¿Qué es exactamente el voltaje?

Tu profesor tenía razón.

La corriente es una carga eléctrica (generalmente electrones) en movimiento. Ellos no hacen eso solos por ninguna razón, no más que un carrito de compras que se mueve por el piso de una tienda por sí solo. En física, llamamos a la fuerza que empuja las cargas de la fuerza electromotriz , o "EMF". Casi siempre se expresa en unidades de voltios, por lo que usualmente tomamos atajos y decimos "voltaje" la mayor parte del tiempo. Técnicamente, EMF es la cantidad física y los voltios son 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, habrá un voltaje generado a lo largo de la longitud del cable. Los generadores eléctricos, como en las centrales eléctricas, y el alternador en su automóvil funcionan con este principio.

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

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

4. Electrostática Frote dos de los tipos de materiales correctos 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 recorres el tipo correcto de alfombra y luego te golpeas cuando tocas un objeto metálico. Frotar un globo contra tu 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 así los jala, lo que a su vez tira del globo en el que están atrapados.

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

5. Termoeléctrico. Un gradiente de temperatura en la mayoría de los conductores produce un voltaje. Esto se denomina 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 parte del bucle se compensa luego con una disminución de temperatura en otra parte del bucle. El truco es usar dos materiales diferentes que muestren un voltaje diferente como resultado del mismo gradiente de temperatura (diferente coeficiente de Siebeck). Use un material que vaya a una fuente de calor y otro diferente, y obtendrá un voltaje neto que puede usar a la misma temperatura.

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

6. Thermionic . Si calientas 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 donde aterrizar que está más frío (para que no vuelvan a volar desde allí), tiene un generador termoiónico. Esto puede sonar bastante inverosímil, pero también ha habido naves espaciales impulsadas por este principio con la fuente de calor nuevamente siendo la desintegración del isótopo radioeléctrico.

   Los tubos de electrones usan este principio en parte. En lugar de calentar algo para que los electrones salgan solos, puedes 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 (por ejemplo, el cristal de cuarzo) generan un voltaje cuando los exprime. Algunos micrófonos funcionan sobre este principio. Las ondas de presión variables en el aire que llamamos sonido aplastan y aplastan un cristal de cuarzo alternativamente, lo que hace que, como resultado, produzca pequeñas ondas de voltaje. Podemos amplificarlos para que eventualmente emitan señales que pueda grabar, conectar altavoces para que pueda escucharlos, etc.

   Este principio también se usa en muchos encendedores de barbacoa. Un mecanismo de resorte golpea un cristal de cuarzo bastante fuerte por lo que produce suficiente voltaje para causar una chispa.

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

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

Todo comienza con la fuerza entre dos cargas puntuales. Deje que los cargos de los puntos \ $ P_1 \ $ y \ $ P_2 \ $ sean \ $ q_1 \ $ y \ $ q_2 \ $. Que la distancia entre ellos sea \ $ r \ $. El teorema fundamental dice que la fuerza entre estas dos cargas es proporcional a la cantidad de cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Es decir:

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

Deje que la ubicación y el cargo de \ $ P_1 \ $ sean fijos. Ahora la fuerza depende de la ubicación y el cargo de \ $ P_2 \ $. Así definimos un campo vectorial llamado "Campo electrostático". La dirección del campo vectorial es la misma que la dirección del campo de fuerza entre \ $ P_1 \ $ y \ $ P_2 \ $ cuando \ $ q_2 \ $ es un cargo unitario positivo. Y la magnitud del campo es la fuerza por carga \ $ q_1 \ $ cuando \ $ q_2 \ $ es la unidad de carga positiva. Es decir:

\ $ \ bar {E} = \ lim \ limits_ {q_1 \ to 0} \ dfrac {\ bar {F}} {q_1} \ quad \ mbox {(} q_2 \ mbox {es una carga positiva de la unidad)} \ $

Hacemos que \ $ q_1 \ $ se acerque a cero para ignorar que otros efectos electromagnéticos desaparecen; No dejes que te confunda tanto. Es algo así como "un aura que puede generar cierta fuerza por carga eléctrica unida". La dirección es la misma con la dirección de la fuerza que genera, y su magnitud es proporcional a la magnitud de la fuerza.

Ahora llegamos a ver que estas cantidades que definimos son muy similares a algunas 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 \ $ \ bar {E} \ $ es muy similar al campo gravitacional de la Tierra.

