Definición de voltímetro
Cuando analizamos esquemas de circuitos o componentes eléctricos, tendemos a centrarnos en las tres magnitudes fundamentales: Corriente, Resistencia y Diferencia de Potencial. En este artículo, nos ocuparemos de los voltímetros que miden la diferencia de potencial, así que recapitulemos lo que entendemos por diferencia de potencial.
La diferencia de potencial, o tensión, es una medida del cambio en la energía potencial de una carga cuando se desplaza entre dos puntos de un circuito. La energía potencial de una carga en un punto define el trabajo realizado por un campo eléctrico al desplazar una carga hasta ese punto.
Es esta diferencia de potencial entre distintos puntos del circuito la que empuja la carga por un circuito, creando una corriente. Esta diferencia de potencial inicial está causada por una fuerza electromotriz (FEM) suministrada normalmente por una pila o batería. Cada componente de un circuito modifica el potencial de la corriente, por lo que tiene una diferencia de potencial asociada.
Si consideramos la corriente convencional, la diferencia de potencial de una pila o batería es positiva, mientras que la diferencia de potencial de los componentes es negativa, ya que el potencial de la corriente se "gasta" debido a la resistencia de los componentes mientras circula.
En el análisis de circuitos, a menudo queremos medir la diferencia de potencial de los distintos componentes de un circuito, por ejemplo, para saber la potencia de una pila. Esto puede hacerse utilizando un Voltímetro.
Un voltímetro es un instrumento utilizado para medir la diferencia de potencial entre los componentes de un circuito.
Función y símbolo del voltímetro
Entonces, ¿cómo funcionan exactamente los voltímetros y para qué podemos utilizarlos? Todos los voltímetros deben colocarse en paralelo con el componente del que intentan medir la tensión. Esto se debe a que los componentes en paralelo tienen la misma diferencia de potencial, según la Regla del Lazo de Kirchhoff, y por tanto, al colocar el voltímetro en paralelo, mide la tensión a través del componente midiendo su propia tensión.
Los distintos voltímetros hacen esto de formas diferentes. Los primeros voltímetros medían la corriente que circulaba por ellos utilizando la inductancia electromagnética para desviar una aguja que, combinada con una resistencia conocida, permitía calcular la tensión mediante la Ley de Ohm. Los voltímetros digitales modernos suelen medir el tiempo de descarga de un condensador para calcular la tensión a través de ellos.
Fig. 1 - Un voltímetro analógico utiliza la inducción electromagnética para medir la diferencia de potencial.
Como puede verse en la figura 2, el símbolo de un voltímetro en el esquema del circuito es un círculo con la letra V en el centro.
Fig. 2 - El símbolo de un voltímetro en los esquemas de circuitos.
Los voltímetros pueden medir la diferencia de potencial entre dos puntos cualesquiera de un circuito, por lo que pueden estar en paralelo con varios componentes si se está midiendo la diferencia de potencial total de los componentes. Por ejemplo, el voltímetro \(V_1\) mide la tensión de la bombilla, pero el voltímetro \(V_2\) mide la tensión tanto de la bombilla como de la resistencia.
Fig. 3 - Es importante comprobar qué componentes están en paralelo con el voltímetro, ya que varios componentes pueden ser medidos por el mismo voltímetro, como se ve arriba.
Los voltímetros están diseñados para medir la tensión a través de ellos con el menor impacto posible en la corriente que pasa por el componente. Para garantizarlo, los voltímetros tienen resistencias muy altas para impedir que la corriente fluya a través de ellos. Al considerar los voltímetros ideales dentro de los diagramas de circuitos, se supone que tienen una resistencia infinita y, por tanto, pueden medir la tensión sin que fluya corriente a través de ellos. Esto no es posible para los voltímetros reales, por lo que los voltímetros siempre afectarán de algún modo a un circuito.
Considera una resistencia con una resistencia de \(20\,\mathrm{\Omega}\) con una corriente de \(100\,\mathrm{A}\) fluyendo a través de ella.
