¿Cuál es la conexión entre el campo eléctrico y una batería?

Ok, comenzaré mi pregunta con algunos antecedentes: (Corrígeme si me estoy equivocando, pero no seas exigente).

  • Deje el electromagnetismo a un lado para esta discusión: un campo eléctrico es un espacio en el que una carga eléctrica experimentará fuerza.
  • Lo que genera un campo eléctrico es una carga eléctrica. La carga eléctrica es una propiedad de la materia y puede ser positiva o negativa.
  • Cuando algún material cargado se coloca en un campo eléctrico, experimentará una fuerza que lo atrae o lo rechaza, según la dirección del campo y el tipo de carga.

Ahora, hablemos de voltaje: diferencia de potencial eléctrico. Cada video o artículo que vi o leí sobre esto explicaba el concepto de diferencia de potencial eléctrico usando la analogía con la diferencia de potencial gravitacional de esta manera:

La energía potencial gravitacional (PEg) es la energía potencial almacenada en un objeto, con respecto a algún otro punto más bajo que donde se encuentra actualmente. Es metro ∗ gramo ∗ h donde h es el delta entre los dos puntos.
El potencial gravitacional (Pg) es una propiedad de posición: Es el PEg (en Joules) por kg de masa. Entonces, cada kg que coloque en este punto contendrá esta cantidad de julios. Eventualmente, lo que realmente nos importa cuando hablamos del potencial de una posición es la diferencia de potencial entre esta posición y alguna otra posición.

Ahora veamos cómo se traduce esto en electricidad:
en la electricidad, al igual que en la gravedad, tenemos un campo que ejerce una fuerza sobre los objetos. Esta vez hablamos de cargas en lugar de masa. La energía potencial eléctrica (PEe) es la cantidad de energía (julios) que posee una cierta cantidad de carga cuando se coloca en una posición determinada en el campo. Pero de nuevo: esa cantidad de energía solo es relevante en comparación con alguna otra posición. Quiero decir, el PEe es cuánto trabajo se necesita para llevar esta carga desde otra posición a esta posición y, por lo tanto, cuánta energía almacena cuando se coloca en esa posición. Lo mismo que con la gravedad: el potencial (Pe) es una propiedad de la posición en el campo y define cuánto PEe tendrá un Coulomb de carga en esa posición.

Hasta aquí todo bien, pero hay 2 cosas básicas que no entiendo muy bien en todo esto:

  1. Cuando hablamos de gravedad, estamos hablando de un sistema. Es cierto que el potencial de una posición solo es relevante en comparación con otra posición. Pero eventualmente, todas las posiciones en el mundo se pueden referir a una posición, sea el centro de la tierra o el nivel del mar. ¿Cómo se traduce esto en campos eléctricos?

  2. No entiendo muy bien cómo se aplica este modelo en una batería de 9V, por ejemplo. Todos los videos que vi muestran este gran flotando en algún lugar del espacio, y luego hablan sobre el pequeño q empujado hacia el gran Q

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¿Cómo encaja este modelo en una batería (o cualquier otra fuente de alimentación de CC)? ¿Cuál es la fuente del campo eléctrico? Y, según tengo entendido, el voltaje es la mera diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. Entonces, si tomamos cada dos puntos en el campo, podemos calcular el voltaje entre ellos. Pero si no colocamos ningún cargo allí, no habrá corriente. Pero con las baterías, decimos que la mera presencia de voltaje significa que fluirá corriente si cerramos el circuito.

EDITAR

Intentaré aclarar la pregunta: cuando hablamos de energía potencial gravitatoria, cada punto que elegiremos tiene cierta altura. Siempre podemos tomar 2 puntos (dejemos el espacio exterior fuera de esta discusión) y decir la diferencia entre ellos. Mi pregunta es: ¿es lo mismo con la electricidad? ¿Hay algún punto de referencia en el que todos podamos estar de acuerdo y medir cada dos posiciones en el mundo y decir la diferencia entre ellas?

