=ΔV{\displaystyle V_{a}-V_{b}=\Delta V}. SiVa{\displaystyle V_{a}}es mayor queVb{\displaystyle V_{b}}se establecerá un campo eléctrico que moverá los electrones desde el puntoA{\displaystyle A}hacia elB{\displaystyle B}. Como el campo eléctrico es conservativo debe existir un camino cerrado desde el puntoA{\displaystyle A}alB{\displaystyle B}para que se produzca flujo eléctrico y trabajo en la carga.​
La diferencia de potencial entre los terminales de un componente pasivo depende de las características del componente y de la intensidad de corriente eléctrica.
Viene dada por laley de Ohm:
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:
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:​
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:
La tensión eficaz ovalor eficazde la tensión es el valor medido por la mayoría de los voltímetros decorriente alterna. Equivale a una tensión constante que, aplicada sobre una mismaresistencia eléctrica, consume la mismapotencia eléctricaen unperíodo, transformando laenergía eléctricaenenergía térmicaporefecto Joule.
La energía consumida en un periodo de tiempoT{\displaystyle T}por una resistencia eléctrica es igual a
dondeW{\displaystyle W}es la energía consumida,P{\displaystyle P}es la potencia,T{\displaystyle T}es el periodo de tiempo,I{\displaystyle I}efes el valor eficaz de laintensidad eléctrica,V{\displaystyle V}efes la tensión eficaz yV{\displaystyle V}(t{\displaystyle t}) es el valor instantáneo de la tensión en función del tiempot{\displaystyle t}.
Despejando la tensión eficaz se obtiene lamedia cuadráticade la tensión:
Encorriente alternasenoidal, la tensión varía conforme unaonda senoidal.
donde se expresa la tensiónV{\displaystyle V}en función del tiempot{\displaystyle t},V{\displaystyle V}0es laamplitudde la tensión,ω{\displaystyle \omega }es lafrecuencia angularyϕ{\displaystyle \phi }es la fase o eldesfase.
Tomando como periodo de integración el periodo de la onda (T=2π/ω{\displaystyle T=2\pi /\omega }), se tiene:
Como la amplitud de la tensiónV{\displaystyle V}0es constante puede sacarse fuera de la integral.
Aplicando unaidentidad trigonométricapara eliminar la potencia cuadrática de unafunción trigonométrica:
Integrando:
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:
En el interior de un material conductor, la energía de un electrón se ve afectada no sólo por el potencial eléctrico medio, sino también por el entorno térmico y atómico específico en el que se encuentra.
Cuando se conecta unvoltímetroentre dos tipos diferentes de metal, no mide la diferencia de potencial electrostático, sino algo más que se ve afectado por la termodinámica.​
La cantidad medida por un voltímetro es el negativo de la diferencia delpotencial electroquímicode electrones (nivel de Fermi) dividido por la carga de electrones y se denomina comúnmente diferencia de voltaje, mientras que elpotencial electrostáticopuro sin ajustar (no medible con un voltímetro) se denomina a vecespotencial de Galvani.
Los términos "voltaje" y "potencial eléctrico" son ambiguos en el sentido de que, en la práctica, pueden referirse acualquierade ellos en diferentes contextos.
El términofuerza electromotrizfue utilizado por primera vez por Volta en una carta aGiovanni Aldinien 1798, y apareció por primera vez en un artículo publicado en 1801 enAnnales de chimie et de physique].​{rp|408}}  Volta se refería con ello a una fuerza que no era una fuerzaelectrostática, concretamente, a una fuerzaelectroquímica.​El término fue retomado porMichael Faradayen relación con lainducción electromagnéticaen la década de 1820.  Sin embargo, en esa época no se había desarrollado una definición clara de voltaje ni un método para medirlo.​Volta distinguió la fuerza electromotriz (emf) de latensión(diferencia de potencial): la diferencia de potencial observada en los terminales de una célula electroquímica cuando estaba en circuito abierto debía equilibrar exactamente la emf de la célula para que no fluyera corriente.​
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