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 traer un objeto (que tiene una unidad de masa) desde el infinito hasta ese punto. Cuando lo definimos en Electrostática, el potencial del punto \ $ P_2 \ $ se convierte en:

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

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

\ $ 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 está libre de rizos, lo que significa que siempre se puede representar como un gradiente de un campo escalar (\ $ \ bar {E} = - \ bar {\ nabla} V \ $). Estas integrales de línea son independientes de la ruta.

Entonces, esta es la definición del campo potencial. Un punto siempre tendrá un potencial, incluso si no hay cargo en él. Piénselo como de "la energía necesaria para traer una carga unitaria desde el infinito". La diferencia de potencial entre dos puntos es similar; es la energía necesaria para llevar una unidad de carga de un punto a otro. O piénselo 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 en las alturas determinadas.

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

Un voltaje aparece cuando hay un desequilibrio de carga eléctrica (es decir, electrones). Dado que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, cualquier colección de partículas cargadas eléctricamente crea algún tipo de fuerza entre ellas. Si hay un desequilibrio de negativo a positivo, se forma un tipo de "presión" o "empuje". En los materiales conductores, los electrones son libres de fluir a través del material, en lugar de estar fijados en átomos, y por lo tanto fluirán al 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, forzando las partículas cargadas hacia 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 es negativo, pero en la otra dirección. Esto demuestra que un "impulso" negativo es exactamente lo mismo que un "impulso" 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, \ $ V = {dE \ over dQ} \ $, donde \ $ E \ $ es energía y \ $ Q \ $ es el cargo.

En realidad no podemos.

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

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

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

Agregando a lo que Gunnish dijo:

El voltaje en el punto A es literalmente una medida del trabajo que gastaría si empujara una carga positiva de 0V (generalmente definido 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 para llegar a 0 V (por ejemplo, encender un LED en el proceso).

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

Pero ampliando eso: el voltaje no es no como la presión, no exactamente. En cambio, es un concepto de matemáticas / física llamado "potenciales". El voltaje es más parecido a la altitud en un campo de gravedad, donde cada electrón o protón es como una roca. La altitud no es presión ni peso ni 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). Elevada a la misma tensión (altitud,) rocas más grandes Tendría mayor PE.

Más preciso: el voltaje es potencial eléctrico. No es fuerza (no es como la fuerza descendente o el peso de la roca, ni es como la cantidad de fuerza sobre una carga eléctrica en un campo eléctrico). También el voltaje no es energía potencial, ya que si eliminamos la roca, entonces la gravedad, la altitud y el potencial todavía existen. Los potenciales son parte del propio campo. Los patrones de voltaje pueden colgarse 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 de potencial iso, dibujándolas perpendiculares a las líneas de flujo. Donde sea que encontremos alguna línea de fuerza eléctrica, 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 es energía, ni "potencial 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, que la vincula con las unidades Joule y Coulomb. En realidad, va por el otro lado: ¡la cantidad de energía (la cantidad de trabajo realizado para mover una carga a través de una cierta diferencia de voltaje) se encuentra al multiplicar la carga por el cambio en el 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 hacia el espacio alrededor de los cables. A mitad de camino entre sus terminales de batería de 9V, encontrará un potencial de 4.5V, colgando solo en un espacio vacío Pero los voltímetros típicos no detectan el voltaje de espacio, ya que requiere un voltímetro con Z infinita (inp), o al menos unos pocos cientos de gigohms. Los voltímetros normales de 10Meg DMM consumen una corriente significativa, cortocircuitarán los campos electrónicos puros, por lo que deben tocarse 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 condensadores cargadas. El voltaje es el patrón de las capas concéntricas de cebolla que rodean cualquier objeto cargado, con las capas de cebolla perpendiculares a las líneas de flujo del campo eléctrico. Por lo tanto, 'pilas de capas de voltaje' es una forma de describir un campo eléctrico. La otra forma más familiar es usar 'líneas de fuerza'.

Lo que está impulsando las elecciones es una diferencia en la energía potencial, muy similar a la forma en que la gravedad te empuja / atrae a la tierra. Esto genera un efecto favorable probablemente para que los electrones se muevan de una manera sobre otra, esto también explica en parte por qué los electrones se mueven "aleatoriamente" en un cable.