¿Es el voltaje la velocidad de los electrones?

La corriente es la cantidad de electrones que pasan a través de un alambre. ¿Podemos decir que el voltaje es la velocidad de esos electrones?

El voltaje es más como la presión que impulsa la corriente. La velocidad no es la velocidad de los electrones (que se mueven en mm/s) sino la velocidad del campo eléctrico (más como la velocidad de la luz).
La velocidad de los electrones que viajan fuera de un cable, como en un acelerador de partículas, a menudo se expresa en electronvoltios por razones que ampliaré.
El voltaje es más como la presión de los electrones.
los electrones quieren ser nivelados (más exactamente es decir que se repelen). si apilas un montón de ellos en un solo lugar, y tienen una ausencia de ellos cerca, realmente "querrán" mudarse al lugar vacío. cuanto mayor sea la diferencia entre la presencia de ellos en un lugar y la ausencia de ellos en el otro, más "querrán" moverse. el "querer moverse" es el voltaje (como dijeron otros, la presión). si este "querer moverse" se vuelve lo suficientemente fuerte, la carga puede viajar a través de algo que normalmente no podría, como un rayo en el aire.
La corriente no es la cantidad de electrones que pasan a través de un cable. En cambio, es la cantidad de carga que pasa a través del cable por unidad de tiempo.
Es posible que le interesen los tubos de vacío , sobre todo el tubo de rayos X. El voltaje entre el cátodo y el ánodo acelera los electrones a una energía de voltaje*electrón-carga. También tenga en cuenta que 1 A = 1 C/s mientras que 1 V = 1 J/C, es decir, mientras que la corriente denota carga por tiempo (como mencionó), el voltaje simplemente le da la energía que tiene la carga.
El voltaje es el agua en la torre de agua, cuánto y qué tan alto por encima de donde lo está usando determina su energía potencial. El agua serían los electrones en este caso. Una vez que comienza a fluir, el flujo del agua es la corriente como la corriente eléctrica del flujo de electrones. Y tienes resistencia en las tuberías y en otras partes del sistema tal como lo harías con la electricidad, y la combinación de la energía del agua en la torre, la resistencia y el flujo resultante son como la corriente de voltaje y la resistencia en la electricidad, no puedes cambiar uno sin afectar a los demás.
En la física de altas energías, "velocidad" a menudo se usa de manera descuidada como sinónimo de energía cinética (por supuesto, esto no es realmente correcto: la energía aumenta cuadráticamente con la velocidad, y aún más en el rango relativista), y la energía cinética se mide en electronvoltios. Sin embargo, esto solo es aplicable a partículas libres en un tubo/túnel de vacío: en un conductor metálico, la energía cinética es casi completamente insignificante.
El voltaje es una 'variable de esfuerzo' y la corriente una 'variable de flujo'.
Sorprendentemente, a nadie le importaba la aclaración sobre la presión. El voltaje es como la presión manométrica (diferencia de presión). El potencial eléctrico sería un análogo de la presión barométrica si tuviera algún punto de referencia absoluto.
Parece que los electrones en realidad no viajan tan rápido, lo que se mueve rápido es el efecto de cadena youtube.com/watch?v=jbi7gJTPSXk
Si ese fuera el caso, el voltaje se mediría en metros por segundo, no en voltios.

Respuestas (13)

¿Es el voltaje la velocidad de los electrones?

No, no es la velocidad de los electrones que se mueven dentro del conductor.

La unidad de voltaje es la energía potencial por carga :

fórmula de definición de voltaje


Un ejemplo...

Imagina que tenemos una pelota de masa M = 10 kg .

Esta bola existe en un campo gravitatorio conservativo (el campo gravitatorio de la Tierra). Si queremos elevarla a una altura de 1 metro, debemos, de alguna manera, proporcionar una cantidad X de energía, que le dé a la pelota la velocidad suficiente para moverse 1 m por encima de su superficie.

Le daremos a la pelota esta cantidad de energía en términos de energía cinética (velocidad). Así que lanzamos la pelota hacia arriba con cierta velocidad y, a medida que la pelota se mueve hacia arriba, su velocidad disminuye; y su energía potencial aumenta hasta que se detiene y toda la energía cinética se convierte en energía potencial.

La siguiente imagen muestra la cantidad de energía potencial de una pelota de masa M = 10 kg a diferentes alturas sobre el nivel del mar:

energía a diferentes niveles de altura

Pero, ¿y si queremos hacer una escala genérica?
Para cualquier bola de una masa arbitraria, a cualquier altura, podemos obtener la cantidad de energía por cada 1 kg en ella (Energía por masa):

energía por masa a diferentes niveles de altura

Ahora podemos decir que, a una altura de 3 metros sobre el nivel del mar, cualquier objeto de masa X tendrá una cantidad de energía igual a 29,4 julios por cada 1 kg de masa. Esto se debe al campo gravitatorio de la tierra .

