¿Cómo debo pensar en el voltaje y la potencia?

Admiro tu determinación por comprender y tu línea de cuestionamiento. Trataré de abordar uno o dos de sus puntos.

En primer lugar, la diferencia de potencial en el espacio libre en un campo eléctrico. Yo prefiero definir pd entre dos puntos, P y Q, como el trabajo realizado por el campo eléctrico sobre una carga, por unidad de carga, en su recorrido de P a Q. Por tanto, mayor pd entre los puntos implica más trabajo realizado sobre el carga a medida que va de P a Q, lo que sólo puede significar una mayor intensidad de campo eléctrico, es decir, una mayor fuerza que actúa sobre la carga. [Trabajo = Fuerza x distancia en la dirección de la fuerza, y estamos considerando la distancia fija entre P y Q.]

Entonces, si aplica un pd entre los extremos de un cable, los electrones libres en el cable experimentan fuerzas, instándolos a viajar a través del cable. Debido a las colisiones entre los electrones y la red de iones (esto está simplificado), los electrones no aceleran continuamente bajo la fuerza del campo eléctrico, sino que alcanzan una velocidad media constante (llamada velocidad de deriva ). Si aumenta el pd, aumenta la fuerza en cada electrón y aumenta la velocidad de deriva. Esto significa que pasan más electrones a través de cualquier sección transversal del cable por segundo, es decir, aumenta la corriente .

Saltando ahora al final de su pregunta: "¿Por qué la energía POTENCIAL por carga entre dos puntos se traduce en energía TÉRMICA? Pensé que si el voltaje era un empujón, la energía potencial simplemente se convertiría en energía cinética en los electrones, entonces, ¿dónde? ¿De dónde viene la energía térmica?

(1) El voltaje no es "un empujón"; sus unidades son joules por coulomb! Pero, como traté de explicar arriba, está relacionado con el empuje (esa es la fuerza) que reciben las cargas en un campo eléctrico.

(2) La energía térmica proviene de las colisiones que los electrones, impulsados ​​por el campo eléctrico y perdiendo energía potencial eléctrica, hacen con la red de iones. Esto aumenta la energía de vibración aleatoria de los iones. [La energía cinética extra que adquieren los electrones debido al voltaje aplicado es bastante insignificante. Para una corriente de unos pocos amperios en un cable ordinario, la velocidad de deriva es del orden de un milímetro por segundo.]

En realidad, el potencial eléctrico no empuja las cargas en absoluto. La fuerza sobre un electrón se debe al gradiente del potencial eléctrico: la cantidad que cambia el potencial por unidad de distancia. En un campo eléctrico uniforme, el potencial cambia uniformemente a lo largo de la dirección del vector del campo eléctrico. Por ejemplo, dentro de una esfera metálica hueca cargada, el potencial eléctrico puede ser muy alto, pero un electrón no sentiría ninguna fuerza porque el potencial eléctrico sería el mismo en todas partes dentro de la esfera.

Su analogía con la botella de agua es interesante y bastante perspicaz, pero no es muy fácil de relacionar con el potencial eléctrico y la corriente. La velocidad a la que sale el agua de la botella depende del tamaño de la abertura, las propiedades del agua, la fuerza de la gravedad y la distancia desde la boca de la botella hasta la parte superior del agua en la botella. Solo el gradiente de potencial gravitatorio entre la parte superior del agua y la boca de la botella está disponible para "empujar" el agua a través de la boca de la botella. Si llenas la botella y abres su boca después de elevarla a diferentes alturas, no estás cambiando el gradiente de potencial gravitacional. Por otro lado, si aceleras la botella hacia arriba mientras sale el agua, Descubrirá que el agua sale de la botella más rápido: debido a que la aceleración y la gravedad actúan exactamente de la misma manera en el agua, la diferencia de potencial gravitatorio efectivo entre la parte superior del agua y la boca de la botella aumenta. Deje que la botella caiga para que no experimente gravedad efectiva y el agua no se derrame en absoluto.

Una mejor analogía sería una tubería vertical llena de grava, con un depósito de agua en la parte superior. El agua se filtraría a través de la arena a una velocidad determinada por el gradiente de presión. Si la tubería es vertical, la caída de presión de arriba hacia abajo es máxima y el agua se filtrará a la máxima velocidad. Incline la tubería 45 grados hacia un lado y la caída de presión se reducirá porque se reduce la altura efectiva de la tubería. El gradiente de presión está directamente relacionado con el gradiente de potencial gravitacional. Es decir, se reduce la diferencia de potencial gravitatorio entre la parte superior e inferior de la tubería. Pero lo que empuja al agua no es la diferencia de potencial, es el gradiente de potencial. Aumentar la diferencia de potencial y los cambios de gradiente de potencial en la tubería; pero'

si tenemos un circuito con tres resistencias y, sin cambiar el voltaje de la fuente, tenemos 1 resistencia con la resistencia equivalente, obviamente disipa más potencia en forma de calor.

¿Más poder que qué? Disipa la misma potencia que las tres resistencias más pequeñas combinadas.

Como la resistencia es la misma, la corriente es la misma. Si la corriente y el voltaje son iguales, entonces la potencia disipada es la misma. Simplemente se hace en una resistencia en lugar de tres.

Sé que esto es muy antiguo, pero me gustaría responder a la analogía de una botella de agua.

La razón por la que el agua no fluye más rápida o lentamente cuando mueves la botella hacia arriba y hacia abajo es por el tamaño de la Tierra y lo cerca que estamos de ella. La ecuación de la fuerza gravitacional es$F_g= \frac{G.m_1.m_2}{r^2}$. Puedes ver en esta ecuación que la fuerza de hecho variaría con la distancia. Pero, dado que el radio r se toma desde el centro de la Tierra, que es tan grande en comparación con su distancia a la superficie, la fuerza cambia tan increíblemente que ni siquiera lo notamos. Debido a esto, para situaciones en la Tierra, podemos usar el radio de la Tierra para r, sin tener en cuenta qué tan por encima de la superficie está el objeto. Eso significa que podemos agrupar G,$m_1$(Tierra), y$r^2$en una constante, que resulta ser aproximadamente$9.81 ms^{-2}$. Y es por eso que ese valor se conoce como la aceleración de la gravedad en la Tierra. Técnicamente, varía con la altura, pero tan poco que no hace una diferencia notable. No ocurre lo mismo con el voltaje en la mayoría de las situaciones.