Definición de diferencia de potencial
La diferencia depotencial (también llamada voltaje) puede ser un concepto confuso que a muchos estudiantes les cuesta comprender al principio. Pero no dejes que eso te disuada: podemos utilizar una analogía hidráulica para comprender más fácilmente qué es la diferencia de potencial y cómo afecta al comportamiento de un circuito eléctrico.
Consideremos un sistema de bombas y depósitos como el que se muestra en el diagrama siguiente. Cuando una bomba eleva agua a un depósito elevado, añade energía al sistema elevando la energía potencial gravitatoria del agua(1). La gravedad que actúa sobre el agua elevada significa que el agua del fondo del depósito está a alta presión(2). Si abrimos una válvula para que el agua descienda por una tubería y accione una turbina, fluye a un ritmo que depende de la presión del agua y de la resistencia de la turbina(3). Finalmente, al accionar la turbina, la energía potencial gravitatoria almacenada en el agua se convierte en energía cinética, que se elimina del sistema(4). El agua del fondo de la tubería ya no tiene energía almacenada, hasta que podamos utilizar una bomba para volver a añadir energía potencial al agua y devolverla a la parte superior del sistema(1).
Diagrama que muestra la analogía hidráulica de un circuito eléctrico. [Izquierda] - un sistema de bombas y depósitos que almacena energía como potencial gravitatorio y la libera como energía cinética. [Derecha] - un circuito eléctrico que almacena energía como diferencia de potencial en portadores de carga, que se libera como trabajo cuando pasan a través de una resistencia. Originales de StudySmarter.
Este sistema es una analogía útil de un circuito eléctrico simple formado por una pila y una resistencia, como el que se muestra en el diagrama. La pila proporciona una diferencia de potencial a los portadores de carga(1), que es análoga a la energía potencial gravitatoria añadida a cada partícula de agua. Tras pasar por la pila, cada electrón transporta energía eléctrica debido a la diferencia de potencial proporcionada por la pila(2). Los portadores de carga fluyen por el circuito, lo que puede medirse por la corriente \(I\) que depende de la diferencia de potencial \(V\) y de la resistencia del circuito \(R\)(3), tal como se define en la ley de Ohm:
$$V=IR$$
o en palabras
$$$Potencial$$; $$$Diferencia$$; $$$Potencial$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$; $$$Diferencia$$
Cuando los portadores de carga atraviesan la resistencia, su energía eléctrica se convierte en trabajo, consumiendo la energía almacenada(4). Como los portadores de carga ya no almacenan energía eléctrica, su diferencia de potencial es ahora cero mientras fluyen de vuelta a la pila. Cuando vuelven a pasar por la pila, ganan diferencia de potencial y el proceso se repite(1).
Esperemos que esta analogía te ayude a comprender que la diferencia de potencial es una medida de la cantidad de energía eléctrica potencial que un portador de carga mantiene entre dos puntos de un circuito. La diferencia de potencial se mide en la unidad SI de voltios \(\mathrm{V}\).
La diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito es igual a la diferencia en la cantidad de energía potencial que tienen los portadores de carga por unidad de carga entre esos dos puntos. En otras palabras, la energía transferida (en julios) por los portadores de carga por culombio de carga entre dos puntos de un circuito es igual a la diferencia de potencial (o tensión) entre los puntos.
La analogía hidráulica también puede utilizarse para comprender cómo se comportan la corriente, la tensión y la resistencia en circuitos en serie y en paralelo.
Estarás familiarizado con el Joule \(\mathrm{J}\) como unidad primaria de energía que utilizamos en física. Sin embargo, otra unidad que se utiliza a menudo en física nuclear y atómica es el electrón-voltio \(\mathrm{eV}\)! Ésta es la cantidad de energía que gana un solo electrón cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de \(1\;\mathrm{V}\). \(1\};\mathrm{eV}\) equivale a \(1,602\times10^{-19}\};\mathrm{J}\}).