El voltaje , o potencial eléctrico , es la cantidad de energía potencial (julios) que tendrá cualquier "cuerpo cargado" dentro de un campo eléctrico , por cada culombio de carga eléctrica en él.

Se podría agregar que la energía potencial se traduce directamente en energía cinética si solo hay una "fricción" insignificante, por ejemplo, en un tubo de rayos catódicos (evacuado). De hecho, la energía cinética de un electrón se mide en "electronvoltios", eV, la energía que gana o pierde un electrón cuando se mueve a través de una diferencia de potencial de 1 voltio.
No es tan aislado, ¿verdad? Dado que Con V = I/R, un aumento de V también obliga a un aumento de I. Así que el número de culombios también aumenta en la misma cantidad.
El voltaje no es la velocidad a la que se mueven los electrones, pero a nivel atómico, ¿qué es lo que hace que un voltaje más alto entregue la misma potencia que un voltaje más bajo con una corriente más alta? Algo debe estar pasando con los electrones. 1 C de carga en un circuito de 100 V tendrá 10 veces más potencia que 1 C de carga en un circuito de 10 V, pero ¿qué significa eso? ¿Significa que los electrones tienen más energía para empujar lo que venga delante de ellos?
@MeTitus Sí. La energía es carga por voltaje. Un electrón acelerado a través de 100 V ganará 100 eV de energía. O 10 electrones acelerados a través de 10 V ganarán en total 100 eV de energía. En una resistencia, toda esta energía, la ganancia de electrones, se perderá en la resistencia en forma de calor.
Pero la velocidad de la pelota aumenta si se deja caer desde 3 metros, entonces, ¿el voltaje afecta la velocidad de los electrones?

El voltaje es una propiedad de un campo eléctrico.

Un campo eléctrico se comporta un poco como un campo gravitatorio. Los objetos en un campo gravitatorio se juntan. Deja caer una piedra en un campo gravitacional y acelerará hacia abajo, tomando energía del campo.

Los campos eléctricos, a diferencia de los campos gravitatorios, tienen polaridad. Deja caer un electrón en un campo eléctrico y se acelerará en la dirección de la carga positiva. El electrón no tiene voltaje, tiene carga: 1.6 × 10 − 19 culombios _

La cantidad de fuerza que se aplica al electrón depende del voltaje de los lados positivo y negativo del campo y de la distancia que los separa.

Eso es todo en el espacio libre. ¿Qué pasa dentro de un cable? La situación allí se parece mucho más a un tubo lleno de bolas que a un espacio libre. Aplique una fuerza a la pelota en un extremo y empujará la pelota en el otro extremo hacia afuera. Aplique un voltaje a un cable y los electrones se moverán, expulsando al que está en el extremo positivo. La cantidad de fuerza aplicada corresponde al voltaje aplicado al cable.

La clave de este modelo es que la fuerza viaja mucho más rápido que las bolas/electrones que la transmiten; no requiere que una bola/electrón pase por todo el camino, solo requiere que empuje a sus vecinos.

Esta es una buena analogía, pero es importante notar que los electrones salen del lado negativo, no del lado positivo.
Lo siento, etiquetado inadecuado por mí allí: si tiene una fuente de alimentación de CC, los electrones dejarán el cable conectado en su lado positivo y entrarán en la fuente de alimentación.
El voltaje no se trata de la fuerza (= energía/desplazamiento). El voltaje se trata de la diferencia en el potencial de energía . Esa es la intensidad de campo que, multiplicada por la carga, produce fuerza.
"Cuánta fuerza se aplica al electrón depende del voltaje de los lados positivo y negativo del campo y de la distancia que los separa". pero ¿cómo afecta esa fuerza al electrón? ¿Cómo afecta el voltaje más alto o más bajo al electrón ya que la carga es constante? Gracias
"Lo siento, etiquetado inadecuado por mí allí: si tiene una fuente de alimentación de CC, los electrones dejarán el cable conectado en su lado positivo y entrarán en la fuente de alimentación". ¿Estás diciendo que en una fuente de alimentación de CC como una batería, los electrones fluyen del lado positivo al negativo?
@MeTitus dentro de una batería: sí, el terminal positivo de una batería recibe electrones y el lado negativo de una batería emite electrones. Por lo general, no se transportan por toda la batería, lo que sucede es que los átomos dentro de la batería cambian el estado de oxidación al adquirir o ceder electrones.

