Convertidor de Voltaje
Potencial Eléctrico: De Milivoltios a Megavoltios
Domina las unidades de voltaje en electrónica, sistemas de potencia y física. Desde milivoltios hasta megavoltios, comprende el potencial eléctrico, la distribución de energía y lo que significan los números en los circuitos y en la naturaleza.
Fundamentos del Voltaje
¿Qué es el Voltaje?
El voltaje es la 'presión eléctrica' que empuja la corriente a través de un circuito. Piénsalo como la presión del agua en las tuberías. Mayor voltaje = mayor empuje. Se mide en voltios (V). ¡No es lo mismo que la corriente o la potencia!
- 1 voltio = 1 julio por culombio (energía por carga)
- El voltaje causa el flujo de corriente (como la presión causa el flujo de agua)
- Se mide entre dos puntos (diferencia de potencial)
- Mayor voltaje = más energía por carga
Voltaje vs. Corriente vs. Potencia
Voltaje (V) = presión, Corriente (I) = caudal, Potencia (P) = tasa de energía. P = V × I. 12V a 1A = 12W. Misma potencia, diferentes combinaciones de voltaje/corriente son posibles.
- Voltaje = presión eléctrica (V)
- Corriente = flujo de carga (A)
- Potencia = voltaje × corriente (W)
- Resistencia = voltaje ÷ corriente (Ω, ley de Ohm)
Voltaje AC vs. DC
El voltaje DC (Corriente Continua) tiene una dirección constante: baterías (1.5V, 12V). El voltaje AC (Corriente Alterna) invierte su dirección: enchufes de pared (120V, 230V). El voltaje RMS = el equivalente efectivo en DC.
- DC: voltaje constante (baterías, USB, circuitos)
- AC: voltaje alterno (enchufes de pared, red eléctrica)
- RMS = voltaje efectivo (120V AC RMS ≈ 170V de pico)
- La mayoría de los dispositivos usan DC internamente (los adaptadores de AC convierten)
- Voltaje = energía por carga (1 V = 1 J/C)
- Mayor voltaje = más 'presión eléctrica'
- El voltaje causa la corriente; la corriente no causa el voltaje
- Potencia = voltaje × corriente (P = VI)
Explicación de los Sistemas de Unidades
Unidades del SI — Voltio
El voltio (V) es la unidad del SI para el potencial eléctrico. Se define a partir del vatio y el amperio: 1 V = 1 W/A. También: 1 V = 1 J/C (energía por carga). Los prefijos desde atto hasta giga cubren todos los rangos.
- 1 V = 1 W/A = 1 J/C (definiciones exactas)
- kV para líneas eléctricas (110 kV, 500 kV)
- mV, µV para sensores, señales
- fV, aV para mediciones cuánticas
Unidades de Definición
W/A y J/C son equivalentes al voltio por definición. Muestran relaciones: V = W/A (potencia por corriente), V = J/C (energía por carga). Útiles para entender la física.
- 1 V = 1 W/A (de P = VI)
- 1 V = 1 J/C (definición)
- Las tres son idénticas
- Diferentes perspectivas sobre la misma cantidad
Unidades CGS Antiguas
El abvoltio (EMU) y el statvoltio (ESU) del antiguo sistema CGS. Raros en el uso moderno, pero aparecen en textos de física históricos. 1 statV ≈ 300 V; 1 abV = 10 nV.
- 1 abvoltio = 10⁻⁸ V (EMU)
- 1 statvoltio ≈ 300 V (ESU)
- Obsoletas; el voltio del SI es el estándar
- Aparecen solo en libros de texto antiguos
La Física del Voltaje
Ley de Ohm
Relación fundamental: V = I × R. El voltaje es igual a la corriente por la resistencia. Conoce dos cualesquiera y calcula el tercero. Fundamento de todo análisis de circuitos.
- V = I × R (voltaje = corriente × resistencia)
- I = V / R (corriente a partir del voltaje)
- R = V / I (resistencia a partir de mediciones)
- Lineal para resistencias; no lineal para diodos, etc.
Ley de Voltaje de Kirchhoff
En cualquier bucle cerrado, los voltajes suman cero. Como caminar en círculo: los cambios de altitud suman cero. La energía se conserva. Esencial para el análisis de circuitos.