Fórmula de la diferencia de potencial
Como acabamos de establecer, la diferencia de potencial es una medida de la diferencia de energía potencial que contiene cada unidad de carga entre dos puntos de un circuito eléctrico. Esto significa que si conocemos una cantidad de energía transferida \(E\)entre dos puntos de un circuito y la cantidad de carga \(Q\) que fluyó para transferir la energía, podemos calcular la diferencia de potencial \(V\) entre los puntos mediante la fórmula siguiente:
$$V=\frac EQ\;$$
o en palabras
$$$Potencial{\}{\}{\}{Diferencia}{\} = $$${\}frac{\}{Energía}{\}{\}{Transferida}{\}{Carga}{\}{Corriente}}$$
| Cantidad | Símbolo | Unidad SI |
| Diferencia de potencial | V | V (voltios) |
| Energía transferida | E | J (Julios) |
| Carga | Q | C (Coulomb) |
Unidad de diferencia de potencial
Estudiando la fórmula \(V=\frac EQ\), podemos ver que una diferencia de potencial de \(1\;\mathrm{V}\) es igual a \ (1\;\mathrm{J}\) de energía por \ (1\;\mathrm{C}\ ) de carga.
La unidad SI de diferencia de potencial es elvoltio \(\mathrm{V}\), equivalente a un julio porculombio \((\mathrm{J}/\mathrm{C})\).
Ecuación y símbolo de la diferencia de potencial
Otro conjunto de ecuaciones que tratan de la diferencia de potencial son las definidas en la ley de Ohm, que describen cómo la corriente \(I\) que pasa a través de un componente eléctrico óhmico viene determinada por la diferencia de potencial \(V\) a través del componente y la resistencia eléctrica \(R\) del componente. Ya nos hemos referido a esta ley y a su fórmula al principio del artículo.
Vinculación de la diferencia de potencial con la potencia eléctrica
Recordando que la corriente es la velocidad a la que fluye la carga en un circuito, medida en culombios por segundo, podemos deducir una ecuación para la potencia(energía por segundo) de un circuito eléctrico.
Si sabemos que una determinada cantidad de energía \(Q\) fue transferida entre dos puntos de un circuito por una determinada cantidad de carga \(C\), podemos calcular la diferencia de potencial \(V\) de la carga entre estos puntos:
$$V=\frac EQ$$
Si además sabemos que la transferencia de energía tuvo una duración de \(t\) segundos, entonces podemos determinar la corriente \(I\):
$$I=\frac Qt$$
Reordenando ambas ecuaciones para \(Q\), obtenemos:
$$\begin{array}{rcl}Q&=&\textstyle\frac EV\\Q&=&It\end{array}$$
Por último, podemos combinar estas ecuaciones para hallar una ecuación para la potencia \(P\):
$$\begin{array}{rcl}\textstyle\frac EV&=&It\\E&=&IVt\\\textstyle\frac Et&=&IV\\P&=&IV\end{array}$$
o en palabras
$$$mathrm{Potencia}};=\$$mathrm{corriente};\$mathrm{corriente};\$mathrm{potencial};\$mathrm{diferencia}$$
Diferencia de potencial en una pila
Una pila añade potencial eléctrico a los portadores de carga cuando pasan a través de ella. La pila también puede considerarse como la fuente de corriente de un circuito - Como el borne positivo de la pila tiene un potencial eléctrico mayor que el negativo, las cargas positivas son repelidas por el borne positivo de la pila y atraídas por el negativo, creando una corriente a medida que circulan por el circuito. Esta atracción/repulsión es equivalente a la gravedad en el ejemplo hidráulico.
Las pilas de un circuito transfieren la energía química almacenada a electrones portadores de carga, elevando su diferencia de potencial a medida que fluyen por él. Flickr.
En un circuito eléctrico real, los portadores de carga son electrones, ¡que en realidad están cargados negativamente! Esto significa que los portadores de carga en un circuito se mueven del terminal negativo al positivo. Cuando se descubrió la electricidad, esto aún no se sabía, y la corriente convencional se definía como el movimiento de positivo a negativo. Esto es lo contrario de la corriente de electrones, que fluye de negativo a positivo. Es importante conocer esta diferencia al realizar análisis de circuitos, pero queda fuera de las especificaciones de los exámenes GCSE.
- Cuando la fuente de energía de un circuito eléctrico transfiere un julio de energía a cada culombio de carga, decimos que la fuente de energía proporciona un voltio de diferencia de potencial.
