¿Qué es exactamente un “ volt ”?

Existe una analogía cercana con la gravedad, quizás ayude echarle un vistazo.

Puedo definir una cantidad $ X = gh $ (cerca de la superficie de la tierra) donde $ g $ es la aceleración debida a la gravedad y $ h $ es la altura sobre la superficie. Es difícil encontrarle un sentido intuitivo a esa cantidad. Pero si multiplico por la masa de un objeto a esa altura, encuentro $ U = mgh $, energía. Entonces, podríamos decir que $ X $ representa un potencial para convertirse en energía en ese punto.

De manera similar, puedo definir una cantidad $ V $. Es difícil encontrar un sentido intuitivo de esa cantidad. Pero si multiplico por la carga de un objeto en esa posición, encuentro $ U = qV $, energía. Así que podríamos decir que $ V $ representa un potencial para convertirse en energía en ese momento.

Hay una cosa desafortunada a tener en cuenta. La palabra potencial se usa en dos conceptos diferentes pero estrechamente relacionados: potencial eléctrico y energía potencial eléctrica . De manera similar, podemos tener potencial gravitacional y energía potencial gravitacional . Sé que cuando comencé esto me causó cierta confusión.

Reconozco que esta no es una respuesta directa a «¿Qué es un voltio?», Pero el voltio es una cantidad abstracta. Lo definimos como un conveniente sustituto de la energía; simplifica mucho análisis. No es una cantidad directamente física como la fuerza o la distancia.

Comentarios

• ¿Por qué no simplemente dar la definición de energía potencial en lugar de dar una analogía? ? Nunca entendí cómo comparar electromagnetismo con otras cosas podría ser más fácil que simplemente aprender electromagnetismo.
• @GennaroTedesco Creo que el OP ha estado tratando de aprender electromagnetismo, y ha alcanzado algo que la línea de razonamiento convencional no logra ‘ No se lo explique. Una analogía podría ayudar. Admito que no ‘ t ayudará a todos. El OP es un novato y no ‘ pienso de la misma manera que tú o yo pensamos.

Voltios o voltaje es la cantidad de energía potencial que tienen los electrones en relación con otro punto, generalmente lo que se llama «tierra», que es definido como tener un potencial de 0 voltios. En algunos dispositivos, esto se relaciona con la corriente por lo que se llama resistencia (medida en ohmios), que es la relación entre el voltaje y la corriente en dicho dispositivo. Específicamente, el voltaje es la cantidad de energía por culombio de carga, por lo que los voltios tienen la dimensión de julios por culombio. Si desea una analogía del mundo real, una comparación decente (no la mejor, pero sí decente) que me gusta usar es la analogía del agua en las tuberías. La corriente es literalmente solo la cantidad de agua que fluye a través de la tubería. Más agua significa que fluyen más moléculas de agua, lo que es análogo a la electricidad que fluye a través de un cable. El voltaje, por otro lado, se puede pensar en términos de caída de agua: el agua que cae de una cascada alta tiene más energía potencial que el agua que cae, por ejemplo, sobre el borde de una pequeña roca en la base de la cascada. Aquí, nuevamente, medimos el potencial en relación con el suelo.

Entonces, un voltio es la «presión» en el cable. Cuanto más voltios, más potencial de movimiento. Entonces, si aumenta el voltaje de algo, la corriente o la velocidad del movimiento de la energía aumenta porque más energía pasa por el mismo cable.

Bob tiene un controlador de voltaje y cuanto más presiona el botón, más voltios fluyen a través del circuito hacia la bombilla. Al principio, presiona suavemente y la bombilla se enciende débilmente. Finalmente, presiona más fuerte y, dado que hay más voltios en el cable, la corriente se mueve más rápido, por lo que la bombilla se vuelve más brillante. Luego deja de presionar y como no hay voltios pasando por el circuito, no hay presión, la luz se apaga. Luego aprieta el botón con un martillo y pasan tantos voltios por el circo que los cables se sobrecargan. Por ejemplo, si conecta una bomba de agua enorme a una tubería pequeña, la tubería se romperá porque la presión del agua es demasiado alta.