Tome un escenario en tiempo real,

Podemos tomar el agua como analogía.

Consideremos un tanque superior y un grifo de agua que se suministra desde este tanque superior.

Ahora,

Siempre que abra un grifo, el agua saldrá por este grifo.

La cantidad de agua que está pasando es equivalente a la corriente

A qué presión está llegando, eso es voltaje .

El problema con esta analogía es que una presión más alta imparte al agua una mayor velocidad, lo cual es probablemente la razón por la que el autor de la pregunta está confundido: este es un lugar donde la analogía popular del agua con la electricidad se rompe. Es una manera buena e intuitiva de explorar muchos aspectos de la electricidad, siempre y cuando no la mires con demasiado cuidado.
Sí @talrnu, si consideramos la velocidad nos confundiremos. No es una analogía exacta con la electricidad, solo tomé dos fenómenos de la presión y la cantidad del agua para comprender fácilmente cuál es el voltaje y la corriente.
De acuerdo, esta respuesta es problemática porque la velocidad del agua que fluye aumenta con la presión, mientras que la velocidad a la que un electrón se propaga a través de cualquier medio en particular es constante incluso si la "presión" (voltaje) aumenta. Creo que lo que realmente pregunta el OP es por qué es así.
@talrnu Yo también estoy en esa bota. Dado que un voltaje más alto entrega la misma potencia que un voltaje más bajo con una corriente más alta, entonces algo debe estar sucediendo en el nivel del átomo que permite que la corriente más baja entregue la misma potencia a pesar del voltaje más bajo. La carga por electrón es una especie de constante, entonces, ¿qué está cambiando? Gracias
@aroth Si todas las variables son constantes como parece, ¿qué cambia en los electrones cuando se aplica un voltaje más bajo? La velocidad a la que se mueven los electrones, la velocidad de deriva también parece ser bastante baja, entonces, ¿qué cambia: youtube.com/watch?v=jbi7gJTPSXk
Si entiendo correctamente la respuesta aceptada, la cantidad de energía útil por portador de carga es lo que cambia. Aunque eso todavía es un poco vago. Pero la 'velocidad de deriva' parece engañosa. Obviamente, hay portadores de carga que se mueven mucho antes que el electrón que se muestra en el video; de lo contrario, la luz no se iluminaría. Entonces, supongo que si considera el movimiento de un solo portador de carga en una aplicación de corriente fija, entonces su velocidad es constante y lo que cambia a medida que aumenta el voltaje es la cantidad de energía que transporta. ¿Cuál, si la velocidad es constante, debe ser su masa, expresada en eV?

No, el voltaje es la "energía potencial" dada a los electrones. Como si tomaras una piedra y la levantaras. Hasta que no conecte una carga, el electrón no irá a ninguna parte.

Si dejas que caiga por la piedra (o conectas una resistencia a tu fuente de voltaje), la energía mueve la piedra (electrones).

¿Es el voltaje la velocidad de los electrones?

No

El voltaje es una medida de cuánta energía se entrega para cargar. En su forma más básica, un electrón (carga básica) recibe 1,602 × 10 −19 julios cuando se mueve a través de una diferencia de potencial eléctrico de un voltio. Entonces se dice que un electrón tiene una energía de 1 electronvoltio.

Entonces el voltaje es energía dividida por carga.

Puedes empezar con potencia y multiplicarla por tiempo para obtener energía:

Energía = Potencia × tiempo = V ⋅ I × tiempo.

Ahora sustituya Q (carga) por el tiempo × actual y obtendrá:

Energía = V ⋅ Q o V = Energía/ Q .

Esta es en realidad una pregunta de física. No creo que haya un método experimental disponible en los confines de la disciplina de ingeniería eléctrica para responder a esta pregunta de manera creíble.

Habiendo dicho eso, comúnmente se cree que la velocidad de los electrones en un conductor que experimenta un flujo de corriente es bastante lenta en comparación con la velocidad de la luz. Esto a menudo se denomina "velocidad de deriva" de los electrones. Sin embargo, los efectos del voltaje y la corriente sobre los electrones se propagan a través del conductor casi a la velocidad de la luz. La analogía habitual es una pipa llena de canicas. Si empujas la canica en un extremo del tubo, la canica en el otro extremo experimentará el empuje casi instantáneamente aunque ninguna de las canicas intermedias se haya movido.