- ΣV = 0 alrededor de cualquier bucle
- Subidas de voltaje = caídas de voltaje
- Conservación de la energía en circuitos
- Se usa para resolver circuitos complejos
Campo Eléctrico y Voltaje
Campo eléctrico E = V/d (voltaje por distancia). Mayor voltaje en una distancia corta = campo más fuerte. Rayo: millones de voltios sobre metros = campo de MV/m.
- E = V / d (campo a partir del voltaje)
- Alto voltaje + corta distancia = campo fuerte
- Ruptura: el aire se ioniza a ~3 MV/m
- Descargas estáticas: kV a través de mm
Puntos de Referencia de Voltaje en el Mundo Real
| Contexto | Voltaje | Notas |
|---|---|---|
| Señal nerviosa | ~70 mV | Potencial de reposo |
| Termopar | ~50 µV/°C | Sensor de temperatura |
| Pila AA (nueva) | 1.5 V | Alcalina, disminuye con el uso |
| Alimentación USB | 5 V | Estándar USB-A/B |
| Batería de coche | 12 V | Seis celdas de 2V en serie |
| USB-C PD | 5-20 V | Protocolo Power Delivery |
| Enchufe doméstico (EE. UU.) | 120 V AC | Voltaje RMS |
| Enchufe doméstico (UE) | 230 V AC | Voltaje RMS |
| Valla eléctrica | ~5-10 kV | Baja corriente, seguro |
| Bobina de encendido de coche | ~20-40 kV | Crea la chispa |
| Línea de transmisión | 110-765 kV | Red de alta tensión |
| Rayo | ~100 MV | 100 millones de voltios |
| Rayo cósmico | ~1 GV+ | Partículas de energía extrema |
Estándares de Voltaje Comunes
| Dispositivo / Estándar | Voltaje | Tipo | Notas |
|---|---|---|---|
| Pila AAA/AA | 1.5 V | DC | Estándar alcalino |
| Celda de Li-ion | 3.7 V | DC | Nominal (rango de 3.0-4.2V) |
| USB 2.0 / 3.0 | 5 V | DC | Alimentación USB estándar |
| Pila de 9V | 9 V | DC | Seis celdas de 1.5V |
| Batería de coche | 12 V | DC | Seis celdas de plomo-ácido de 2V |
| Cargador de portátil | 19 V | DC | Voltaje común de portátil |
| PoE (Power over Ethernet) | 48 V | DC | Alimentación de dispositivos de red |
| Hogar en EE. UU. | 120 V | AC | 60 Hz, voltaje RMS |
| Hogar en la UE | 230 V | AC | 50 Hz, voltaje RMS |
| Vehículo eléctrico | 400 V | DC | Paquete de baterías típico |
Aplicaciones en el Mundo Real
Electrónica de Consumo
USB: 5V (USB-A), 9V, 20V (USB-C PD). Baterías: 1.5V (AA/AAA), 3.7V (Li-ion), 12V (coche). Lógica: 3.3V, 5V. Cargadores de portátiles: 19V típico.
- USB: 5V (2.5W) a 20V (100W PD)
- Batería de teléfono: 3.7-4.2V Li-ion
- Portátil: 19V DC típico
- Niveles lógicos: 0V (bajo), 3.3V/5V (alto)
Distribución de Energía
Hogar: 120V (EE. UU.), 230V (UE) AC. Transmisión: 110-765 kV (alto voltaje = baja pérdida). Las subestaciones reducen al voltaje de distribución. Menor voltaje cerca de los hogares por seguridad.
- Transmisión: 110-765 kV (larga distancia)
- Distribución: 11-33 kV (vecindario)
- Hogar: 120V/230V AC (enchufes)
- Alto voltaje = transmisión eficiente
Alta Energía y Ciencia
Aceleradores de partículas: de MV a GV (LHC: 6.5 TeV). Rayos X: 50-150 kV. Microscopios electrónicos: 100-300 kV. Rayo: 100 MV típico. Generador de Van de Graaff: ~1 MV.
- Rayo: ~100 MV (100 millones de voltios)
- Aceleradores de partículas: rango de GV
- Tubos de rayos X: 50-150 kV
- Microscopios electrónicos: 100-300 kV
Matemáticas Rápidas de Conversión
Conversiones Rápidas de Prefijos SI
Cada paso de prefijo = ×1000 o ÷1000. kV → V: ×1000. V → mV: ×1000. mV → µV: ×1000.