Parece que asumes que en el caso de la gravedad hay una ubicación de referencia generalmente acordada: el centro de la Tierra. Eso no es cierto. Puedo tomar el centro de la Tierra si es conveniente, por ejemplo, la teoría de la gravedad de Newton. Pero si estoy dejando caer bolas, puedo tomar el cero como la superficie de la mesa, el piso o el suelo. Lo mismo se aplica en un circuito. Puse el cero de potencial (llamado tierra ) en cualquier lugar conveniente. El terminal negativo de la batería, un punto en la parte inferior de mi diagrama de circuito o la tierra. :-)
No, estoy diciendo que una vez que acordaron una ubicación de referencia, todas las demás ubicaciones pueden relacionarse con eso. Y no entiendo si existe tal ubicación de referencia en el potencial eléctrico. ¿Hay una ubicación en la que podamos decir: esto es 0 potencial, y TODAS las demás ubicaciones EN CUALQUIER LUGAR se relacionarán con eso?

Respuestas (3)

todas las posiciones en el mundo se pueden referir a una posición, sea el centro de la tierra o el nivel del mar. ¿Cómo se traduce esto en campos eléctricos?

El punto de referencia se elige arbitrariamente, sí. Pero no tiene que ser el nivel del mar (sobre todo porque el nivel del mar es constante solo localmente y no cuando consideras el globo) y no tiene que ser el centro de la Tierra (puedes elegir un estante más bajo como la referencia cero de modo que una olla en un estante más alto se asocia con energía potencial gravitatoria).

En astrofísica en general, no basarías tu referencia cero en la Tierra. Más bien, define la energía potencial cero como en un punto infinitamente lejano. La energía potencial asociada con un objeto en la Tierra es con esta elección de referencia negativa . Y aumentando (volviéndose menos negativa) con la distancia sobre el suelo. Pero nuevamente, el valor no es importante, solo la diferencia lo es.

En electricidad, la referencia cero a menudo se elegiría como un polo de la batería/fuente de voltaje o simplemente como tierra (la Tierra). Pero también aquí la elección es arbitraria y solo importa la diferencia entre los puntos, como también mencionas.

Tenga en cuenta que la energía potencial gravitacional y eléctrica es muy comparable, incluso en sus proporcionalidades inversas a la distancia:

tu gramo = GRAMO metro METRO r tu mi = k q q r .

¿Cuál es la fuente del campo eléctrico?

La fuente de cualquier campo eléctrico es una acumulación de cargas. Cuando se trata de una batería, normalmente las acciones químicas internas mueven las cargas hacia un terminal y las acumulan allí hasta que el campo eléctrico acumulado anula las fuerzas químicas.

El proceso químico podría ocurrir a través de una separación de carga donde los electrones se separan de las moléculas; esas moléculas, a su vez, pueden moverse a través del electrolito líquido como iones, mientras que los electrones no pueden. En cambio, los electrones tendrán que moverse a través del circuito externo. En el otro terminal, cuando han llegado tanto el ion como el electrón, pueden recombinarse.

La razón de la existencia de un campo eléctrico que está solicitando se debe tanto a los electrones acumulados en la terminal que causan grandes fuerzas de repulsión eléctrica para empujar los electrones hacia el circuito externo como a la falta de electrones (carga positiva relativa) en el otro terminal provocan una gran fuerza de atracción.

Si no conecta ningún circuito externo, entonces los electrones no pueden moverse y tendrán que permanecer en la terminal inicial.