Por sí misma, la resistencia tiene un voltaje de [V=20,{mathrm}{Omega}{cdot 100,{mathrm}{A}=2000,{mathrm}{V}].
Sin embargo, si se midiera con un voltímetro con una resistencia de 100 (100) colocado en paralelo, la resistencia combinada de los dos componentes sería \begin{align}\frac{1}{R_{\text{Resistor}}}+\frac{1}{R_{\text{Voltmeter}}}\\\\ xml-ph-0000@deepl.internal \implies R_{\text{total}}=&16. end{align}\}]
Por tanto, la tensión a través de la resistencia sería ahora \[V=100,\mathrm{A}\cdot16,7,\mathrm{Omega}=1670,\mathrm{V}.\]Por tanto, un voltímetro de resistencia finita reduce la tensión del componente que está midiendo.
Unidad de voltímetro
El voltaje se define como la energía por unidad de carga y puede calcularse mediante la ecuación\[\text{Voltaje}=\frac{text{Trabajo realizado}}{text{Carga}}.\}
Como la energía se mide en julios \(\mathrm{J}) y la carga en culombios \(\mathrm{C},\}), la unidad de tensión es julios por culombio \(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}). Esto define la unidad estándar de tensión, el voltio \(\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}}) llamado así por el físico italiano Alessandro Volta.
Un voltio se define de tal forma que una \(1\,\mathrm{C}) de carga aumenta su energía potencial en \(1\,\mathrm{J}) al moverse a través de una diferencia de potencial de \(1\,\mathrm{V}).
El voltaje de una pila o fuente de alimentación determina cuánta energía cede a una corriente, por lo que es un indicador de su potencia. En EE.UU., la red eléctrica, que se utiliza para electrodomésticos como el microondas, funciona a \(120,\mathrm{V}), mientras que en gran parte del resto del mundo, la red está a \(240,\mathrm{V}). El tipo de voltajes de batería que verás en el análisis de circuitos, por ejemplo, durante los experimentos de laboratorio, probablemente rondará los \(5, \mathrm{a}, 10,\mathrm{V}).
Si una pila tiene una potencia de \(100,\mathrm{W}) y alimenta una corriente de \(4,\mathrm{A}), ¿cuál es el voltaje de la pila?
Responde:
Recuerda que las definiciones de potencia y corriente son las siguientes
\[\begin{align} xml-ph-0000@deepl.internal \text{Power}&=\frac{\text{Energy}}{\text{Time}}\\\\ xml-ph-0001@deepl.internal \mathrm{W}&=\mathrm{J}\,\mathrm{s}^{-1}.\\\\ xml-ph-0000@deepl.internal \text{Current}&=\frac{\text{Charge}}{\text{Time}}\\\\ xml-ph-0001@deepl.internal \mathrm{A}&=\,\mathrm{C}\,\mathrm{s}^{-1}.\end{align}\]
Por tanto, la tensión viene dada por \[\begin{align}\text{Voltaje}&=\frac{text{Potencia}}{text{Corriente}}\\\\&=\frac{text{Energía}}{text{Carga}}.\end{align}]
Si se introducen los números, se obtiene\[\begin{align}\text{Voltaje}&=\frac{100,\mathrm{W}}{4,\mathrm{A}}\\\\&=25,\mathrm{V}.\end{align}]
Diagrama del voltímetro
Los voltímetros aparecen en muchas preguntas de análisis de circuitos, por lo que es importante que sepamos reconocer los voltímetros en un diagrama, así como saber construir diagramas con voltímetros en ellos. El hecho clave que hay que recordar es que los voltímetros deben trazarse en paralelo con el componente o componentes que estén midiendo.
Veamos un ejemplo de pregunta sobre circuitos en la que intervienen voltímetros.
Considera el circuito de la Figura 4. Determina las lecturas dadas por los voltímetros, \(V_1\) y \(V_2\).