- kV → V: multiplica por 1,000
- V → mV: multiplica por 1,000
- mV → µV: multiplica por 1,000
- Inverso: divide por 1,000
Potencia a partir del Voltaje
P = V × I (potencia = voltaje × corriente). 12V a 2A = 24W. 120V a 10A = 1200W.
- P = V × I (Vatios = Voltios × Amperios)
- 12V × 5A = 60W
- P = V² / R (si se conoce la resistencia)
- I = P / V (corriente a partir de la potencia)
Comprobaciones Rápidas de la Ley de Ohm
V = I × R. Conoce dos, encuentra el tercero. 12V a través de 4Ω = 3A. 5V ÷ 100mA = 50Ω.
- V = I × R (Voltios = Amperios × Ohmios)
- I = V / R (corriente a partir del voltaje)
- R = V / I (resistencia)
- Recuerda: divide para I o R
Cómo Funcionan las Conversiones
- Paso 1: Convierte la fuente → voltios usando el factor toBase
- Paso 2: Convierte voltios → destino usando el factor toBase del destino
- Alternativa: Usa un factor directo (kV → V: multiplica por 1000)
- Comprobación de sentido común: 1 kV = 1000 V, 1 mV = 0.001 V
- Recuerda: W/A y J/C son idénticos a V
Referencia de Conversiones Comunes
| Desde | A | Multiplicar por | Ejemplo |
|---|---|---|---|
| V | kV | 0.001 | 1000 V = 1 kV |
| kV | V | 1000 | 1 kV = 1000 V |
| V | mV | 1000 | 1 V = 1000 mV |
| mV | V | 0.001 | 1000 mV = 1 V |
| mV | µV | 1000 | 1 mV = 1000 µV |
| µV | mV | 0.001 | 1000 µV = 1 mV |
| kV | MV | 0.001 | 1000 kV = 1 MV |
| MV | kV | 1000 | 1 MV = 1000 kV |
| V | W/A | 1 | 5 V = 5 W/A (identidad) |
| V | J/C | 1 | 12 V = 12 J/C (identidad) |
Ejemplos Rápidos
Problemas Resueltos
Cálculo de la Potencia USB
Un USB-C suministra 20V a 5A. ¿Cuál es la potencia?
P = V × I = 20V × 5A = 100W (máximo de USB Power Delivery)
Diseño de Resistencia para LED
Alimentación de 5V, un LED necesita 2V a 20mA. ¿Qué resistencia?
Caída de voltaje = 5V - 2V = 3V. R = V/I = 3V ÷ 0.02A = 150Ω. Usa una resistencia estándar de 150Ω o 180Ω.
Eficiencia de las Líneas Eléctricas
¿Por qué se transmite a 500 kV en lugar de 10 kV?
Pérdida = I²R. Para la misma potencia P = VI, entonces I = P/V. 500 kV tiene 50 veces menos corriente → ¡2500 veces menos pérdida (factor I²)!
Errores Comunes a Evitar
- **Voltaje ≠ potencia**: 12V × 1A = 12W, pero 12V × 10A = 120W. ¡Mismo voltaje, diferente potencia!
- **Pico de AC vs. RMS**: 120V AC RMS ≈ 170V de pico. Usa RMS para los cálculos de potencia (P = V_RMS × I_RMS).
- **Los voltajes en serie se suman**: Dos pilas de 1.5V en serie = 3V. En paralelo = sigue siendo 1.5V (mayor capacidad).
- **Alto voltaje ≠ peligro**: Una descarga estática es de más de 10 kV pero segura (baja corriente). La corriente mata, no el voltaje por sí solo.
- **Caída de voltaje**: Los cables largos tienen resistencia. 12V en la fuente ≠ 12V en la carga si el cable es demasiado delgado.
- **No mezcles AC/DC**: 12V DC ≠ 12V AC. La AC necesita componentes especiales. La DC solo proviene de baterías/USB.
Datos Fascinantes sobre el Voltaje
Tus Nervios Funcionan a 70 mV
Las células nerviosas mantienen un potencial de reposo de -70 mV. El potencial de acción sube a +40 mV (una oscilación de 110 mV) para transmitir señales a ~100 m/s. ¡Tu cerebro es un ordenador electroquímico de 20W!