- Para medir la diferencia de potencial entre los dos terminales de una pila, batería o fuente de energía alternativa, utilizamos un voltímetro. Los voltímetros pueden utilizarse para medir la diferencia de potencial a través de cualquier componente de un circuito eléctrico o entre dos puntos cualesquiera.
Los voltímetros pueden utilizarse para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito. Si no se transfiere energía entre los dos puntos entre los que mide el voltímetro, la lectura de la diferencia de potencial será de 0 voltios. Originales de StudySmarter.
Ejemplos de diferencia de potencial
Veamos algunos problemas de ejemplo que nos permitirán aplicar nuestros nuevos conocimientos a distintos escenarios.
Si una pila en un circuito transfiere un total de \(100\;\mathrm{J}) de energía a \(25\;\mathrm{C}) de carga, ¿qué diferencia de potencial (tensión) se mediría a través de los terminales de la pila?
- Determina qué información obtenemos de la pregunta. Conocemos la cantidad de energía \(E=100\;\mathrm{J}\). También sabemos que la cantidad de carga \(Q=25\;\mathrm{C} ). La pregunta nos pide que hallemos la diferencia de potencial, \(\mathrm{V}\).
- Selecciona la ecuación correcta. Como en la pregunta intervienen las cantidades \(E, Q, V\), podemos utilizar \(V=\frac EQ \).
- Introduce los valores para hallar la respuesta:
$$V=;\frac{100;\mathrm J}{25;\mathrm C}=4;\mathrm J/\mathrm C=\mathbf4\boldsymbol\;\mathbf V$$
La misma pila de la pregunta anterior tarda 20 segundos en transferir 240 julios de energía. ¿Qué corriente hacen circular los portadores de carga/electrones por la pila?
- Determina qué información obtenemos de la pregunta. Ya sabemos que la diferencia de potencial de la pila es\(V=4\;\mathrm{V}\). La cantidad de energía transferida \( E=240\;\mathrm{J}\) y el tiempo empleado\(t=20\;\mathrm{s}).
- El primer paso consiste en determinar la cantidad de carga que circuló por la batería. Podemos reordenar la ecuacióna \(V=E/Q\) para averiguarlo: \(Q=240\;\mathrm{J}/4\;\mathrm{V}=60\;\mathrm{C}\).
- Ahora que conocemos la cantidad de carga, la dividimos por el tiempo que tarda para hallar la carga por segundo, la corriente:
#
Un calefactor (1000 W) consume (4 A) de corriente de la red eléctrica. Determina a qué diferencia de potencial funciona el aparato.
- Establece qué información se da. La pregunta nos dice que la potencia del aparato es de \(P=1000\;\mathrm{W}\), y que consume una corriente de \(I=4\;\mathrm{A}\). Esto nos dice que la potencia es de \(1000; \mathrm{julios-por-segundo}\ ) y la corriente es de \(4\( \mathrm{culombios-por-segundo}\) respectivamente.
- Podemos determinar la diferencia de potencial a partir de la cantidad de energía transferida por culombio de carga. En un segundo, \(4;\mathrm{C}\) transfiere \(1000;\mathrm{J}\) de energía, lo que significa que \(1;\mathrm{C}\) transfiere \ (250;\mathrm{J}\).
- La diferencia de potencial puede hallarse utilizando \(V=\frac EQ\):
$$V = = EQ = 1000 J = 4 C = símbolo en negrita V$$.
Diferencia de potencial - Puntos clave
- La diferencia de potencial es la cantidad de energía transferida por unidad de carga entre dos puntos de un circuito eléctrico.
- Una corriente fluirá a través de una resistencia si existe una diferencia de potencial o tensión a través del componente.
- La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos cualesquiera puede calcularse mediante la siguiente fórmula:
$$V=\frac EQ$$
- La unidad del SI para la diferencia de potencial es elVoltio \(\mathrm{V}\).
- La relación entre corriente, diferencia de potencial y resistencia en un componente eléctrico óhmico se define mediante la ley de Ohm:
$$V=IR$$
o en palabras
$$$Potencia}\$$ =\$$Corriente}\$$Tiempos}\$$Potencial}\$$Diferencia}\$$$
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