Fig. 4 - Determina los valores de \(V_1\) y \(V_2\) medidos por los voltímetros del circuito.
Recuerda que en los circuitos en paralelo, la tensión en cada rama debe ser igual. Como la tensión de la batería es \(15\,\mathrm{V}\), sabemos que ambas ramas tendrán una tensión de \(15\,\mathrm{V}\). Entonces, la suma de las tensiones de cada componente de una rama debe ser igual a \(15\,\mathrm{V}\).
Observando la primera rama, podemos utilizar la Ley de Ohm para calcular la tensión a través de la bombilla.
\[\begin{align}V&=IR\\&=0,5\,\mathrm{A}\cdot10\,\mathrm{Omega}\&=5,\mathrm{V}.\end{align}]
Esto nos dice que
\[V_1=15\, \mathrm{V}-5\,\mathrm{V}=10\,\mathrm{V}.\]
Del mismo modo, aplicando la Ley de Ohm a la resistencia de la segunda rama, obtenemos su voltaje.\[\begin{align}V&=5,\mathrm{A}\cdot2,\mathrm{Omega}&=10,\mathrm{V}.\end{align}]
Lo que nos dice que\[V_2=15,\mathrm{V}-10,\mathrm{V}=5,\mathrm{V}.\]
Voltímetro vs. Multímetro
Puede que estés familiarizado con el instrumento que se muestra en la Figura 5, por haberlos utilizado en trabajos de laboratorio. Son multímetros y suelen utilizarse para medir la tensión de un componente, de forma muy parecida a los voltímetros. De hecho, los multímetros son simplemente instrumentos que pueden utilizarse para medir múltiples magnitudes eléctricas diferentes, como la corriente, la tensión y la resistencia.
Fig. 5 - Los multímetros son vitales para los ingenieros eléctricos, ya que permiten medir distintas magnitudes con el mismo instrumento.
Los multímetros son esencialmente una extensión de los voltímetros y amperímetros de un solo uso, que miden la corriente. Contienen múltiples ajustes para poder medir distintas cantidades. Sin embargo, colocar los multímetros en paralelo con los componentes sigue siendo necesario si queremos medir su tensión. Un multímetro colocado en serie no dará ninguna lectura si está en el ajuste de tensión, aunque sí la dará si está en el ajuste de corriente, ya que entonces actuaría como un amperímetro.
No existe un símbolo de diagrama de circuito específico para un multímetro; en su lugar, un símbolo de voltímetro sólo significaría que el multímetro debe utilizarse como un voltímetro en esta posición.
Voltímetro - Puntos clave
- Los voltímetros se utilizan para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito eléctrico.
- La diferencia de potencial es una medida del cambio de energía potencial que experimenta una carga de prueba al desplazarse por un circuito.
- Los voltímetros deben colocarse en paralelo con el componente que está midiendo. Están diseñados para desviar la menor corriente posible, por lo que tienen resistencias muy elevadas. Un voltímetro ideal tiene una resistencia infinita.
- Los voltímetros miden la diferencia de potencial o tensión en unidades de voltios \( \mathrm{V}) equivalente a \ (\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{C}.\}).
- Los multímetros son instrumentos que pueden medir la tensión, la intensidad y la resistencia, dependiendo de la configuración en la que se encuentren.
Referencias
- Fig. 1 - Voltímetro hg (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Voltmeter_hg.jpg) de Hannes Grobe (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Hgrobe) tiene licencia CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/deed.en)
- Fig. 2 - Símbolo del voltímetro (https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Voltmeter_symbol.png) de Guigui v.69 está licenciado bajo CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/)
- Fig. 3 Circuito en serie con voltímetro, StudySmarter Originals.
- Fig. 4 - Ejemplo de circuito con voltímetro, StudySmarter Originals.
- Fig. 5 - Multímetro digital Aka(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Digital_Multimeter_Aka.jpg) by Aka (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Aka) is licenced by CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5/deed.en)
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