Un Rayo tiene 100 Millones de Voltios
Un rayo típico: ~100 MV sobre ~5 km = campo de 20 kV/m. Pero la corriente (30 kA) y la duración (<1 ms) causan el daño. Energía: ~1 GJ, podría alimentar una casa durante un mes, ¡si pudiéramos capturarla!
Anguilas Eléctricas: Arma Viviente de 600V
La anguila eléctrica puede descargar 600V a 1A para defensa/caza. Tiene más de 6000 electrocitos (baterías biológicas) en serie. Potencia máxima: 600W. Aturde a la presa al instante. ¡El taser de la naturaleza!
El USB-C Ahora Puede Dar 240W
USB-C PD 3.1: hasta 48V × 5A = 240W. Puede cargar portátiles de gaming, monitores e incluso algunas herramientas eléctricas. El mismo conector que tu teléfono. ¡Un cable para gobernarlos a todos!
Líneas de Transmisión: Más Alto es Mejor
La pérdida de potencia ∝ I². Mayor voltaje = menor corriente para la misma potencia. Las líneas de 765 kV pierden <1% por cada 100 millas. ¡A 120V, lo perderías todo en 1 milla! Por eso la red usa kV.
Puedes Sobrevivir a un Millón de Voltios
Los generadores de Van de Graaff alcanzan 1 MV pero son seguros: corriente minúscula. Descarga estática: 10-30 kV. Táseres: 50 kV. La corriente a través del corazón (>100 mA) es peligrosa, no el voltaje. El voltaje por sí solo no mata.
Evolución Histórica
1800
Volta inventa la batería (pila voltaica). Primera fuente de voltaje continuo. La unidad se nombra más tarde 'voltio' en su honor.
1827
Ohm descubre V = I × R. La ley de Ohm se convierte en la base de la teoría de circuitos. Inicialmente rechazada, ahora es fundamental.
1831
Faraday descubre la inducción electromagnética. Muestra que se puede inducir voltaje cambiando los campos magnéticos. Permite los generadores.
1881
El primer congreso eléctrico internacional define el voltio: FEM que produce 1 amperio a través de 1 ohmio.
1893
Westinghouse gana el contrato para la central eléctrica de las Cataratas del Niágara. La AC gana la 'Guerra de las Corrientes'. El voltaje de AC se puede transformar eficientemente.
1948
La CGPM redefine el voltio en términos absolutos. Basado en el vatio y el amperio. Se establece la definición moderna del SI.
1990
Estándar de voltaje de Josephson. Un efecto cuántico define el voltio con una precisión de 10⁻⁹. Basado en la constante de Planck y la frecuencia.
2019
Redefinición del SI: el voltio ahora se deriva de la constante de Planck fija. Definición exacta, no se necesita ningún artefacto físico.
Consejos Profesionales
- **Rápido de kV a V**: Mueve el punto decimal 3 lugares a la derecha. 1.2 kV = 1200 V.
- **El voltaje AC es RMS**: 120V AC significa 120V RMS ≈ 170V de pico. Usa RMS para los cálculos de potencia.
- **Los voltajes en serie se suman**: 4 pilas AA de 1.5V = 6V (en serie). En paralelo = 1.5V (más capacidad).
- **El voltaje causa la corriente**: Piensa en voltaje = presión, corriente = caudal. Sin presión, no hay caudal.
- **Comprueba las clasificaciones de voltaje**: Superar el voltaje nominal destruye los componentes. Siempre comprueba la hoja de datos.
- **Mide el voltaje en paralelo**: El voltímetro se coloca a través (en paralelo) del componente. El amperímetro se coloca en serie.
- **Notación científica automática**: Los valores < 1 µV o > 1 GV se muestran en notación científica para facilitar la lectura.