No estoy seguro de si "casi la velocidad de la luz" es la expresión correcta: es alrededor de la mitad en una PCB ordinaria y 2/3 en un coaxial común.
@pipe Creo que la diferencia es que un solo electrón puede viajar a, digamos, la mitad de la velocidad de la luz, pero considerando la analogía de la bola en un tubo, el tiempo de respuesta entre empujar la primera bola y la última bola que cae es casi instantáneo (Acercándose a la velocidad de la luz).
@DerStrom8 No, el tiempo de respuesta es la velocidad de la señal aquí, que es ralentizada por el dieléctrico en la PCB y los cables. Solo se acerca a la velocidad de la luz en un cable pelado. Un solo electrón viaja mucho más lento que la mitad de la velocidad de la luz.
Hmm, no estoy convencido, pero no lo discutiré. La clase de física fue hace mucho tiempo =P
La velocidad de deriva de los electrones en un alambre bajo condiciones electrónicas normales es positivamente glacial. ¡Un cable de 1 mm ^ 2 de sección transversal que lleva 10 A tiene una velocidad de deriva de solo aproximadamente 1 mm / segundo! Esto es efectivamente un ligero sesgo en la velocidad térmica de los electrones que se desplazan a 10 ^ 6 m / so a temperatura ambiente. Eso sigue siendo lento en comparación con la velocidad de la luz (~3E8 m/s)
@Spehro Pefhany: ¿ Mil kilómetros por segundo a temperatura ambiente? Daría como resultado una v²/c² de aproximadamente 1/89876 y una energía cinética de aproximadamente 2,85 eV (la masa en reposo de los electrones es de 511 keV  /c² ). Claramente exageras.
@IncnisMrsi De hecho, al calcularlo obtengo más como 1.08E5 m/s a 300K.

El voltaje es la presión que empuja los electrones alrededor de un circuito. No dice nada acerca de su velocidad. Si toma una batería de 1,5 V y no la conecta a nada, entonces todavía hay 1,5 V presentes, aunque no fluyan electrones a ninguna parte.

Además, el voltaje es la diferencia de presión entre dos puntos. Solo se puede medir el voltaje entre un punto y otro. Por eso también se le llama "diferencia de potencial".

Es posible calcular la velocidad promedio de los electrones si conoce la corriente, las propiedades físicas del cable (particularmente su área de sección transversal) y las propiedades del material del que está hecho el cable (el espacio entre los átomos y cuántos electrones libres hay por átomo).

No voy a hablar de presión. Es un concepto realmente diferente, en mi humilde opinión.
@Antonio La presión y el voltaje son conceptos muy similares, si no idénticos.
@endolith, ahora mi profesor de física puede estar revolviéndose en su tumba. :-)
@Antonio Conecte una dinamo y genere algo de voltaje: D
@endolith, ¡Ah! ¡Ay! :-) Ahora entiendo.... :-)
@endolith Siempre uso el flujo de agua y la presión como analogía para la corriente y el voltaje. KCL y KVL funcionan perfectamente bien.
Excelente. No pierdas el tiempo respondiendo en física. SE, chico, eres demasiado bueno para eso ☺

No, el voltaje no es la velocidad de los electrones a través de un cable, pero la corriente (casi) sí lo es.

Usted dijo: "La corriente es la cantidad de electrones que pasan a través de un cable", pero esto no es del todo correcto. La corriente es la cantidad de carga eléctrica (electrones) que pasa a través de un conductor por unidad de tiempo. El amperio , nuestra unidad de medida de corriente, se define como 1 culombio de carga eléctrica por segundo. La corriente es un valor de tasa.

Para la analogía de la tubería de agua , la carga (culombios) es análoga al volumen de agua (galones), la corriente (amperios) es análoga al caudal de agua (galones por minuto) y el voltaje es análogo a la presión del agua que está causando el flujo.

La corriente no es la velocidad de los electrones a través de un cable, es la velocidad a la que pasan. Si el canal es más ancho, fluirán más lento para producir la misma corriente.
@endolith Velocidad, tasa, lo suficientemente cerca. :) Cambié la redacción ligeramente. ¿Mejor? El punto es que la corriente es ese cambio con el tiempo sobre el que creo que pregunta el OP.
Si mejor. :)
El voltaje nunca es casi la velocidad porque la velocidad de la electricidad es constante. El voltaje es el potencial y la corriente es la cantidad. La velocidad es constante.
@JohnPeters Creo que es demasiado simplista decir que la corriente es "la cantidad" de electricidad. La corriente es la cantidad de carga eléctrica que pasa por un punto en una unidad de tiempo. En ese sentido, es la tasa (o velocidad, si se quiere) de carga.
@JohnPeters ¿Cuál es la velocidad de la electricidad? ¿Es la velocidad de los electrones en el conductor o la velocidad del cambio de voltaje?
@JohnPeters La velocidad de la electricidad no es constante. Si por "velocidad" te refieres a la deriva de electrones, depende de la corriente y el ancho del cable. Si en cambio te refieres a la velocidad de propagación de la onda, depende de la constante dieléctrica del cable. en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