Otra analogía que podría usar (esta en realidad tiene sentido)

El voltaje (V) es el potencial de la energía para moverse y es equivalente a la presión del agua. La corriente (I) es una tasa de flujo y se mide en amperios. Ohmios (r) es una medida de resistencia y equivale al tamaño de la tubería de agua. Estos tres términos están relacionados entre sí con una fórmula simple que dice, la corriente es igual al voltaje dividido por la resistencia. I = V / r Imagina que tienes un tanque de agua con una manguera conectada al fondo de este tanque. ¿Qué sucede si aumentas la presión dentro de este tanque? La cantidad de agua que sale de la manguera también aumentará. Lo mismo ocurre cuando aumenta el voltaje, fluirá más corriente. ¿Qué sucede si conecta una manguera de mayor diámetro a este tanque? El caudal también aumentará porque la resistencia disminuyó. Lo mismo es cierto si usa un cable de gran calibre cuando mueve la corriente. Cuanto más grande sea el cable, más corriente se puede mover a través de él y dañarlo.

Espero que esto tenga sentido, buena suerte en la prueba;)

Por definición, un voltio es un joule por columna:

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

Esto surge de la definición de potencial eléctrico: la cantidad de energía potencial por unidad de carga en un circuito o sistema. Para dar una analogía, el potencial eléctrico es para la electricidad como la altura / distancia (esencialmente el potencial gravitacional) es para la gravedad.

La diferencia de potencial eléctrico, más comúnmente conocida como voltaje $ \ Delta V $, determina la corriente $ I $ en un circuito dada cierta resistencia $ R $. Esto se conoce como ley de Ohm y viene dada por la ecuación $ \ Delta V = IR $.

Mucha gente dice que es «presión eléctrica», pero personalmente no me gusta esa analogía. Prefiero la analogía a la gravedad. Piense en una pelota rodando colina abajo. ¿Por qué no sube por la colina?

La bola se mueve para minimizar su energía potencial, siendo acelerada por la fuerza gravitacional conservadora de la Tierra. La parte inferior de la colina está más cerca del centro de la Tierra, la altura más baja posible y, por lo tanto, la gravitacional más baja. potencial.

De manera similar, esto es cierto para las cargas eléctricas. El potencial eléctrico más bajo es la ubicación de la energía potencial mínima para las cargas positivas *, y las partículas en un campo conservador se mueven a la ubicación de la energía potencial más baja. a esa posición, tiene corriente de acuerdo con la ley de Ohm.

* Para cargas negativas, la energía potencial más baja está en el potencial eléctrico más alto. Los electrones se mueven en la dirección del aumento potencial eléctrico.

Comentarios

• » La pelota quiere estar en su estado de energía más bajo » – ugh …
• @AlfredCentauri ¿Te importaría explicarlo? Quiero ser más preciso si puede proporcionar más comentarios: » ugh » isn ‘ t muy útil. En cambio, podría decir que la » bola se mueve para minimizar su energía potencial, es decir, hacia el estado fundamental, donde es más estable. » Es ‘ un punto difícil de expresar, sin mencionar mi uso » artístico » de personificación.
• zhutchens1, ¿realmente necesito dar más detalles? Es la mejor respuesta, a nivel de estudiantes serios de física, a la pregunta » ¿Por qué [la pelota] no rueda colina arriba » ¿De verdad que la ‘ la pelota no ‘ no quiere ‘? Por su comentario, veo que probablemente no ‘ lo crea. Actúe de acuerdo con eso.
• @AlfredCentauri Gracias. Edité mi respuesta para ser un poco más precisa. Aunque podría sostener que un » estudiante serio de física » encontrará la definición de potencial eléctrico y sus unidades como conocimiento básico / fundamental .

Aquí tenemos un montón de partículas cargadas positivamente (de color negro) y partículas cargadas negativamente ( de color blanco):

Ahora suponga que dejamos caer una partícula con carga negativa en el punto A. Intentará moverse hacia la izquierda, porque es atraída por todas esas cargas positivas a la izquierda y repelida por las cargas negativas a la derecha. (También hay una carga negativa a la izquierda, pero eso está más que compensado por todos los aspectos positivos).

Suponga que desea mover esa partícula del punto A al punto B. Entonces » Tendremos que empujar contra toda esa fuerza eléctrica, por lo que se necesitará algo de energía para mover esa carga de A a B.

El voltaje entre los puntos A y B está la cantidad de energía que necesitará para eso, es decir, la cantidad de energía que se necesita para mover su carga negativa de A a B, superando las fuerzas eléctricas en el camino.

