No entiendo lo que realmente queremos decir con caída de voltaje

Tal vez pueda aclarar a lo que estoy tratando de llegar con la famosa analogía de la rueda hidráulica.

Hace 99 años, Nehemiah Hawkins publicó lo que creo que es una analogía marginalmente mejor:

Fig. 38. — Analogía hidrostática de caída de potencial en un circuito eléctrico.

Explicación del diagrama anterior

• En este diagrama, una bomba en la parte inferior central bombea agua de derecha a izquierda.
• El agua circula de regreso al inicio a través de la tubería horizontal superior marcada ab
• La altura del agua en las columnas verticales C,m',n',o',D indica la presión en los puntos a,m,n,o,b
• La presión cae de a a b debido a la resistencia del estrecho camino de retorno
• La diferencia de presión entre a y b es proporcional a la diferencia de altura entre C y D

Analogía

• Bomba = Batería
• Agua = Portadores de carga eléctrica
• Presión = Voltaje
• Tubos Verticales = Voltímetros
• pipe ab = Resistencia (o serie de cuatro resistencias)

Nota

• Una "partícula" de agua en a tiene una energía potencial más alta que cuando llega a b .

Hay una caída de presión a través de un tubo "resistivo".

El voltaje (potencial eléctrico) es aproximadamente análogo a la presión del agua (potencial hidrostático).

Si pudieras abrir un pequeño orificio en los puntos a,m,n,o,b del tubo y sostener tu dedo contra el orificio, podrías sentir que la presión en esos puntos es diferente.

El potencial en algún punto es la cantidad de energía potencial de una "partícula" en ese punto.

ayudaría si alguien pudiera aclarar de qué manera tangible y empírica podemos ver o medir que ha habido un gasto de energía al comparar un punto en el circuito antes de la resistencia y un punto en el circuito después de la resistencia.

1. Compre una resistencia de 330 ohm 1/4 watt y una batería PP3 de 9V
2. Coloque la resistencia a través de los terminales de la batería.
3. Coloque su dedo en la resistencia.
4. Esperar.

"voltaje" es la fuerza causada por el desequilibrio de la carga que hace que la presión de los electrones viaje desde un terminal con carga negativa a un terminal con carga positiva,

No, el voltaje no es una fuerza. El voltaje es una diferencia de energía potencial por unidad de carga. Más precisamente: el potencial eléctrico es la energía potencial por unidad de carga (al igual que$gh$es la energía potencial gravitatoria por unidad de masa), y un voltaje (también conocido como diferencia de voltaje, también conocido como caída de voltaje) es una diferencia en el potencial eléctrico entre dos puntos.

El valor real del potencial eléctrico en cualquier punto no tiene significado físico; sólo su diferencia relativa al potencial eléctrico en algún otro punto, es decir, el voltaje, es significativa o medible. Esto significa que toda la idea de voltaje está ligada inherentemente a una elección de dos puntos. No hay una medida que pueda hacer en un solo punto que le diga algo sobre el voltaje o el potencial eléctrico. Sin embargo, si tiene dos puntos, puede determinar el voltaje entre ellos empujando una unidad de carga de un punto al otro y midiendo cuánto trabajo toma (o da). Así es como podemos establecer tensiones en un circuito con elementos resistivos: mover una carga por el circuito de un punto a otro y ver cuánta energía hay que poner para llegar allí.

La razón por la que consume energía es fundamentalmente complicada y tiene que ver con los efectos de la mecánica cuántica, pero como modelo clásico aproximado, se podría decir que los electrones pierden energía al chocar con los átomos y las moléculas del material resistivo, y es necesario introducir energía suficiente para compensar esas pérdidas.

El voltaje (julios por culombio) es una medida de la energía potencial eléctrica ganada por una carga de prueba positiva, o el trabajo realizado al mover una carga de prueba positiva desde el infinito hasta un punto en un campo eléctrico positivo. Esta energía ganada se debe a la fuerza electrostática conservativa entre carga. Cuando una carga gana potencial, naturalmente realiza un trabajo igual a su energía ganada para restaurar su posición neutral, según esta definición, infinito.

La diferencia de potencial es una medida del voltaje entre dos puntos en un campo eléctrico. La diferencia de potencial es potencial relativo a un punto fijo en un campo eléctrico en lugar de infinito. La diferencia de potencial no debe confundirse con la diferencia de carga entre dos terminales. La diferencia es lo que provoca un voltaje (energía ganada por una carga de prueba en un campo eléctrico). A menos que haya una diferencia de carga, no se puede establecer ningún campo y, por lo tanto, no hay potencial.

En un circuito, una batería proporciona la diferencia de potencial entre dos terminales haciendo trabajo contra el campo eléctrico, para dar energía potencial a los electrones. Una vez que estas cargas obtienen esta energía potencial, naturalmente trabajan para llegar a sus posiciones neutrales al cambiar esta energía potencial a energía cinética que impulsa la corriente a través del circuito. Pero dado que los electrones viajan a través de un medio, pierden parte de esta energía en forma de calor debido a la colisión con átomos o moléculas. Una medida de la energía perdida/gastada entre dos puntos en un circuito se conoce como caída de potencial. La caída de potencial aumenta con la resistencia.

