¿Qué es exactamente el voltaje?

Una pregunta un poco extraña, pero ¿qué es? Mi profesor de física dijo que era como una especie de "empuje" que empuja electrones alrededor del circuito. ¿Puedo tener una explicación más compleja? Cualquier ayuda es muy apreciada.

Tu maestra tenía razón.

La corriente son cargas eléctricas (generalmente electrones) en movimiento. No lo hacen por sí mismos sin razón, no más de lo que un carro de compras se mueve solo por el piso de una tienda. En física, llamamos a la fuerza que empuja carga la fuerza electromotriz , o "EMF". Casi siempre se expresa en unidades de voltios, por lo que generalmente tomamos un pequeño atajo y decimos "voltaje" la mayor parte del tiempo. Técnicamente, EMF es la cantidad física y los voltios es una unidad en la que se puede cuantificar.

EMF se puede generar de varias maneras:

1. Electromagnético. Cuando un conductor (como un cable) se mueve lateralmente a través de un campo magnético, se generará un voltaje a lo largo del cable. Los generadores eléctricos como en las centrales eléctricas y el alternador en su automóvil funcionan según este principio.

2. Electroquímica. Una reacción química puede causar una diferencia de voltaje. Las baterías funcionan según este principio.

3. Fotovoltaica Choque los fotones en un diodo semiconductor en el lugar correcto y obtendrá un voltaje. Así es como funcionan las células solares.

4. Electrostático. Frote dos materiales del tipo correcto y uno arroja electrones sobre el otro. Dos materiales que exhiben bien este fenómeno son un peine de plástico y un gato. Esto es lo que sucede cuando barajas el tipo correcto de alfombra y luego obtienes un golpe cuando tocas un objeto de metal. Frotar un globo contra su camisa hace esto, lo que permite que el globo se "pegue" a otra cosa. En ese caso, el EMF no puede hacer que los electrones se muevan, pero aún tira de ellos, que a su vez tiran del globo en el que están atrapados.

   Este efecto puede ampliarse para hacer variar los altos voltajes y es la base de cómo funcionan los generadores Van de Graaff .

5. Termoeléctrico. Un gradiente de temperatura a lo largo de la mayoría de los conductores provoca un voltaje. Esto se llama efecto Siebeck . Desafortunadamente, no puede aprovechar eso porque para usar este voltaje eventualmente hay un circuito cerrado. Cualquier voltaje ganado por un aumento de temperatura en una parte del circuito se compensa con una disminución de la temperatura en otra parte del circuito. El truco consiste en usar dos materiales diferentes que exhiben un voltaje diferente como resultado del mismo gradiente de temperatura (diferente coeficiente de Siebeck). Use un material que salga a una fuente de calor y otro que regrese, y obtendrá un voltaje neto que puede usar a la misma temperatura.

   El voltaje total que se obtiene de uno a otro, incluso con una diferencia de temperatura alta, es bastante pequeño. Al juntar muchas de estas combinaciones, puede obtener un voltaje útil. Una salida y retorno se llama termopar , y se puede usar para detectar la temperatura. Muchos juntos es un generador de termopar. Sí, esos realmente existen. Ha habido naves espaciales alimentadas con este principio con la fuente de calor proveniente de la descomposición de un radioisótopo.

6. Termoiónica . Si calienta algo lo suficientemente alto (100s de ° C), entonces los electrones en su superficie se mueven tan rápido que a veces vuelan. Si tienen un lugar para aterrizar más frío (para que no vuelvan a volar desde allí), tiene un generador termoiónico. Esto puede sonar exagerado, pero también ha habido naves espaciales alimentadas por este principio con la fuente de calor nuevamente como descomposición de radioisótopos.

   Los tubos de electrones utilizan este principio en parte. En lugar de calentar algo para que los electrones salgan volando por sí mismos, puede calentarlo casi hasta ese punto para que salgan volando cuando se aplica un poco de voltaje adicional. Esta es la base del diodo del tubo de vacío e importante para la mayoría de los tubos de vacío. Es por eso que estos tubos tenían calentadores y se podían ver brillar. Se necesitan temperaturas brillantes para llegar a donde el efecto termoiónico es significativo.

7. Piezoeléctrico. Ciertos materiales (cristal de cuarzo, por ejemplo) generan un voltaje cuando los aprieta. Algunos micrófonos funcionan según este principio. Las ondas de presión variables en el aire que llamamos aplastar el sonido y aplastar un cristal de cuarzo alternativamente, lo que hace que produzca pequeñas ondas de voltaje como resultado. Podemos amplificarlos para eventualmente hacer señales que pueda grabar, manejar altavoces para que pueda escucharlos, etc.

