En la práctica, el voltaje es una medida de una diferencia entre dos puntos. Puedes pensarlo solo de esta manera, y ser un muy buen ingeniero. Medir la diferencia entre dos puntos es fácil con un voltímetro, como sin duda sabrá. Esta cosa que está midiendo generalmente se llama voltaje pero más bien se llama diferencia de potencial eléctrico .
Pero, hay una cosa que se puede medir en voltios que se define en un solo punto, y es el potencial de campo eléctrico . Para comprenderlo, debe salir del campo de la ingeniería e ingresar al campo de la física (no se pretende hacer un juego de palabras).
Digamos que tienes un electrón (carga negativa) y un protón (carga positiva). Naturalmente, estos dos se atraerán, y (por lo que yo entiendo, ¡no soy un físico!) Esto es lo que mantiene a los electrones pegados a sus núcleos atómicos.
Pero, si puede separar estos dos, obtiene un campo entre ellos. Puedes visualizarlo así:
( fuente de imagen )
Estas líneas representan la fuerza (en nuestro caso, la fuerza electromotriz ) que se experimentaría con un cargo, se para estar en este campo. Es decir, si fueras una carga infinitamente pequeña en esa imagen, sentirías una fuerza que te empuja en la dirección de las flechas. Se puede pensar que el protón arroja un fluido invisible y el electrón que lo aspira. Este fluido invisible actúa sobre otras cargas como el viento.
Aquí hay otra forma de visualizar el mismo campo. El protón es una montaña y el electrón es un valle:
( fuente de imagen )
Si eres una pelota en este campo, la gravedad trabajará en ti y rodarás cuesta abajo. Excepto, este no es un campo de gravedad, por lo que nuestra "bola" está hecha de "carga", no de masa. Por supuesto, si agrega algún cargo a esta imagen, el campo cambia. Esto también se aplica a los campos de gravedad, excepto que la Tierra es mucho más masiva que la bola que imaginas que su efecto es insignificante. Entonces, imagine que su bola de carga rodando en este campo es infinitesimal.
Una cosa que notará sobre este campo: a medida que lo extendemos hasta el infinito, se vuelve plano. El potencial del campo eléctrico en este lugar infinitamente distante es \ $ 0V \ $, por definición.
Si queremos poner una pelota en la montaña desde una distancia infinita, tendremos que hacer trabajo . ¿Cuánto cuesta? Bueno, depende de dos cosas: qué tan alto queremos empujarlo y qué tan grande es la pelota. Una pelota grande requiere más trabajo. Empujarlo más alto requiere más trabajo.
Una forma de definir el voltio es joules (energía, trabajo) por coulomb (cargo):
$$ V = \ frac {J} {C} $$
Así que puedes pensarlo de esta manera: si tuviste una bola de carga que era 1 coulomb grande, e hiciste 1 julios de trabajo empujando cuesta arriba, tienes un voltio de altura. O, si tienes una bola de carga de 1 culombio, y la dejas rodar cuesta abajo en el electrón, y la detienes después de que se haya completado 1 julio de trabajo, estás a -1 voltio. Si tu bola tenía 2 coulombs grandes, entonces el trabajo se duplica, pero aún es solo 1 voltio.
Por lo tanto, puede elegir cualquier punto en este campo y obtener su potencial eléctrico. Es la cantidad de trabajo que se puede hacer, o se ha hecho, por unidad de carga, llegando hasta allí desde una distancia infinita. Con nuestra analogía de colinas y valles, el potencial eléctrico es análogo a la elevación.
Cuando pega sus sondas en dos puntos, está haciendo la pregunta:
Si dejo que una bola de carga de 1 coulombue entre ambos puntos, ¿cuántos julios de trabajo se realizarán en ella?
Por supuesto, no podemos alejarnos infinitamente de toda la carga en el universo, por lo que no podemos medir el potencial del campo eléctrico directamente con un multímetro. Solo podemos medir la diferencia de potencial eléctrico. Pero, podemos calcular el potencial del campo eléctrico, si sabemos dónde están los cargos en un sistema.
Ya que no estamos infinitamente lejos de toda carga en el universo, necesariamente hay algún potencial de campo eléctrico en todas partes. Pero, no podemos trabajar con solo potencial; Necesitamos una diferencia . No puedes hacer ningún trabajo con una pelota en una montaña a menos que puedas rodarla.