Debido a la ley de conservación de la energía, la suma de todas las caídas de tensión debe ser igual a la tensión aplicada, tal como establece la segunda ley de Kirchoff. Por lo tanto, habrá una mayor caída de voltaje a través de una carga en un circuito si la resistencia total del circuito es menor.

No soy físico, sino un simple estudiante de ingeniería, y creo que tu confusión también me ha confundido a mí. Eso es genial, porque me hizo buscar las respuestas yo mismo. Esta es solo mi suposición personal (aunque basada en algún hecho), pero tiene mucho sentido para mí, y espero que también lo tenga para usted.

Ten paciencia conmigo si esta es una respuesta larga.

En primer lugar, cuando hablamos de la diferencia en la cantidad de electrones justo antes y después de una resistencia, tiene razón: fundamentalmente no hay diferencia en la cantidad de electrones. Sabemos esto porque todos los electrones (corriente) que entran deben ser iguales a la cantidad de electrones (corriente) que salen. Esta es una de las leyes de Kirchoff. Además, sabemos que la materia no desaparece y tampoco se convierte en energía.

Por supuesto, la segunda de las leyes de Kirchoff nos dice que la suma de todos los voltajes en un circuito debe ser cero (entonces, en un circuito simple, el voltaje inicial de la batería menos todas las caídas de voltaje de todas las resistencias es cero). Eso nos dice que ya debe estar pasando algo dentro de esas resistencias que no tiene nada que ver con la batería. Así que ese es un buen comienzo.

Entonces, también debemos entender que la corriente y el voltaje no son lo mismo. Es decir, si ya tiene una corriente que fluye, esa corriente no tiene su propio voltaje. Es posible que necesite voltaje para impulsar el flujo de corriente, pero una vez que ya está fluyendo, la corriente existe como el salto de un electrón a través de iones, y cada electrón es solo un punto; no tiene voltaje porque es solo un punto. . Más importante aún, la corriente fluye de manera uniforme, por lo que no se genera voltaje a medida que fluye. Ya sea justo antes o justo después de la resistencia, la corriente es la misma allí y no produce voltaje.

Aquí hay un dibujo que hice para ti:

Lo dibujé como realmente es, contra la convención. Observe que, a pesar de que existe una diferencia de voltaje preexistente entre las dos baterías, la distribución de electrones es uniforme. Entonces, si intentaste tomar una diferencia de voltaje entre el primer electrón y el cuarto electrón, obtienes una diferencia de voltaje de cero, incluso si están fluyendo , porque su distribución seguirá siendo uniforme. Esto, creo, es el equivalente a medir el voltaje a través de un cable sin resistencia.

Como creo que será útil para analizar lo que sucede en la resistencia, me gustaría señalar que la batería es la fuente inicial de voltaje. Está hecho para que un extremo sea mucho más electronegativo que el otro, y que un polo tenga una gran cantidad de electrones mientras que el otro tiene un gran déficit. Entonces, si unes los dos extremos, los electrones fluyen desde el extremo menos electronegativo (con más electrones) hacia el extremo más electronegativo (con menos electrones). En el proceso, la diferencia de electrones de polo a polo se iguala. Además, las reacciones químicas que ocurren dentro de la batería hacen que los polos (ánodo por negativo, cátodo por positivo) se degraden tanto en cátodo como en ánodo, a menos que sea una batería recargable, en cuyo caso esta reacción es reversible.

Pero eso no explica por qué hay una caída de voltaje en la carga. Si la diferencia de voltaje existe entre los polos, ¿no debería existir la misma diferencia de voltaje en todo el circuito? La respuesta parece ser sí... pero solo si no hay carga.

Entonces, tenemos que regresar y preguntar, ¿qué es una caída de voltaje y de dónde viene?

Creo que su pregunta realmente es, ¿qué sucede con la energía a nivel molecular? No solo desaparece. Cuando cae el voltaje, ¿qué significa? Si la misma cantidad de electrones ingresan a la resistencia y luego la dejan, ¿no permanece igual su energía?

Primero, sabemos que si sus energías son las mismas, entonces el voltímetro nos dirá que no hay voltaje. También sabemos que, si sus energías son las mismas, no hay diferencia entre los dos puntos. Y finalmente, si sus energías son las mismas, sabemos que no se perdió energía y, por lo tanto, no se extrajo trabajo del sistema.

Pero sabemos que se eliminó trabajo del sistema y podemos ver que el voltímetro nos da una lectura. Pero si el número de electrones es el mismo a través de la resistencia, entonces debe haber pérdida de energía. Pero, ¿de dónde procedía esa energía?

Volvemos a lo que es el voltaje: es la cantidad de energía por unidad de carga. Una unidad de carga es el electrón. Entonces, el voltaje es solo la medida de cuánta energía transporta cada electrón. Hay dos energías separadas en el electrón: su energía de reposo y su energía de impulso. Su energía de reposo es constante, pero su energía de impulso definitivamente no lo es.

