¿Cómo puede existir / cambiar realmente el voltaje si la electricidad no puede aumentar o disminuir la velocidad? [duplicar]

Sólo he tomado esas analogías de agua con un grano de sal. Tales analogías son realmente útiles cuando uno comienza a sumergirse en la teoría, pero, al menos para mí, la naturaleza real de los fenómenos eléctricos es lo que tiene más sentido.

Para empezar, estoy seguro de que ha leído en alguna parte que el voltaje es en realidad una medida de diferencia de potencial entre dos puntos, a saber, ground y algún otro nodo (aunque cualquiera de los dos los puntos siguen siendo válidos, el terreno no es más que un punto de referencia arbitrario en un circuito). Yendo un paso más allá y sabiendo que:

$$ Voltaje (V) = \ dfrac {Joules} {Coulomb} $$

Lo que tenemos es un campo eléctrico a través del cual intentamos mover una carga. Si queremos hacer frente al campo de alguna carga con la misma polaridad, debemos gastar un cierto grado de energía para hacerlo. Por ejemplo, si movemos 1 C de carga contra un campo y terminamos agotando 1 Joule de energía, decimos que la diferencia de potencial , es decir, voltaje , es de 1 voltio !

Enelejemplo,moverBaArequeriríaciertamedidadeenergíaenjulios.Dependiendodelamagnituddelacargaqueestámoviendo,puedecalcularelvoltajerelacionadoquerepresentaelmovimiento.DadoqueAsemuestracomo+Q,elmovimientodeAaBenrealidadliberaenergíayBaArequiereentrada(esdecir,baterías,porejemplo).

Ahorasimplementetomeestoy,naturalmente,extiendasuaplicacióndevoltajeenespaciolibrealaaplicacióndecircuitos.Laúnicadiferenciaesqueelcampoeléctricoestácontenidoengranmedidadentrodeloscablesqueutilizamosparaconectardispositivosycircuitos.Comotal,ahoranotamosquecuandoexisteunvoltajeenuncomponente,loquerealmentetenemosesunadiferenciaenlaintensidaddelcampoeléctricoquesecaracterizaporelgastodeenergíanecesarioparamoverlacargaatravésdeél,elvoltaje.Enrealidad,inicialmentecolocamoslaenergíaenelsistemagenerandoquímicamenteelvoltajeparasuministraruncircuito,yluegogastamosesaenergíaalmacenadaenformadeCEM,caloryluzdependiendodesuaplicación.

Estoconducenaturalmentealacorriente,yaquelacorrienteeléctricanoesmásqueunderivadodeuncampoeléctrico.Esdecir,conuncampoeléctricoexisteatravésdeuncomponente,entoncesexisteunamedidadedesorden.Unsistemanaturalsiempreintentaráminimizarestetrastorno(esdecir, entropy ).

En lo que respecta a la otra pregunta relacionada con la "velocidad de la electricidad" , tenga en cuenta que la propagación de la tensión parece instantánea, pero la velocidad real de los electrones dentro de un cable es bastante lenta. Consulte Drift Velocity .

  

El problema aquí (creo) es que la electricidad siempre viaja a una velocidad constante (velocidad de la luz),

Creo que este es tu malentendido, y si esto se soluciona, las respuestas a tu pregunta serán mucho más claras.

Las ondas electromagnéticas viajan siempre a la velocidad de la luz (para el medio en el que viajan).

Pero la corriente no está midiendo el movimiento de las ondas electromagnéticas, está midiendo el flujo de los portadores de carga.

Y los portadores de carga no son objetos sin masa, y viajan mucho más lento que la velocidad de la luz. Reaccionan a las fuerzas de la misma manera que cualquier otro objeto masivo, según

\ $ \ vec {a} = \ vec {F} / m \ $,

donde la fuerza es producida por la interacción del campo eléctrico con la carga:

\ $ \ vec {a} = \ vec {E} q / m \ $.

En condiciones de estado estable, la aceleración debida al campo se equilibrará con alguna fuerza de retardo, tal como debido a las colisiones con el material por el que fluye la corriente. Y estos movimientos son solo un pequeño sesgo en el movimiento aleatorio general de los portadores en la mayoría de los casos. Sin embargo, un campo más fuerte tenderá a producir portadores de carga de movimiento más rápido, y un campo más débil tenderá a producir portadores de carga de movimiento más lento.

No se trata de velocidad, sino de cantidad. Los autos son mejores que el agua para demostrar esto:

No se trata de qué tan rápido se mueven los autos, sino cuántos de ellos pasan por un punto específico en un momento dado.

La resistencia define cuántos carriles tiene la carretera. La menor resistencia es como una carretera más ancha con más carriles. Permite que más autos pasen el mismo punto a la vez.

El voltaje define qué tan apretados están los autos. 10 carros espaciados a 1 m de distancia pasan en un espacio de tiempo más corto que 10 carros espaciados a 10 m.

El resultado de combinar los dos es el número de autos por segundo (por ejemplo), que es el actual.

Ahora, si tiene un camino de 3 carriles lleno de autos con una separación de 1 m, y lo limita a un camino de 1 carril, a esos autos les será difícil adaptarse al carril único. Algunos terminarán derramándose sobre el borde o chocando entre sí. Esa es la disipación de calor que obtienes en una resistencia. Los coches en exceso están saliendo por los lados, algunos de ellos en llamas;)

Y como resultado, menos autos saldrán del otro lado de la broca estrecha. La diferencia en el número de autos a cada lado de la "resistencia" de 1 carril es la caída de voltaje a través de él.