   Este principio también se usa en muchos encendedores de parrilla de barbacoa. Un mecanismo de resorte golpea un cristal de cuarzo con bastante fuerza para que genere suficiente voltaje como para provocar una chispa.

Usando una analogía de fluidos, el voltaje es presión, la corriente es velocidad de flujo.

El "voltaje" es una cantidad derivada. Es difícil entender su significado físico sin comprender las cantidades de las que deriva.

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Hacemos aproximación a cero para descuidar algunos otros efectos electromagnéticos; no dejes que te confunda tanto. Es algo así como "un aura que puede generar algo de fuerza por carga eléctrica unida". Su dirección es la misma que la dirección de la fuerza que genera, y su magnitud es proporcional a la magnitud de la fuerza.$q_1$

Ahora llegamos a ver que estas cantidades que definimos son muy similares a otras cantidades físicas que conocemos. Por ejemplo, la fuerza anterior es muy similar a la fuerza entre la Tierra y un objeto espacial, como la Luna. Y el campo es muy similar al campo gravitacional de la Tierra.$\bar{E}$

Entonces surge la idea de definir el potencial eléctrico que es similar al potencial de un objeto espacial con respecto a la Tierra. El potencial de un punto en el espacio alrededor de la Tierra es la energía por unidad de masa para llevar un objeto (que tiene unidad de masa) desde el infinito hasta ese punto. Cuando lo definimos en Electrostática, el potencial del punto convierte en:$P_2$

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Entonces, la diferencia potencial entre dos puntos independientes ( y ) en el espacio dentro del campo (causado por ) es:$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Tenga en cuenta que el campo eléctrico no tiene curvatura, lo que significa que siempre se puede representar como un gradiente de un campo escalar ( ). Estas integrales de línea son independientes de la ruta.$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Entonces, esta es la definición del campo potencial. Un punto siempre tendrá un potencial, incluso si no tiene cargo. Piense en "la energía necesaria para llevar una unidad de carga desde el infinito". La diferencia potencial entre dos puntos es similar; Es la energía necesaria para llevar una unidad de carga de un punto a otro. O piense en un ejemplo más concreto como para los cuerpos celestes. La diferencia potencial entre 100 km de altura y 200 km de altura sobre la superficie de la Tierra no es más que diferencias de energías potenciales entre dos objetos de 1 kg a las alturas dadas.

Cuando llegamos al mundo real, el potencial de un punto es uno de todos los potenciales individuales causados ​​por las cargas (se aplica la teoría de la superposición).

Un voltaje aparece cada vez que hay un desequilibrio de carga eléctrica (es decir, electrones). Dado que las cargas similares se repelen y las cargas opuestas se atraen, cualquier colección de partículas cargadas eléctricamente crea algún tipo de fuerza entre sí. Si hay un desequilibrio de negativo a positivo, se forma una especie de "presión" o "empuje". En los materiales conductores, los electrones pueden fluir libremente a través del material, en lugar de estar fijados en los átomos, y por lo tanto fluirán hasta el punto de menor "presión".

Algunas consideraciones complicadas:

• La electricidad y la química están estrechamente conectadas. En una batería, por ejemplo, un desequilibrio químico crea un desequilibrio eléctrico (voltaje) a través de los terminales, al forzar las partículas cargadas a un lado. La química también afecta las condiciones eléctricas de otras maneras.
• La corriente (I) es el flujo de electrones, sin embargo, los electrones (ya que son negativos) fluyen en la dirección opuesta a la "corriente". La corriente es entonces el flujo conceptual de carga positiva, aunque el flujo real sea negativo, pero en la otra dirección. Esto demuestra que un "empuje" negativo es exactamente lo mismo que un "tirón" positivo.

Una definición que he escuchado es:

El voltaje es el potencial (de carga) para hacer el trabajo.

En otras palabras, el voltaje es la energía dada a una unidad de carga, es decir, , donde es energía y es carga. E$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

La respuesta rápida, la primera aproximación, la regla general: el voltaje es la presión eléctrica.

Pero expandiéndonos en eso: el voltaje no es como la presión, no exactamente. En cambio, es un concepto matemático / físico llamado "potenciales". El voltaje es más como la altitud en un campo de gravedad, donde cada electrón o protón es como una roca. La altitud no es presión, peso o fuerza. Si una roca está en la cima de una colina, la roca en una ubicación de alto potencial. Esto significa que la roca está almacenando energía potencial (PE), y liberará esta energía como energía cinética (KE) si se le permite moverse cuesta abajo (moverse a una ubicación de bajo potencial). Levantada a la misma tensión (altitud,) rocas más grandes tendría mayor PE.