Un electrón transporta energía por su orbital y capa. Es decir, cuanta más energía tiene un electrón, más arriba llega a su capa. Creo que esto se debe a que tiene más energía cinética, por lo que tiende a moverse más rápido. Moverse más rápido hace que ocupe un volumen mayor y, por lo tanto, para que el núcleo mantenga el electrón, debe haber más atracción para mantenerlo en su lugar. Me imagino que es como la órbita de un planeta alrededor del sol, donde las órbitas más anchas significan más energía total en el sistema. Los orbitales son (supongo, pero bastante seguro) causados ​​por la naturaleza discreta de la energía: los fotones son la forma de energía más irreducible, por lo que un electrón solo puede saltar entre orbitales en cantidades discretas.

Entonces, dentro de la batería, los electrones sienten una diferencia de potencial entre los diferentes polos de la batería. Esta diferencia de potencial imparte energía al electrón, lo que hace que salte a un orbital más alto. Luego viaja a través de los átomos en el cable hasta que llega a la resistencia.

Dentro de la resistencia, se extrae energía del electrón. El electrón salta a un orbital más pequeño y en el proceso libera un fotón. Esta liberación de un fotón significa que ha emitido energía. El fotón, al tener energía, se convierte en trabajo y desperdicio.

Los electrones, que ahora ocupan un orbital más pequeño, salen de la resistencia con menos energía. Debido a que su energía es más pequeña, su voltaje cae. Y esta, creo, es la razón por la que se llama caída de tensión .

Sin embargo, esta respuesta plantea la pregunta: ¿cómo detecta un voltímetro esta caída de voltaje, si ocurre en las capas orbitales de un átomo? Y la respuesta es interesante: no. Al menos, no directamente.

Por lo que puedo leer, lo que hacen los voltímetros es medir la desviación de un puntero contra un resorte. El puntero, a su vez, es movido por las fuerzas repulsivas de los electrones en una rueda giratoria dentro del voltímetro. Y las fuerzas repulsivas son, por supuesto, directamente proporcionales a la cantidad de energía dentro de los electrones. Debido a que conocemos las ecuaciones de la energía, todo esto está calibrado. Lo que el voltímetro realmente mide no es el voltaje en sí mismo, sino la fuerza que la diferencia de voltaje ejerce sobre el puntero del voltímetro.

No puedo decir mucho más sobre cómo funciona el voltímetro. Francamente, no estoy tan seguro de si eso es cierto, pero sé que la corriente en movimiento con cierto voltaje debe funcionar de alguna manera, como acabo de decir.

Cuando el electrón regresa al cátodo (porque estamos pensando en términos de electrones reales que se mueven, en lugar de que se muevan los agujeros de electrones convencionales), su voltaje no será cero, sino que será igual a la energía por electrón en el cátodo. La ley de Kirchoff nos dice que en cada carga, la diferencia de voltaje disminuye debido a la caída de voltaje. Debido a que los electrones aún tienen energía dentro del cátodo, esto no significa que el voltaje sea cero allí (lo que hace que los electrones no tengan energía, lo que intuitivamente hace que no tengan impulso, lo cual no puede ser cierto). Simplemente significa que la energía cuando el electrón regresa ahora es la misma que la energía en el cátodo, por lo que no hay más diferencia de potencial y el viaje del electrón se detiene.

Si he cometido algún error flagrante aquí (y seguramente lo haré, ya que la mayor parte de esto es adivinar y tratar de dar sentido a lo que sé), no dude en editarme. Y si expliqué mal algo, indíquelo en un comentario, para que yo y todos los demás podamos ver dónde está mal y por qué. ¡Gracias!

EDITAR: Me doy cuenta de que usé voltaje de dos maneras aquí: la diferencia de potencial entre dos puntos y la energía por unidad de carga. Una definición requiere que se definan dos puntos, mientras que una requiere solo un punto.

Creo que podemos conciliar esto imaginando que hay el mismo voltaje en todas partes. Cada electrón tiene exactamente la misma cantidad de energía. En tal caso, no hay diferencia de voltaje. No hay diferencia de potencial, lo que significa que no hay gradiente que haga que los electrones se muevan.

Supongo que estoy diciendo que el voltaje puede ser una cantidad puntual, mientras que la diferencia de potencial, o diferencia de voltaje, requiere que se definan dos puntos. Ciertamente, esto es consistente con las definiciones de voltaje (y como recuerdo en clase, el voltaje en sí mismo es un escalar, por lo que solo requiere definirse a sí mismo, no a otro punto; el gradiente o la diferencia es lo que requiere otro punto).

El voltaje es un potencial eléctrico (relativo a algún valor arbitrario llamado "tierra").

Lo que significa es que si tomo un electrón de tierra y lo muevo a un punto con voltaje$V$requiere que haga trabajo$W = V e$(aquí$e$es la magnitud de la carga en el electrón) porque había una fuerza$\vec{F} = q\vec{E}$debido al campo eléctrico,$\vec{E}$por camino y$W = \int \vec{F} \cdot d\vec{s}$, al contrario, moviendo el electrón desde un punto de potencial$V$a un punto en el potencial de tierra recupera la misma cantidad de energía.

Esto es exactamente como la energía potencial gravitatoria de la masa.$m$relativa su posición en el suelo.$V$es análogo a$gh$en mecánica introductoria (donde el trabajo de levantar la masa es$W = mgh$y la fuerza es$F_g = -mg\hat{z}$).