Creo que tu suposición de la velocidad de la luz es falsa. También odio las analogías y creo que están haciendo más para confundirte en este punto que para ayudarte (especialmente la analogía del automóvil). Intentaré explicar esto en términos de la física real (interacciones de electrones).

Los electrones en cualquier medio conductor siempre se mueven al azar, se repelen entre sí y encuentran nuevos átomos alrededor de los cuales orbitar. Recuerde que hay muchos electrones, todos están muy compactos y se repelen entre sí. La corriente es el flujo neto de estos electrones en una dirección particular. El voltaje, a.k.a. diferencia de potencial, es la diferencia en el potencial del campo eléctrico. Los electrones siempre preferirán moverse en la dirección del potencial más bajo (carga positiva) o alejarse de la carga negativa (otros electrones). Por lo tanto, cuando se aplica el voltaje, continuarán moviéndose al azar, pero tenderán hacia la dirección de un potencial más bajo emitiendo energía (a menudo en forma de calor) a lo largo del camino.

El problema con los automóviles en la analogía de la carretera es que los automóviles están organizados y dirigidos en la dirección correcta por un conductor inteligente. Solo recuerda que los electrones son estúpidos y se mueven aleatoriamente. Están influenciados principalmente por dos cosas: su repulsión de otros electrones y su atracción por los protones. Entonces, cuando introduces un exceso de protones en una ubicación, los electrones más cercanos se acercarán. A medida que se salen del camino, otros llenarán el espacio que dejaron atrás porque los primeros electrones ya no están ocupando ese espacio, repeliendo a los demás.

Su suposición de velocidad de la luz es incorrecta. El flujo de corriente no es a la velocidad de la luz; si lo fuera, entonces podrías hacer un haz de electrones simplemente doblando un cable y dejando que los electrones salgan volando porque no pueden hacer la curva.

Hay dos partes en el flujo de corriente que necesita separar. Una es la tasa de propagación de un cambio de voltaje, y la otra es la velocidad de los electrones en el cable.

La tasa de propagación de un cambio de voltaje está cerca de la velocidad de la luz, y depende del conductor y el aislante (dieléctrico) que lo rodea.

La velocidad de deriva de los electrones, por otro lado, es LENTA. Wikipedia da un ejemplo de un flujo de corriente de 3Amperes en un cable con un diámetro de 1 mm. La velocidad de deriva en ese caso es de aproximadamente un metro por hora; si tuviera un cable de 1 mm y un metro de largo y empujara 3 amperios a través de él, entonces tomaría una hora para que un electrón colocado en un extremo saliera por el otro lado. Por supuesto, habrá electrones saliendo todo el tiempo, pero no los que pones.

El flujo de corriente PUEDE aumentar o disminuir la velocidad, la velocidad de deriva de los electrones también depende del flujo de corriente en amperios. Si pones un voltaje más alto en tu cable, los electrones se moverán más rápido. Un voltaje más alto empuja a los electrones más fuerte, lo que provoca un mayor flujo de corriente y una mayor velocidad de deriva.

Lo que no cambia con un voltaje más alto es la velocidad con la cual un cambio de voltaje se propaga a través de un cable. Eso es, como he dicho, determinado por el material en el cable y el aislante que lo rodea. Para esta discusión, tan cerca de la velocidad de la luz como no importa. Si aplica un voltaje a un extremo de un cable y deja libre el otro extremo, el mismo voltaje aparecerá instantáneamente en el extremo libre.

La velocidad casi instantánea de la propagación del voltaje es lo que hace que la distribución eléctrica sea práctica. Usted "presiona" un extremo del cable y casi inmediatamente los electrones salen por el otro extremo, pero NO los que acaba de colocar. Dependiendo de la distancia y el flujo de corriente, pueden demorar horas o días en llegar hasta ese punto. Wikipedia Driftvelocity

Sé que mi respuesta puede no ser tan elocuente como las otras, pero la forma en que entiendo el voltaje / amperaje es que en física tienes lo que se llama "potenciales". Esto puede ser en forma de energía, gravedad, etc. Lo que esto significa en esencia es que algún objeto o partícula tiene más energía porque tiene un potencial más alto. Esto puede ser en la forma de un objeto que se mantiene más alto que otro objeto idéntico, por lo tanto, tiene mayor energía potencial. Un objeto también puede estar a una temperatura mayor, por lo tanto, también tiene mayor energía potencial. En el contexto del voltaje, esta energía potencial se refiere a la cantidad de carga que tiene una partícula en referencia a algún punto (carga de tierra o cero).

El amperaje es el flujo de electrones a través de un área determinada. La velocidad no cambia necesariamente, pero el área por la que fluye puede (piense en un calibre de cable más grande).

Ahora en referencia a su analogía del agua. La razón por la cual el agua fluye es debido a la tercera ley de newton. Para cada acción hay una reacción igual y opuesta. Cada molécula de agua tiene que empujar la siguiente molécula para que haya aceleración. En el caso de la tensión, salimos de la mecánica newtoniana y entramos en el mundo del electromagnetismo en el que se actúa sobre los objetos, no de forma lineal, sino más bien en forma de "campo", donde el potencial puede actuar sobre cualquier partícula en cualquier momento, independientemente de Es el comportamiento del vecino. Esta es la razón por la cual esta "velocidad" de los electrones de los que habla es consistente y no aumenta como en la analogía del agua. Espero que esto aclare un poco las cosas!