O que exatamente é um “ volt ”?

Há uma analogia próxima com a gravidade, talvez ajude dar uma olhada nela.

Posso definir uma quantidade $ X = gh $ (perto da superfície da terra) onde $ g $ é a aceleração da gravidade e $ h $ é a altura acima da superfície. É difícil ter uma noção intuitiva dessa quantidade. Mas se eu multiplicar pela massa de um objeto naquela altura, encontro $ U = mgh $, energia. Portanto, podemos dizer que $ X $ representa um potencial para se tornar energia naquele ponto.

Da mesma forma, posso definir uma quantidade $ V $. É difícil entender intuitivamente essa quantidade. Mas se eu multiplicar pela carga de um objeto naquela posição, encontro $ U = qV $, energia. Portanto, podemos dizer que $ V $ representa um potencial para se tornar energia naquele ponto.

Há uma coisa infeliz a se observar. A palavra potencial é usada em dois conceitos diferentes, mas intimamente relacionados: potencial elétrico e energia potencial elétrica . Da mesma forma, podemos ter potencial gravitacional e energia potencial gravitacional . Eu sei que quando estava começando, isso me causou alguma confusão.

Eu reconheço que esta não é uma resposta direta para “O que é um volt?”, Mas o volt é uma quantidade abstrata. Nós o definimos como um substituto conveniente para a energia; simplifica muito a análise. Não é uma quantidade diretamente física, como força ou distância.

Comentários

• Por que não dar apenas a definição de energia potencial em vez de fazer uma analogia ? Nunca entendi como comparar o eletromagnetismo com outras coisas poderia ser mais fácil do que apenas aprender eletromagnetismo.
• @GennaroTedesco Acho que o OP tem tentado aprender eletromagnetismo e atingiu algo que a linha de raciocínio convencional não ‘ t explicar a ele ou ela. Uma analogia pode ajudar. Admito que não ‘ ajudará a todos. O OP é um novato e não ‘ pensa da mesma maneira que você ou eu pensamos.

Seja $ \ mathbf {E} (\ mathbf {r}) $ o campo elétrico: o trabalho realizado pelo campo em uma carga unitária $ q $ ao longo do caminho $ \ gamma $ é, por definição , $$ W _ {\ gamma} = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} (\ mathbf {r}).$$ Se o trabalho realizado pelo campo não depender do caminho $ \ gamma $, mas apenas de seus limites, em vez disso, dizemos que o campo é conservador e expressamos o trabalho associado realizado como a diferença de uma função calculada nos limites, a saber $$ W _ {\ gamma} = V (A) – V (B) = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} ( \ mathbf {r}) $$ para campos conservadores $ \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} (\ mathbf {r}) $. Calculando o que precede ao longo de qualquer caminho $ \ gamma $ caminhando por qualquer ponto no espaço, define a função $ V (x) $, referida como a energia potencial do campo.

Tomemos o caso particular de um campo elétrico constante conservativa . O trabalho associado feito ao longo de um caminho $ \ gamma $ é, portanto, expresso pela diferença de potencial $$ V (A) – V (B) = | \ textrm {E} | \, \ Delta r. $$ Chamamos de diferença de potencial de 1 Volt o trabalho realizado pelo campo acima do módulo 1 N / C $ para mover uma carga unitária de 1 m.

Volts ou tensão é a quantidade de energia potencial que os elétrons têm em relação a outro ponto, geralmente o que “é chamado de” terra “, que é definido como tendo um potencial de 0 V. Em alguns dispositivos, isso está relacionado à corrente pelo que é chamado de resistência (medida em ohms), que é a relação entre a tensão e a corrente no referido dispositivo. Especificamente, a voltagem é a quantidade de energia por coulomb de carga, então os volts têm a dimensão de Joules por Coulomb. Se você quiser uma analogia com o mundo real, uma comparação decente (não a melhor, mas decente) que eu gosto de usar é a analogia da água em canos. A corrente é literalmente apenas a quantidade de água que flui pelo cano. Mais água significa mais moléculas de água fluindo, o que é análogo à eletricidade fluindo por um fio. A voltagem, por outro lado, pode ser pensada em termos de queda dágua: a água que cai de uma cachoeira alta tem mais energia potencial do que a água que cai, digamos, na borda de uma pequena pedra na base da cachoeira. Aqui, novamente, medimos o potencial em relação ao solo.

Portanto, um volt é a “pressão” no fio. Quanto mais volts, maior o potencial de movimento. Portanto, se você aumentar a voltagem de algo do que a corrente ou a velocidade do movimento da energia aumenta porque mais toda a energia está passando pelo mesmo fio.