Lo que hay que tener en cuenta es que$V$es una propiedad de una posición particular en un momento particular, y si observa dos puntos a lo largo de un circuito y encuentra que el que está "más adelante" tiene un potencial más bajo, entonces puede decir que el potencial "cayó" por$V_1 - V_2$entre los puntos 1 y 2.

Ese es todo el significado de "caída de voltaje", pero no explica la física microscópica que es responsable del cambio. Como muchas otras cosas en la física, es más fácil manejar la física si acepta aceptar el significado de los símbolos y el vocabulario antes de comenzar. Cuando su comprensión madure, quedará claro que las definiciones son internamente coherentes y útiles para realizar cálculos.

Creo que lo que quiere decir es una pregunta sobre la energía asociada con los estados de capa de electrones de un material antes de una resistencia y después de una resistencia. Entonces, en este sentido, uno puede pensar en términos de ionización relativa en dos materiales diferentes. Los buenos experimentos mentales en este sentido son considerar cómo funciona una batería y luego considerar cómo funciona un transistor.

En una batería , (como probablemente ya sepas) la energía potencial se almacena químicamente, y es la interacción de dos materiales cuando existe un puente iónico que permite que se produzca la reacción y se desprenda energía. La pieza importante, por supuesto, es el puente que completa el circuito y permite el flujo de iones. Entonces, en cualquier caso, hay estados de mayor entropía (más favorables desde el punto de vista energético) disponibles para el sistema, y ​​el flujo de electricidad puede verse como una respuesta para lograr las condiciones más favorables desde el punto de vista energético. Entonces, se puede entender que una caída de voltaje no solo implica un cambio de energía, sino también un cambio en la entropía.

El segundo ejemplo, el transistor, una de las capas está dopada para que haya un sesgo natural en la distribución de los electrones. Este sesgo se puede usar como una resistencia al flujo de corriente y, en la mayoría de los casos, los transistores se usan como interruptores y cambiar el voltaje en la "puerta" permite controlar el flujo de corriente. Nuevamente, este es un cambio en la distribución de los electrones en las "capas" de los iones relevantes.

Entonces, una caída de voltaje se ve como un cambio en la carga o ionización a través de una resistencia. Es un control directo de la ionización que permite el flujo.

Esto trae a colación el punto de que una de las formas más seguras de determinar si el diseño de un circuito es defectuoso es buscar instancias en los diagramas donde faltan terrenos. La corriente no fluirá si no hay tierra, lo que provocaría una condición energéticamente más favorable en el circuito.

Si esto es útil, puedo expandirme, pero creo que varios de nosotros tenemos dificultades para comprender lo que busca.

Actualizar:

La pregunta ahora parece ser si uno puede notar una diferencia entre dos puntos a través de la resistencia que no sea usando un voltímetro. ¿Qué me puedes decir sobre la diferencia entre esos dos puntos?

Ayuda a entender un poco acerca de Energía, Potencia, Voltaje, Corriente y Carga.

En su definición matemática más simple, la energía es el producto de la potencia y el tiempo.

donde el tiempo es en realidad un intervalo de modo que

El poder se define más simplemente como:

Dónde$Q$es cargo y$V$es voltaje

En realidad, la carga está muy bien definida como

De manera más abstracta, una carga es cualquier generador de una simetría continua del sistema físico en estudio. Cuando un sistema físico tiene algún tipo de simetría, el teorema de Noether implica la existencia de una corriente conservada. Lo que "fluye" en la corriente es la "carga", la carga es el generador del grupo de simetría (local). Este cargo a veces se denomina cargo de Noether.

Así, por ejemplo, la carga eléctrica es la generadora de la simetría U(1) del electromagnetismo. La corriente conservada es la corriente eléctrica.

En el caso de simetrías dinámicas locales, asociado con cada carga hay un campo de calibre; cuando se cuantifica, el campo de calibre se convierte en un bosón de calibre. Las cargas de la teoría "irradian" el campo de norma. Así, por ejemplo, el campo de calibre del electromagnetismo es el campo electromagnético; y el bosón de calibre es el fotón.

A veces, la palabra "carga" se usa como sinónimo de "generador" al referirse al generador de la simetría. Más precisamente, cuando el grupo de simetría es un grupo de Lie, entonces se entiende que las cargas corresponden al sistema de raíces del grupo de Lie; la discreción del sistema raíz que explica la cuantización de la carga.

Debe agregarse que la carga está cuantizada en el mundo real, y los electrones llevan una unidad fundamental de carga, sin embargo, no son necesariamente los electrones los que fluyen cuando hablamos de un circuito, sino que es la cantidad de carga conservada más abstracta que Está fluyendo. Los electrones pueden moverse en el circuito, pero la distancia física a la que se mueven será muy pequeña. La carga se está moviendo, y dado que la carga en sí misma no tiene masa, puede moverse muy rápidamente en el circuito, sin embargo, todavía está fundamentalmente cuantizada.

Mirando hacia atrás a la ecuación de potencia:

Se puede ver que, dado que la energía es el producto de la potencia y el tiempo, se puede derivar la energía como el simple producto de la carga y el voltaje.