Suponga que el voltaje es, digamos, 3. Una forma de expresarlo es decir que el voltaje en A es 1 y el voltaje en B es 4. O puede decir que el voltaje en A es 6 y el el voltaje en B es 9. O que el voltaje en A es $ -2 $ y el voltaje en B es $ + 1 $. Puede elegir un número perfectamente arbitrario para asignar al punto $ A $, siempre y cuando asigne ese número más 3 al punto $ B $.

Así que sigamos adelante y digamos (arbitrariamente) que el El voltaje en $ A $ es $ 2 $ y el voltaje en $ B $ es $ 5 $. Nuevamente, todo lo que queremos decir con esto es que se necesitan 3 unidades de energía para mover una unidad de carga de $ A $ a $ B $.

Ahora suponga que hay otro punto $ C $, y suponga que se necesitan 7 unidades de energía para mover una unidad de carga de $ A $ a $ C $. Es decir, el voltaje de $ A $ a $ C $ es $ 7 $. Luego, como ya decidimos llamar al voltaje $ 2 $ en el punto $ A $, tenemos que llamarlo $ 9 $ en el punto $ C $.

Ahora: ¿Cuánta energía se necesita para mover una unidad de cobrar de $ B $ a $ C $? Bueno, el número que le asignamos a $ B $ — el voltaje en $ B $ — es $ 5 $. Y el voltaje en $ C $ es $ 9 $. Por lo tanto, predecimos que se necesitarán $ 9-5 = 4 $ unidades de energía para mover una unidad de carga de $ B $ a $ C $. Y resulta, empíricamente, que si haces predicciones de esta manera, siempre tienes la razón.

En resumen: el voltaje entre $ A $ y $ B $ es la energía necesaria para mover una carga unitaria de $ A $ a $ B $. El voltaje en $ A $ es cualquier número que desee compensar — puede llamarlo $ 2 $ o $ – 100 $ o $ 3,14159 $. Una vez que haya aumentado ese número, el voltaje en $ B $ o $ C $ o $ D $, menos el voltaje en $ A $, es la energía necesaria para mover una carga unitaria de $ A $ a $ B $ o $ C $ o $ D $.Y, milagrosamente, una vez que asigna números de esta manera, también puede usarlos para calcular cuánta energía se necesita para mover un cargo por unidad de $ B $ a $ C $ o de $ B $ a $ D $ o de $ D $ a $ C $, simplemente tomando las diferencias.

Si no le gusta la presión analogía, supongo que no le gustaría esta ilustración: ¿Alguien podría explicarme intuitivamente la ley de Ohm ‘? . Pero vale la pena intentarlo.

Aparte de eso, el voltaje $ V $ (con la unidad de voltios $ \ mathrm V $) es solo energía por carga; es decir, Julios por culombio :

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

En otras palabras, el voltaje es la cantidad de energía ( energía eléctrica potencial , como se le llama) almacenada en un punto del circuito por unidad de carga .

Si un punto en el circuito almacena más de esta energía que otro, entonces las cargas se moverán hacia el otro punto. La carga siempre querrá estar en un lugar con la menor energía posible.

• Al igual que un resorte, que puede almacenar energía cuando se estira, que siempre intentará volver a su estado sin estirar (más bajo -energía).

Y esta es la razón por la que la gente usa la analogía de la «presión del agua». Porque la diferencia de energía entre dos puntos es lo que hace que la carga se mueva de un punto a otro, como si hubiera una «presión» mayor sobre ellos en un punto «empujándolos» hacia el otro punto.

Con más profundidad

La razón es que la energía eléctrica potencial se «almacena» cuando se acumulan más cargas (del mismo signo).

• Un solo electrón no genera energía potencial,
• pero agregue dos electrones al mismo punto en el circuito, y se repelerán. Como un resorte que está comprimido. Si los suelta, se alejarán el uno del otro .

Esta «energía almacenada» surge del hecho de que se repelen entre sí y tendrían puntos cercanos en el circuito desde donde son menos repelidos, por lo que naturalmente se moverán allí. Esto reducirá la energía potencial de este sistema, por lo que alcanzar una configuración de energía más baja es el objetivo de cualquier sistema de energía potencial.

Entonces, en general, el voltio es simplemente la energía por carga en un punto, y se puede comparar con otros puntos del circuito para que sepamos si la carga quiere moverse allí o no.

Comentarios

• Tenga en cuenta que el concepto de voltaje es independiente del concepto de circuito y la corriente que fluye a través de un circuito.