Bob tem um controlador de voltagem e quanto mais ele pressiona o botão, mais voltagem flui através do circuito para a lâmpada. A princípio, ele pressiona suavemente e a lâmpada fica fraca. Eventualmente, ele pressiona com mais força e, como há mais volts no fio, a corrente está se movendo mais rapidamente e a lâmpada fica mais brilhante. Ele então para de pressionar e como não há volts passando pelo circuito, não há pressão, a luz se apaga. Ele então bate o botão com um martelo e tantos volts passam pelo circo que os fios ficam sobrecarregados. Como se você conectasse uma enorme bomba dágua a um pequeno cano, o cano se quebraria porque a pressão da água está muito alta.

Outra analogia que você pode usar (esta realmente faz sentido)

Tensão (V) é o potencial de energia para se mover e é equivalente à pressão da água. A corrente (I) é uma taxa de fluxo e é medida em amperes. Ohms (r) é uma medida de resistência e é equivalente ao tamanho do cano de água. Esses três termos estão relacionados entre si com uma fórmula simples que diz: a corrente é igual à tensão dividida pela resistência. I = V / r Imagine que você tem um tanque de água com uma mangueira conectada no fundo desse tanque .. O que acontece se você aumentar a pressão dentro desse tanque? A quantidade de água que sai da mangueira também aumentará. O mesmo é verdade quando você aumenta a tensão, mais corrente fluirá. O que acontece se você conectar uma mangueira de diâmetro maior a este tanque? A taxa de fluxo também aumentará porque a resistência caiu. O mesmo é verdade se você usar um fio de grande bitola ao mover a corrente. Quanto maior o fio, mais corrente você pode passar por ele, danificando o fio.

Espero que faça sentido, boa sorte no teste;)

Por definição, um volt é um joule por coluna:

$$ V \ equiv \ frac {J} {C} $$

Isso surge da definição de potencial elétrico: a quantidade de energia potencial por unidade de carga em um circuito ou sistema. Para fazer uma analogia, o potencial elétrico está para a eletricidade assim como a altura / distância (essencialmente potencial gravitacional) está para a gravidade.

A diferença de potencial elétrico, mais comumente conhecida como tensão $ \ Delta V $, determina a corrente $ I $ em um circuito dado alguma resistência $ R $. Isso é conhecido como lei de Ohm e é dado pela equação $ \ Delta V = IR $.

Muitas pessoas dizem que é “pressão elétrica”, mas pessoalmente não gosto dessa analogia. Eu prefiro a analogia com a gravidade. Pense em uma bola rolando colina abaixo. Por que não sobe a colina?

A bola se move para minimizar sua energia potencial, sendo acelerada pela força gravitacional conservadora da Terra. A base do morro é a mais próxima do centro da Terra, a menor altura possível e, portanto, a menor gravitacional potencial.

Da mesma forma, isso é verdadeiro para cargas elétricas. O potencial elétrico mais baixo é a localização da energia potencial mínima para cargas positivas *, e as partículas em um campo conservador movem-se para o local de menor energia potencial. para essa posição, você tem corrente de acordo com a lei de Ohm.

* Para cargas negativas, a menor energia potencial está no maior potencial elétrico. Os elétrons se movem na direção do aumento do potencial elétrico.

Comentários

• ” A bola quer estar em seu estado de energia mais baixo ” – ugh …
• @AlfredCentauri Quer elaborar? Quero ser mais preciso se você puder fornecer mais feedback – ” ugh ” isn ‘ t muito útil. Eu poderia dizer que a bola ” se move para minimizar sua energia potencial, ou seja, em direção ao estado fundamental, onde é mais estável. ” É ‘ um ponto difícil de frase, sem mencionar o meu ” uso ” artístico de personificação.
• zhutchens1, eu realmente preciso elaborar? É a melhor resposta, no nível de estudantes sérios de física, à pergunta ” Por que [a bola] não rola morro acima ” realmente que ‘ a bola não ‘ deseja ‘? Pelo seu comentário, vejo que você provavelmente não ‘ não pensa assim. Aja de acordo com isso.
• @AlfredCentauri Obrigado. Editei minha resposta para ser um pouco mais preciso. Embora eu possa argumentar que um ” estudante sério de física ” achará que a definição de potencial elétrico e suas unidades são conhecimentos básicos / fundamentais .

Aqui temos um monte de partículas carregadas positivamente (de cor preta) e partículas carregadas negativamente ( branco):

Agora suponha que caiamos em uma partícula de carga negativa no ponto A. Ela vai tentar se mover para a esquerda, porque é atraída por todas as cargas positivas à esquerda e repelida pelas cargas negativas à direita. (Também há uma carga negativa à esquerda, mas isso é mais do que equilibrado por todos os positivos.)

Suponha que você queira mover essa partícula do ponto A para o ponto B. Então você ” vai ter que empurrar contra toda aquela força elétrica, então vai levar um pouco de energia para mover essa carga de A para B.