Entonces la diferencia de energía entre dos puntos es

Sin embargo, la carga se conserva, lo que significa que el número de cargas fundamentales asociadas con una corriente que fluye entre dos puntos debe ser el mismo al principio y al final del flujo. Por lo tanto podemos suponer$Q$es constante y tenemos:

Esto nos dice que el cambio de energía entre dos puntos es directamente proporcional al cambio de voltaje (o caída de voltaje) entre los dos puntos. Aquí vemos la similitud de esta ecuación con la ecuación de la energía potencial en el campo gravitacional. Si definimos el peso como:

dónde$m$es masa y$g$es la aceleración de la gravedad, entonces el cambio de energía entre dos puntos en un campo gravitatorio es:

dónde$h$es altura

Aquí la similitud de las dos ecuaciones debe ser evidente.

Clásicamente, las unidades de carga (culombio - C) se dan como el producto de la unidad de capacitancia (Faradio - F) y las unidades de voltaje (V).

Donde la capacitancia es simplemente una constante de proporcionalidad que relaciona la carga y el voltaje, lo cual es más claro en la ecuación variable en el tiempo:

La energía (o trabajo equivalente) emitida por una resistencia a lo largo del tiempo es:

Sustituyendo tenemos

Como hemos demostrado anteriormente, el voltaje es análogo a la altura (o posición), por lo que$v'(t)$sería análogo a la velocidad (posición variable en el tiempo).

Si observamos la integral del trabajo mecánico (donde la fuerza y ​​la velocidad (s'(t)) están en una dimensión):

Uno podría reagrupar la versión eléctrica como:

Esto sugiere que la cantidad$Cv(t)$es análogo a la fuerza (pero no es fuerza ya que la fuerza es un término mecánico y las unidades aquí son diferentes, la relación aquí se muestra para que se pueda entender una analogía). La carga también se puede escribir como

Entonces nuestra integral se convierte en

La carga nuevamente puede considerarse una constante ya que debe conservarse, por lo que podemos escribir:

y desde

Podemos escribir

Entonces nuevamente encontramos que el trabajo o la energía es proporcional a un cambio en el voltaje con respecto a alguna variable, donde la constante de proporcionalidad es la carga.

Esto está consagrado en la definición de la energía como un electronvoltio , donde

Históricamente, el electronvoltio se concibió como una unidad de medida estándar debido a su utilidad en las ciencias de los aceleradores de partículas electrostáticas porque una partícula con carga q tiene una energía E=qV después de pasar por el potencial V; si q se expresa en unidades enteras de carga elemental y la polarización terminal en voltios, se obtiene una energía en eV.

El objetivo de todo lo anterior es ilustrar lo siguiente:

1. El voltaje no es una fuerza, es un potencial análogo a la altura en un campo gravitacional.
2. Por analogía, si el voltaje es un potencial, entonces la carga sería la analogía de la fuerza, pero no es "fuerza" como se usa en física, ya que es un término definido mecánicamente y es equivalente a masa por aceleración.
3. La carga está cuantificada y también es una cantidad conservada.

Entonces podemos relacionar fácilmente un cambio en el voltaje con un cambio en la energía. Entonces, cuando hay una caída de voltaje en una resistencia, hay un cambio en la energía. Para la resistencia, esta energía generalmente se emite como calor.

Si no hay cambio en el voltaje, entonces no habrá cambio en la energía. Entonces, en un circuito, la energía contenida en el cable antes de la resistencia es mayor que la energía contenida en el cable después de la resistencia. Nuevamente, esto se refleja en un cambio en las configuraciones accesibles a los electrones en el alambre.

Espero que esto esté ayudando. Avísame si necesitamos expandirnos más.

Considere un circuito con solo una batería y un bucle de alambre. Idealmente, el cable tiene una resistencia cero, lo que significa que el voltaje entre dos puntos cualesquiera del cable será cero.$V=IR= I\times0=0$ $^1$

Ahora considere el circuito que menciona (es decir, con una resistencia). La resistencia provocará una disminución en el flujo de corriente, siguiendo la ley de ohmios que conoce tan bien. ¿Qué significa eso? Bueno, el voltaje a través de la resistencia debe ser igual al de la fuente. Es decir$|V_{\textrm{resistor}}|=IR=|V_{\textrm{battery}}|$. Tenga en cuenta que, idealmente, no hay caída de voltaje si prueba el voltaje a través de cualquier segmento de cable (como antes).

¿Por qué se llama caída de tensión? La suma de todos los voltajes en un bucle debe dar cero. Así que técnicamente tendríamos$V_{\textrm{battery}} +V_{\textrm{resistor}}=0$. (Consulte las leyes de circuito de Kirchhoff, específicamente la Ley de voltaje de Kirchhoff)

Hablar de 'caídas de voltaje' es solo una manera fácil de decir que la energía de la batería fuente va a alguna parte, como señaló "Liberación de energía". Entonces, en circuitos más complicados, puede realizar un seguimiento de las cosas en términos de caídas de voltaje en los diversos componentes.

Editar: Otro ejemplo. Considere ahora un circuito con dos resistencias en serie. La caída de voltaje en ambos en total debe ser como discutimos antes, pero la caída de voltaje en cada resistencia individual se ponderará por su valor.

