¿Qué es una caída de tensión en un circuito eléctrico?

En esta Pregunta Frecuente de Ingeniería, daremos una breve explicación conceptual de las caídas de tensión y discutiremos la polaridad de las tensiones que caen a través de resistencias, condensadores e inductores.

Tensión, trabajo y flujo de corriente

Una batería convierte la energía química en energía eléctrica, produciendo una tensión -es decir, una diferencia de potencial eléctrico- a través de sus dos terminales. Una resistencia es un componente que crea una cantidad específica de resistencia a la corriente eléctrica. Cuando conectamos los dos terminales de una resistencia a los dos terminales de una batería, los portadores de carga se mueven a través del circuito, y a esto lo llamamos corriente eléctrica.

El voltaje transmite la capacidad de realizar el trabajo de mover la carga de un punto a otro. Una batería de 5 V, por ejemplo, puede realizar 5 julios de trabajo por cada culombio de carga. Cuando la corriente fluye a través de una resistencia, podemos medir la cantidad de trabajo (por unidad de carga) necesaria para mantener la corriente fluyendo a través de la resistencia.

Esta es la esencia de la caída de tensión: una batería (o fuente de tensión) suministra energía para realizar el trabajo de mover la carga. Cuando la corriente fluye, los componentes como las resistencias consumen energía, y la cantidad de trabajo por unidad de carga asociada con la corriente que fluye a través de un componente determinado es la caída de tensión del componente.

La tensión caída por un componente representa una parte de la tensión generada por la batería. En otras palabras, el trabajo realizado por la batería se divide entre los componentes del circuito.

Podemos reconocer intuitivamente que conducir una cantidad determinada de corriente a través de más resistencia requerirá más trabajo. Así, si dos resistencias están en serie (lo que significa que tienen el mismo flujo de corriente), la resistencia con más resistencia tiene una mayor caída de tensión. Esta es la base del funcionamiento del circuito divisor de tensión.

Polaridad de las caídas de tensión

Una resistencia siempre funciona como una carga, es decir, como un componente que consume energía. Si adoptamos el modelo convencional de flujo de corriente, en el que la corriente fluye de mayor a menor tensión, la caída de tensión a través de una resistencia es positiva donde la corriente entra en la resistencia y negativa donde la corriente sale de la resistencia:

Un modelo de flujo de corriente que representa cómo una caída de tensión es positiva donde la corriente entra en una resistencia y negativa donde sale.

Esta polaridad se «opone» a la tensión de la fuente: si conectáramos una batería con esta misma orientación de polaridad, conduciría la corriente en la dirección opuesta (o contrarrestaría la tensión de la fuente, según se piense).

Los condensadores e inductores almacenan energía y, en consecuencia, pueden funcionar como carga o como fuente. Cuando actúan como cargas, tienen la misma polaridad de caída de tensión que una resistencia.

Cuando actúan como cargas, los condensadores e inductores tienen la misma polaridad de caída de tensión que una resistencia.

La polaridad de caída de tensión de un condensador no cambia cuando comienza a descargarse. Aunque esté actuando como fuente, produce una corriente cuyo sentido es opuesto al de la corriente de carga.

Sin embargo, cuando un inductor se descarga, intenta mantener el flujo de corriente. Así, la polaridad de la caída de tensión del inductor cambia, porque está generando una corriente cuyo sentido es el mismo que el de la corriente de carga producida por la fuente.