A voltagem entre os pontos A e B é a quantidade de energia de que você precisará para isso – ou seja, a quantidade de energia necessária para mover sua carga negativa de A para B, superando as forças elétricas ao longo do caminho.

Suponha que a voltagem seja, digamos, 3. Uma maneira de expressar isso é dizer que a voltagem em A é 1 e a voltagem em B é 4. Ou você pode dizer que a voltagem em A é 6 e o a voltagem em B é 9. Ou que a voltagem em A é $ -2 $ e a voltagem em B é $ + 1 $. Você pode escolher um número perfeitamente arbitrário para atribuir ao ponto $ A $, contanto que atribua esse número mais 3 ao ponto $ B $.

Então, vamos prosseguir e dizer (arbitrariamente) que o a voltagem em $ A $ é $ 2 $ e a voltagem em $ B $ é $ 5 $. Novamente, tudo o que queremos dizer com isso é que são necessárias 3 unidades de energia para mover uma unidade de carga de $ A $ para $ B $.

Agora, suponha que haja outro ponto $ C $, e suponha que sejam necessárias 7 unidades de energia para mover uma unidade de carga de $ A $ para $ C $. Ou seja, a voltagem de $ A $ a $ C $ é $ 7 $. Então, como já decidimos chamar a tensão de $ 2 $ no ponto $ A $, temos que chamá-la de $ 9 $ no ponto $ C $.

Agora: quanta energia é necessária para mover uma unidade de cobrar de $ B $ a $ C $? Bem, o número que atribuímos a $ B $ — a voltagem em $ B $ — é $ 5 $. E a voltagem em $ C $ é $ 9 $. Portanto, prevemos que levará $ 9-5 = 4 $ unidades de energia para mover uma unidade de carga de $ B $ para $ C $. E acontece, empiricamente, que se você fizer previsões dessa maneira, você estará sempre certo.

Então, em resumo: a voltagem entre $ A $ e $ B $ é a energia necessária para mover uma carga unitária de $ A $ para $ B $. A voltagem em $ A $ é qualquer número que você deseja inventar — você pode chamá-lo de $ 2 $ ou $ – 100 $ ou $ 3,14159 $. Depois de aumentar esse número, a voltagem em $ B $ ou $ C $ ou $ D $, menos a voltagem em $ A $, é a energia necessária para mover uma carga unitária de $ A $ a $ B $ ou $ C $ ou $ D $.E – milagrosamente – depois de atribuir números dessa maneira, você também pode usá-los para descobrir quanta energia é necessária para mover uma carga unitária de $ B $ para $ C $ ou de $ B $ para $ D $ ou de $ D $ para $ C $, apenas tomando as diferenças.

Se você não gosta da pressão analogia, acho que você não gostaria desta ilustração: Alguém poderia me explicar intuitivamente a lei de Ohm ‘? . Mas vale a pena tentar dar uma olhada.

Tirando isso, a voltagem $ V $ (com a unidade de volts $ \ mathrm V $) é apenas energia por carga; o que significa Joules por Coulomb :

$$ \ mathrm {[V] = \ left [\ frac JC \ right]} $$

Em outras palavras, a voltagem é a quantidade de energia ( energia elétrica potencial , como é chamada) armazenada em um ponto do circuito por unidade de carga .

Se um ponto no circuito armazena mais desta energia do que outro, então as cargas se moverão em direção ao outro ponto. A carga sempre vai querer estar em um ponto com a menor energia possível.

• Assim como uma mola, que pode armazenar energia quando esticada, que sempre tentará retornar a ela não esticada (mais baixa -energia) forma.

E é que as pessoas usam a analogia da “pressão da água”. Porque a diferença de energia entre dois pontos é o que faz a carga se mover de um ponto a outro – como se houvesse uma “pressão” maior sobre eles em um ponto, “empurrando-os” para o outro ponto.

Em mais profundidade

A razão é que a energia elétrica potencial é “armazenada” quando mais cargas (do mesmo sinal) são reunidas.

• Um elétron sozinho não causa energia potencial,
• mas adicione dois elétrons ao mesmo ponto do circuito e eles se repelirão. Como uma mola que é comprimida. Se você deixá-los ir, eles se afastarão um do outro .

Esta “energia armazenada” surge do fato de que eles estão se repelindo e d têm pontos próximos no circuito de onde são menos repelidos – portanto, eles se moverão naturalmente para lá. Isso reduzirá a energia potencial deste sistema – atingir uma configuração de energia mais baixa é por isso a meta para qualquer sistema de energia potencial.

Então, em suma, o volt é simplesmente a energia por carga em um ponto, e pode ser comparada com outros pontos no circuito para que possamos saber se a carga quer se mover para lá ou não.

Comentários

• Observe que o conceito de tensão é independente do conceito de circuito e da corrente fluindo através de um circuito.