Caídas de tensión:

_{$^1$En los circuitos reales, los cables tienen una resistencia muy baja.}

La "gota" proviene de la analogía de que la corriente es el flujo de agua y cada diferencia de altura que hace que el agua fluya es una gota = una diferencia de voltaje.

Entonces, la caída de voltaje es solo una diferencia en el voltaje a través de un componente que hace que fluya una corriente.

Confío en que haya leído las páginas de Wikipedia sobre voltaje y caídas de voltaje .

De todos modos, esto no es particularmente riguroso, pero ayuda con la intuición. Una resistencia, como su nombre lo indica, trata de resistir el flujo de corriente a través de ella. Lo que eso realmente significa es que hay menos electrones " libres " en el material para ayudar con el flujo de corriente. Si los electrones están estrechamente unidos al átomo, tienden a no querer moverse, por lo que hay más resistencia al flujo de corriente.

Una diferencia de voltaje es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en el circuito, y la corriente fluye en una dirección en la que se puede minimizar la diferencia de potencial. Entonces, cuando la corriente fluye a través de una resistencia ( Nota: en un circuito, generalmente se supone que los cables tienen resistencia cero ), le resulta más difícil fluir a través de la resistencia, pero todavía hay una energía que fluye "hacia" el resistor. Y todos sabemos que la energía debe conservarse a toda costa.

Entonces, lo que efectivamente sucede es que parte de esta energía se pierde cuando la corriente fluye a través de la resistencia, ya sea porque gastó energía al tratar de que esos electrones fuertemente unidos dejen sus átomos o en forma de calor. Esto significa que en el otro lado de la resistencia se ha perdido algo de energía, lo que realmente significa que el voltaje en ese punto es más bajo que en el punto anterior a la resistencia. Entonces hay menos "empuje" para que el electrón llegue al lado con menor potencial, debido a la pérdida de energía.

El voltaje es solo una forma de hablar de energía por unidad de carga. Lo que garantiza un bateador es que la carga que ingresa desde la terminal negativa aumentará en energía potencial (a través de un proceso electroquímico) a una energía más alta especificada en la terminal positiva.

¿Qué significa dar energía a las cargas? Es lo mismo que decir que una bola de boliche tiene más energía en reposo a una altura de 10 pies que en reposo en el suelo. Una batería empuja la carga que entra desde el terminal negativo contra la fuerza eléctrica, dando así energía a esas cargas. La energía dada es proporcional a la cantidad de carga. Entonces, hablar de voltaje es solo una forma conveniente de hablar de una batería en términos de una cantidad: cuánta energía otorga por unidad de carga.

La razón por la que una batería puede hacer esto es la reacción química que ocurre en su interior. En una batería, el campo eléctrico apunta en dirección opuesta a la corriente positiva. Si solo existiera este campo E, el movimiento de corriente de los terminales negativo a positivo no sería posible, pero la reacción química lo permite.

Por el contrario, una resistencia es un objeto cuyo campo eléctrico apunta a lo largo de la dirección de la corriente, de modo que las corrientes que se mueven a través de la resistencia pierden energía eléctrica.

Aquí hay una analogía para ti: una batería es una escalera mecánica. Ponga una pelota en la base de una escalera mecánica y la pelota irá a un potencial gravitacional más alto debido a la influencia de la escalera mecánica, aunque la gravedad siempre apunte hacia abajo. Tenga en cuenta que la escalera mecánica puede hacer esto porque proporciona energía de alguna otra fuente, en este caso, está alimentada, en lugar del campo gravitatorio. Así es como es capaz de hacer trabajo contra la gravedad.

Una resistencia, por otro lado, es como un camino desde el último piso hasta la base de la escalera mecánica.

Las baterías no producen ninguna diferencia en el número de portadores de carga en los dos terminales. De manera similar, puede alimentar una tasa constante de objetos a una escalera mecánica y no produce diferencia en la cantidad de objetos entre las plantas superior y baja. La corriente de tales objetos se considera constante.

Por esta razón, no existe una diferencia fundamental entre el voltaje medido en una batería y el voltaje medido en una resistencia. Ambos miden la energía eléctrica por unidad de carga que fluye a través del medidor. Sí, las cargas fluyen a través de un voltímetro. Un voltímetro no mide tanto el potencial entre dos puntos como el cambio de energía por unidad de carga desde la entrada hasta la salida del voltímetro. En este sentido, agregar un voltímetro a un circuito cambia fundamentalmente el circuito, no le informa estrictamente sobre el circuito original, pero puede cuantificar el error inducido. En general, solo puede usar un voltímetro de manera confiable cuando tiene una resistencia mucho mayor que la que está tratando de medir.

No leí todas las respuestas, así que espero que esto ayude al OP o a cualquiera que se tope con esto un poco. Creo que un ejemplo puede ayudar a comprender lo que está sucediendo y ayudar a arrojar luz sobre cuál es la verdadera pregunta tal como yo la veo.

Considere la misma situación pero con gravedad. Imagina que tienes una masa a la altura h. Ahora mueve a mano esa masa a una altura 0. Todavía tiene la misma velocidad que antes, pero ahora tiene menos energía. Esta pérdida de energía es en forma de energía potencial. ¿A donde se fué? Tu cuerpo hizo un trabajo sobre la masa y probablemente se calentó. ¿Qué es diferente en la masa antes y después de moverla? Nada realmente obvio físicamente, excepto en relación con su PUNTO DE REFERENCIA. Entonces, en cierto sentido, el OP tiene razón, no hay diferencia física cuando observas el electrón antes y después.