El voltaje no es una propiedad de los electrones. Los electrones son los 'sujetos' tal como son. Un voltaje (o diferencia de potencial) es la 'capacidad' de transportar una determinada carga. En electrónica, esta carga generalmente la llevan los electrones. Un voltaje más alto puede transportar más electrones, por lo tanto, induce una corriente más alta.
Otra forma de verlo es que el voltaje es la cantidad de energía potencial que un electrón gana o pierde al viajar de un potencial a otro potencial. De esta manera, el voltaje es muy similar a la energía potencial en cinética: si levanto una pelota, las propiedades de la pelota no cambian pero gana energía potencial.

Un buen comienzo, pero cayó profundamente en la mierda muy pronto. ¿Alguna vez has oído hablar de los superconductores? El voltaje no tiene nada que ver con la "capacidad de transporte". El voltaje es, más bien, la salida de energía para una unidad de carga transportada.

Si un electrón fuera una canica, el voltaje es como la altura de la pendiente en la que se encuentra la canica.

Podría ser una pendiente muy alta, de millas de altura. Podría ser un pequeño aumento, solo un par de centímetros. Eso es lo que determina el voltaje.

Siento que esta analogía podría expandirse a una gran alternativa para otros conceptos relacionados también. Si el voltaje es la altura, ¿a qué corresponde el ángulo de la colina? Tal vez la resistencia podría estar representada por hierba o barro. Luego tienes el número de canicas, la distancia horizontal desde la cima de la colina hasta la base (que se relacionará con la altura y el ángulo tal como lo hacen los conceptos eléctricos correspondientes)...
Estoy de acuerdo, pero estoy en pésimo cajero automático de Internet. :-)
Hablando de la altura, están usando este efecto para calentar y enfriar los átomos haciendo rebotar electrones a diferentes alturas youtube.com/watch?v=O6waiEeXDGo ¿Se relaciona eso?

La velocidad de los electrones depende de la densidad del alambre. También depende del número de átomos libres en el conductor.

Piense en ello como empujar arena a través de piedras. Cuanto más densas son las piedras, más difícil se vuelve empujar la arena a través de ellas.

Cuanta más arena (electrones libres) haya adentro, menos distancia necesitarás empujar para que la misma cantidad de arena caiga por el otro extremo.

Para más detalles, puede leer sobre la velocidad de deriva . La velocidad real de un electrón en el ejemplo es tan pequeña como 23 µm/s.

De hecho, el voltaje influirá en la velocidad de los electrones : en la fórmula dada, reemplaza I por U/R y verás que la velocidad aumentará con el voltaje.

Una gran cantidad de buena información aquí para aclarar su pregunta.

El voltaje se puede considerar como la diferencia de energía entre dos puntos dentro de una red (diferencia de potencial), piense en el voltaje que cae a través de una resistencia. Diferente en cada extremo debido a la potencia disipada a través de la propia resistencia.

Si considera el voltaje de suministro a un circuito (EMF, fuerza electromotriz), se puede considerar como la presión que fuerza la corriente a través del circuito.

una nota sobre el flujo de electrones

Se considera que la convención es que la corriente se mueve de + a -, sin embargo, el flujo de electrones es de - a +. Las fórmulas, etc., por supuesto, funcionarán con esta convención, ya que generalmente no nos importa el flujo de electrones, a menos que estemos en cosas semiconductoras, sin embargo, es importante recordar que en realidad fluyen de - a + (el electrón es un portador de carga negativa).

Espero que esto, junto con muchos otros comentarios, ayude. tonio

El electrón no necesariamente ni por lo general "se mueve de + a -". Gana energía moviéndose de − a +.
@Tony. " Se considera que la convención es que los electrones se mueven de + a -, ... " No, la convención es que la corriente fluye de + a -. En la teoría de circuitos convencional no nos importa cuáles son los portadores de carga reales o la dirección de su movimiento.

No. La respuesta más simple posible es que el voltaje es la densidad de los electrones. Es decir, la "presión" requerida para empujarlos juntos contra su fuerza repulsiva. Por supuesto, esto se complica por otros factores como el medio en el que se mueven.

¿Es el voltaje la velocidad de los electrones?
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