"O simplemente como suelo" - ¿te refieres al suelo de la tierra? ¿O que llamamos tierra a uno de los polos?
@YoavKlein Sí, referirse a "suelo" suele ser siempre la Tierra física. Eso se considera un sumidero de carga sin fondo para la mayoría de los propósitos prácticos.
Otra pregunta: dices que la acumulación de cargas es lo que crea el campo eléctrico. Entonces, ¿por qué no podemos decir que una región en el espacio sin campo eléctrico se considera que tiene energía potencial cero? Tome algún objeto, por ejemplo, una manzana. ¿Tiene acumulación de cargas?
@YoavKlein "¿ por qué no podemos decir que una región en el espacio sin campo eléctrico se considera energía potencial cero? " ¿Por qué decimos que no podemos decir esto? Eres libre de elegir el punto cero, por lo que podemos decir esto. De hecho, normalmente la referencia cero se elige para que sea un punto infinitamente alejado de la fuente, que corresponde a un punto sin campo eléctrico (el campo eléctrico disminuye en magnitud con la distancia). Si una manzana acumula cargos no es relevante para esto.
¿No es el centro de la tierra un punto con potencial 0?
@YoavKlein Si tiene un montón de cargas en un objeto en la superficie de la Tierra, entonces el campo eléctrico creado por esa carga se extiende mucho. El centro de la Tierra está lejos de esa carga, por lo que el campo eléctrico causado por ella podría ser insignificantemente pequeño. Pero, digamos, la luna está aún más lejos, por lo que cualquiera que sea el campo que haya allí, es más bajo que el del centro de la Tierra, aunque la diferencia podría ser insignificante. Un verdadero punto de campo cero se encuentra cuando estamos teóricamente infinitamente lejos de la fuente.
Quise decir 0 potencial gravitatorio
@YoavKlein La atracción gravitacional de la Tierra se cancela cuando estás en el centro, sí. Aún así, sin embargo, sientes la fuerza gravitacional del Sol, la Luna, etc. Entonces, en relación con esas referencias, hay algo de energía potencial gravitacional en el centro de la Tierra. Pero, de nuevo, llamar cero al potencial gravitatorio en el centro de la Tierra es una elección arbitraria. Si lo llama cero, lo cual está bien, se volverá negativo cuando, por ejemplo, se acerque al Sol.
Entonces, si lo entiendo bien, ¿está diciendo que cada punto del mundo está bajo la influencia de cada campo eléctrico, solo que con un efecto insignificante? ¿Al igual que el centro de la tierra está bajo la influencia del campo gravitatorio de la luna?
@YoavKlein En teoría, sí. En este momento, eres atraído por el campo gravitacional de Júpiter. Pero es insignificante. Los campos en general se extienden infinitamente. Pero sus intensidades de campo disminuyen asintóticamente a cero, por lo que en algún momento pueden considerarse insignificantes.
por eso consideramos el infinito como un punto de potencial cero..?
@YoavKlein Supongo que sí, sí.

Si queremos mantener la analogía con la gravedad, la batería se puede comparar con un sistema de agua en un edificio, donde el agua de la empresa proveedora se bombea a una caja de agua en el techo.

El agua allí tiene energía potencial (y los pisos superiores pueden tener problemas con la baja presión porque la diferencia de potencial es pequeña allí).

Una vez que el agua está siendo utilizada por los apartamentos, la bomba se enciende automáticamente, manteniendo constante el nivel de la caja de agua. Esa es la parte clave: en la batería, una reacción química mantiene el voltaje constante mientras la corriente circula por el circuito.

La elección de un punto cero en el potencial eléctrico es arbitraria, al igual que en el potencial gravitacional. Un ejemplo práctico de esto es el suelo. Cuando diseña un circuito, calcula todos los voltajes relativos a la tierra (ya sea la tierra de la red eléctrica o alguna otra tierra), pero no hay ninguna razón por la que no pueda hacer que el lado positivo de su resistencia (o donde sea) el punto cero. Simplemente cambia todo por algún desplazamiento y, como mencionas, lo único que importa es la diferencia de potencial entre dos puntos. Por lo tanto, la elección del punto cero no importa (aunque generalmente eliges para que tus cálculos sean más fáciles).

No estoy seguro de cuánto sabe sobre la química redox, pero básicamente si consideramos una sola celda, la mitad de la celda libera electrones espontáneamente y la otra absorbe electrones. Este exceso de electrones libres/demanda de electrones libres crea una diferencia de potencial entre los dos, y cuando conectas un cable de cobre, los electrones fluirán de un electrodo al otro. Para responder a su pregunta, el exceso de electrones es la fuente del campo eléctrico.

ambos terminales de la batería son neutrales, no hay desequilibrio de carga. la neutralidad se mantiene a través de dos procesos diferentes: 1) movimiento del electrón del ánodo al cátodo 2) difusión de iones dentro de la batería para compensar el cambio de carga del paso 1
Gracias @lamplamp, mi respuesta original fue nebulosa; no es estrictamente correcto que haya un desequilibrio de carga. lo he editado
¿Cuál es la conexión entre el campo eléctrico y una batería?
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