Sin embargo, eso no quiere decir que no haya diferencia. El OP debe recordar que los potenciales NO TIENEN SIGNIFICADO por sí mismos, por lo que quiero decir que el significado viene solo en relación con dos puntos (una diferencia). Entonces, solo puede notar la diferencia en el electrón al verificar dos puntos y ver que hay una diferencia, razón por la cual un voltímetro usa dos sondas al mismo tiempo. Esto sería en lugar de usar 1 sonda para verificar el electrón antes de la resistencia, quitar y luego tocar después de la resistencia, y ver lo que ve como diferente.

Ahora considere la misma situación sin una resistencia (mi mano en la gravedad, la resistencia en el circuito). Si estuviera en un campo, el electrón se habría acelerado. Lo que evita que el electrón se acelere es la resistencia en el circuito. Entonces, en lugar de acelerar, la energía se transfiere al calor.

Lo primero que debe tener en cuenta es que nunca debe usar la palabra voltaje a menos que esté seguro de que usted y su público conocen el hecho de que es una abreviatura de "una diferencia en el voltaje" o como ha usado "caída de voltaje".
Preferiría utilizar el término "diferencia de potencial".

Todo esto tiene que ver con la energía y un tipo de energía que tiene un sistema que lo hace capaz de realizar un trabajo que se llama energía potencial.

El circuito de agua es un muy buen análogo de un circuito eléctrico, pero permítanme modificarlo un poco de la siguiente manera.

En el diagrama 1 aquí no hay fricción y$A$y$B$son “bombas” con grifos incorporados.
Todos los grifos están abiertos pero ninguna bomba funciona.
¿Qué pasa después? – Nada, ya que el sistema se encuentra en su estado de energía potencial gravitacional más bajo.
¿Significa eso que el agua no tiene energía potencial gravitatoria, es decir, no puede realizar ningún trabajo?
No. Se puede decir que tiene energía potencial gravitatoria porque podría hacer trabajo al caer sobre la mesa de trabajo que está debajo del aparato, pero no está permitido hacer eso en este caso.

Cerrar grifo$B$y dejar que el peso unido a la bomba$A$otoño.
¿Lo que sucede? – En el diagrama 2 el nivel del agua en el tubo$a$sube y el nivel del agua en el tubo$c$baja

Bomba$A$está haciendo un trabajo sobre el agua.
¿Cómo está haciendo eso? - Hay un peso sujeto al eje de la bomba y el peso está cayendo.
Entonces, ¿qué es lo que hace que el agua fluya? - El peso al caer pierde energía potencial gravitatoria y por lo tanto la bomba hace trabajo sobre el agua.
El agua en tubo$a$está ganando energía potencial gravitacional y el agua en el tubo$c$está perdiendo energía potencial gravitacional.
Ha habido una conversión de la energía potencial gravitacional del peso a la energía potencial gravitacional del agua y hay una ganancia neta en la energía potencial gravitatoria del agua.

Cuando la diferencia en el nivel del agua entre los tubos$a$y$c$alcanza un valor determinado, la bomba se detiene y toca$A$cierra
Tocar$B$ahora está abierto.
El agua fluye a través de la bomba$B$de tubo$a$al tubo$c$elevando el peso unido a la bomba$B$hasta que los niveles de agua en el tubo$a$y tubo$c$son lo mismo.
Bomba$B$ha realizado trabajo y la energía potencial gravitatoria del agua se ha convertido en el potencial gravitatorio del peso.

En el diagrama 3 , una tercera bomba y grifo$C$Ha sido agregado.
Todos los grifos están abiertos con bomba.$A$manteniendo una diferencia constante en el nivel del agua entre el tubo$a$y tubo$c$.
Bomba$A$está continuamente haciendo trabajo y el resultado neto es el aumento del potencial gravitatorio del agua que va desde el tubo$c$al tubo$a$y la disminución de la energía potencial gravitacional del peso que cae.
Bomba$B$continuamente está haciendo trabajo y el resultado neto es el aumento de la energía potencial gravitacional del peso que cae unido a él y la disminución del potencial gravitacional del agua que sale del tubo$a$en tubo$b$.
Bomba$C$continuamente está haciendo trabajo y el resultado neto es el aumento de la energía potencial gravitacional del peso que cae unido a él y la disminución del potencial gravitacional del agua que sale del tubo$b$en tubo$c$.

La esencia de su pregunta es "¿Qué tiene de diferente el agua en el tubo$a$y el agua en tubo$b$?”
La respuesta es “El agua en tubo$a$puede hacer más trabajo que el agua en el tubo$b$.”
El agua en tubo$a$levanta los pesos unidos a ambas bombas$b$y bomba$c$mientras que el agua en el tubo$b$solo levanta el peso conectado a la bomba$C$.