Referencia Completa de Unidades
Unidades SI
| Nombre de la Unidad | Símbolo | Equivalente en Voltios | Notas de Uso |
|---|---|---|---|
| voltio | V | 1 V (base) | Unidad base del SI; 1 V = 1 W/A = 1 J/C (exacto). |
| gigavoltio | GV | 1.0 GV | Física de altas energías; rayos cósmicos, aceleradores de partículas. |
| megavoltio | MV | 1.0 MV | Rayos (~100 MV), aceleradores de partículas, máquinas de rayos X. |
| kilovoltio | kV | 1.0 kV | Transmisión de energía (110-765 kV), distribución, sistemas de alto voltaje. |
| milivoltio | mV | 1.0000 mV | Señales de sensores, termopares, bioelectricidad (señales nerviosas ~70 mV). |
| microvoltio | µV | 1.0000 µV | Mediciones de precisión, señales de EEG/ECG, amplificadores de bajo ruido. |
| nanovoltio | nV | 1.000e-9 V | Mediciones ultrasensibles, dispositivos cuánticos, límites de ruido. |
| picovoltio | pV | 1.000e-12 V | Electrónica cuántica, circuitos superconductores, precisión extrema. |
| femtovoltio | fV | 1.000e-15 V | Sistemas cuánticos de pocos electrones, mediciones de límite teórico. |
| attovoltio | aV | 1.000e-18 V | Suelo de ruido cuántico, dispositivos de un solo electrón, solo investigación. |
Unidades Comunes
| Nombre de la Unidad | Símbolo | Equivalente en Voltios | Notas de Uso |
|---|---|---|---|
| vatio por amperio | W/A | 1 V (base) | Equivalente a voltio: 1 V = 1 W/A de P = VI. Muestra la relación de potencia. |
| julio por culombio | J/C | 1 V (base) | Definición de voltio: 1 V = 1 J/C (energía por carga). Fundamental. |
Legado y Científico
| Nombre de la Unidad | Símbolo | Equivalente en Voltios | Notas de Uso |
|---|---|---|---|
| abvoltio (EMU) | abV | 1.000e-8 V | Unidad CGS-EMU = 10⁻⁸ V = 10 nV. Unidad electromagnética obsoleta. |
| statvoltio (ESU) | statV | 299.7925 V | Unidad CGS-ESU ≈ 300 V (c/1e6 × 1e-2). Unidad electrostática obsoleta. |
Preguntas Frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre voltaje y corriente?
El voltaje es presión eléctrica (como la presión del agua). La corriente es el caudal (como el flujo de agua). Un alto voltaje no significa una alta corriente. Puedes tener un alto voltaje con cero corriente (circuito abierto) o una alta corriente con bajo voltaje (cortocircuito a través de un cable).
¿Por qué se utiliza un alto voltaje para la transmisión de energía?
La pérdida de potencia en los cables es ∝ I² (corriente al cuadrado). Para la misma potencia P = VI, un voltaje más alto significa una corriente más baja. 765 kV tiene 6,375 veces menos corriente que 120V para la misma potencia → ¡~40 millones de veces menos pérdida! Por eso las líneas eléctricas usan kV.
¿Puede un alto voltaje matarte incluso con una corriente baja?
No, la corriente que atraviesa tu cuerpo es lo que mata, no el voltaje. Las descargas estáticas son de 10-30 kV pero seguras (<1 mA). Los tásers: 50 kV pero seguros. Sin embargo, un alto voltaje puede forzar la corriente a través de la resistencia (V = IR), por lo que un alto voltaje a menudo significa una alta corriente. La corriente >50 mA a través del corazón es letal.
¿Cuál es la diferencia entre el voltaje de AC y DC?
El voltaje DC (Corriente Continua) tiene una dirección constante: baterías, USB, paneles solares. El voltaje AC (Corriente Alterna) invierte su dirección: enchufes de pared (50/60 Hz). El voltaje RMS (120V, 230V) es el equivalente efectivo en DC. La mayoría de los dispositivos usan DC internamente (los adaptadores de AC convierten).
¿Por qué los países utilizan diferentes voltajes (120V vs. 230V)?
Por razones históricas. EE. UU. eligió 110V en la década de 1880 (más seguro, necesitaba menos aislamiento). Europa estandarizó más tarde en 220-240V (más eficiente, menos cobre). Ambos funcionan bien. Mayor voltaje = menor corriente para la misma potencia = cables más delgados. Un equilibrio entre seguridad y eficiencia.
¿Se pueden sumar los voltajes?
Sí, en serie: las baterías en serie suman sus voltajes (1.5V + 1.5V = 3V). En paralelo: el voltaje se mantiene igual (1.5V + 1.5V = 1.5V, pero el doble de capacidad). Ley de Voltaje de Kirchhoff: los voltajes en cualquier bucle suman cero (las subidas igualan a las caídas).
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