Más preciso: el voltaje es potencial eléctrico. No es la fuerza (no es como la fuerza hacia abajo o el peso de la roca, ni es como la cantidad de fuerza sobre una carga eléctrica en un campo eléctrico). Además, el voltaje no es energía potencial, ya que si quitamos la roca, entonces la gravedad, la altitud y el potencial aún existen. Los potenciales son parte del campo en sí. Los patrones de voltaje pueden colgar en el espacio vacío.

El voltaje es una forma de describir / visualizar / medir campos eléctricos.

Para describir los campos electrónicos, podemos dibujar líneas de flujo entre cargas eléctricas opuestas. O, en cambio, podemos dibujar el patrón de voltaje, las superficies iso-potenciales, dibujándolas perpendiculares a las líneas de flujo. Dondequiera que encontremos algunas líneas de fuerza eléctricas, también encontraremos voltaje.

¿Qué es el voltaje no? ¿Cuáles son los conceptos erróneos típicos? Aquí hay uno grande: "el voltaje es un tipo de energía potencial". No, mal. En cambio, el voltaje es el concepto matemático "Potenciales", que no son energía, ni son "potenciales para hacer algo". Aquí hay otro error: "el voltaje es la energía potencial por unidad de carga". No, mal. Esa es solo la definición física de la unidad Volt, vinculándola con las unidades Joule y Coulomb. En realidad, es al revés: ¡la cantidad de energía (cantidad de trabajo realizada al mover una carga a través de una cierta diferencia de voltaje) se encuentra multiplicando la carga por el cambio de voltaje! ¡La energía eléctrica está determinada por el voltaje! Pero el voltaje en sí no necesita carga móvil ni energía potencial almacenada, ya que el voltaje es una forma de describir un campo en un espacio vacío. Las cargas de prueba utilizadas para describir el voltaje son cargas infinitesimales imaginarias. Otro error: "el voltaje aparece en la superficie de los cables". Incorrecto, el voltaje en realidad se extiende al espacio alrededor de los cables. A medio camino entre los terminales de la batería de 9V, encontrará un potencial de 4.5V, ¡colgado solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que eso requiere un voltímetro con Z infinita (inp), o al menos unos pocos cientos de gigohms. Los voltímetros DMM de 10Meg normales consumen una corriente significativa, cortocircuitarán los campos e puros, por lo que deben tocarse a las superficies de los conductores para medir el voltaje. ¡Encontraré un potencial de 4.5V, colgando solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que eso requiere un voltímetro con Z infinita (inp), o al menos unos pocos cientos de gigohms. Los voltímetros DMM de 10Meg normales consumen una corriente significativa, cortocircuitarán los campos e puros, por lo que deben tocarse a las superficies de los conductores para medir el voltaje. ¡Encontraré un potencial de 4.5V, colgando solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que eso requiere un voltímetro con Z infinita (inp), o al menos unos pocos cientos de gigohms. Los voltímetros DMM de 10Meg normales consumen una corriente significativa, cortocircuitarán los campos e puros, por lo que deben tocarse a las superficies de los conductores para medir el voltaje.

¿Qué es el voltaje? Es una pila de membranas invisibles que llenan el espacio entre las placas de condensador cargadas. El voltaje es el patrón de capas de cebolla concéntricas que rodean cualquier objeto cargado, con las capas de cebolla que se extienden perpendicularmente a las líneas de flujo del campo eléctrico. Entonces, 'pilas de capas de voltaje' es una forma de describir un campo eléctrico. La otra forma más familiar es usar 'líneas de fuerza'.

En realidad no podemos.

La fuerza electrostática es proporcional al gradiente potencial, pero no directamente al potencial. La fuerza sobre un culombio de carga es proporcional al gradiente potencial:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

En realidad, 1 V significa que si tiene 1 joule de energía eléctrica, se transferirá a energía mecánica con una carga de culombio de +1 [por lo que acelerará o aumentará 1 / 2mV ^ 2 en 1 J]. En realidad es análogo a la energía.

Agregando a lo que dijo Gunnish:

El voltaje en el punto A es literalmente una medida del trabajo que gastaría si empujara una carga positiva de 0V (generalmente definida como infinitamente lejos de A o tierra) a A.

El voltaje es importante en la electrónica porque si comenzamos con una carga positiva en el punto A, es capaz de HACER la misma cantidad de trabajo llegando a 0V (por ejemplo, encender un LED en el proceso).

Lo que impulsa las elecciones es una diferencia en la energía potencial, muy similar a la forma en que la gravedad lo empuja / tira a la tierra. Esto genera una probabilidad favorable de que los electrones se muevan de un lado a otro, esto también explica en parte por qué los electrones se mueven "al azar" en un cable.