Ahora para traducir todo esto en términos eléctricos.
Para hacerlo más fácil, suponga que en mi circuito eléctrico el portador de carga móvil es positivo, ya que me resulta más fácil visualizar la carga positiva que quiere caer por una colina (potencial) en lugar de los electrones que quieren subir una colina (potencial).

En el diagrama 4 bomba$A$es bateria$A$y bombas$B$y$C$son motores$B$y$C$.
La batería es un dispositivo que eleva la energía potencial eléctrica de los portadores de carga móviles cuando se mueven de nodo$c$al nodo$a$(el aumento en el nivel del agua).
Esto proviene de una reacción química en la batería y una disminución en la energía potencial química (el peso que cae).

motores$B$y$C$son dispositivos que realizan un trabajo de levantamiento de pesos a expensas de una disminución de la energía potencial eléctrica de los portadores de carga móviles que los atraviesan.

En lugar de usar el término "cambio de energía potencial entre dos puntos" todo el tiempo, es más fácil usar el término "cambio de energía potencial entre dos puntos por unidad de carga" e incluso más simple aún "diferencia de potencial entre dos puntos" o "diferencia de potencial". diferencia” o su término “caída de voltaje”.

Entonces, cuando tiene una caída de voltaje en un componente, le está diciendo que la cantidad de trabajo que los portadores de carga móvil pueden hacer al dejar el componente se reduce (caídas) en comparación con la cantidad de trabajo que el portador de carga móvil puede hacer antes de ingresar al componente. .

La cantidad de trabajo (julios, J) que se puede realizar por unidad de carga (1 culombio, 1C) de portadores de carga móviles entre dos puntos, la diferencia de potencial entre esos dos puntos, se mide en julios por culombio, que es el voltio.

El diagrama 5 es un circuito simple.
La caída de tensión en los 3$\Omega$resistencia es de 3V.
Comenzando en el nodo$a$y terminando en el nodo$c$1 culombio de portadores de carga móvil producirá 5 julios de calor, mientras que si comenzaran en el nodo$b$y llegó al nodo$c$solo habrían generado 2 julios de calor.
Entonces, un culombio de la capacidad de los portadores de carga móvil para hacer el trabajo ha caído de 5 julios en el nodo$a$a 2 julios en el nodo$b$una caída de 3 julios por coulomb que es una caída de voltaje de 3 voltios.

Creo que un ejemplo simple será la mejor manera de responder a su pregunta.

Comencemos con una fuente de voltaje de 10v (batería, fuente de alimentación, generador, etc., el tipo no importa). Luego conecta 10 resistencias de 1 ohm en serie a través del suministro. Con este arreglo, sabemos que hay un flujo de corriente de 1 amperio a través de cada resistencia, por lo que la caída de voltaje en cada resistencia es de 1v .
Si ahora toma su voltímetro y coloca un cable en la parte inferior de la resistencia inferior (# 10) y el otro cable en la parte superior de la resistencia superior (# 1), leerá 10v. Ahora tome el cable superior y muévalo al punto debajo de la primera resistencia, ahora leerá 9v. Si continúa este proceso, leerá 8v, 7v... 1v, 0v. Como puede verse, cada resistencia ha provocado una reducciónen voltaje igual a la caída de voltaje a través de él.
Cabe señalar que cada resistencia consume 1 W, lo que da un total de 10 W, que es la misma potencia que entrega la fuente.

Si ahora sustituimos las resistencias por una sola (10 ohm), aunque ya no tengamos acceso a los puntos intermedios, la situación es la misma. Las caídas de voltaje ocurren dentro de la resistencia en proporción a su longitud (suponiendo una distribución lineal). Si la resistencia tiene 10 cm de largo, cada cm caería 1v.
El hecho de que una resistencia provoque una reducción en el voltaje , proporcional a la corriente que fluye a través de ella, es la razón por la cual se le llama caída de tensión (a través de la resistencia).

Cuando se enciende la batería, una onda se propaga dentro del circuito para determinar la corriente del sistema. En este punto, la corriente no es homogénea dentro del circuito (pero desaparece casi a la velocidad de la luz). Supongamos que también hay resistencias de diferente resistividad conectadas a este circuito. Los electrones dentro del circuito son parte del mismo sistema, por lo tanto, si uno se ralentiza, el resto también se ralentizará. La "caída de tensión", en este punto, afecta a todo el sistema al mismo tiempo. La pérdida de potencial se calcula en el encendido inicial, y así se establece la corriente. La razón por la cual esta caída de voltaje es igual a la V de la batería es porque todo se calcula de acuerdo con esta onda que se lanza desde la batería.

Oyvey, puedo entender tu confusión. Solo soy un estudiante, pero puedo intentar aclarar la confusión usando una analogía.

Considere dos patios de juegos (los dos terminales negativos de dos baterías diferentes de 2 V y 3 V). Los niños en el primer patio de juegos (2 V) son débiles y perezosos. Cuando se les pide que corran por un camino, la cantidad de niños (electrones) que pasan por un punto en el El camino es menor. Los niños en el segundo patio (3V) son fuertes y activos. Cuando se les pide que corran por un camino, veremos más niños pasando por un punto del camino que en el caso anterior porque son fuertes y activos.

Creo que esto explica muy bien la Ley de Ohm de que la corriente es directamente proporcional al voltaje y también aclara su confusión, con suerte.