¿Por qué el voltaje se describe como energía potencial por carga?

El voltaje a menudo se denomina fuerza electromotriz, ya que provoca un flujo de carga. Sin embargo, se describe en términos de julios por culombio o energía potencial por carga.

Pregunta: ¿Cómo contribuye la energía potencial asociada con la carga a su efecto sobre el flujo de carga?

El alto voltaje, o fuerza electromotriz alta, provoca una corriente alta. Entonces, esto significa que la carga con PE alto causará una corriente alta. Esto no parece tener sentido para mí. ¿Por qué la energía potencial afecta la corriente?

Conozco la explicación del gradiente de PE, pero esto no tiene sentido para mí. En la mayoría de los casos de difusión, hay una explicación de por qué ocurre: las partículas se difunden de una concentración alta a una baja DEBIDO al movimiento aleatorio de las partículas. Las cosas caen de PE gravitacional alto a bajo DEBIDO a la fuerza de la gravedad.

Pregunta: La carga se mueve de PE alto a PE bajo en un circuito, pero ¿por qué? ¿Cuál es la fuerza impulsora?

Respuestas (5)

En realidad, el voltaje es una diferencia de energía potencial por unidad de carga. Específicamente, el voltaje entre dos puntos A y B es la diferencia entre cuánto PE tendría una unidad de carga en A y cuánto PE tendría en B. Es importante que siempre tenga dos puntos en mente cuando habla de voltaje, ya que técnicamente no tiene sentido hablar sobre el voltaje en un solo punto.

Ahora, presumiblemente sabe que la diferencia de energía potencial por unidad de carga entre dos puntos está relacionada con el gradiente de energía potencial por unidad de carga entre esos puntos.

V B − V A ≡ Δ V B A = ∫ A B ∇ → V ( X → ) ⋅ d X →
dónde V es la energía potencial por unidad de carga (también conocido como "potencial eléctrico"), Δ V es voltaje, y la integral es una integral de línea a lo largo del camino de A a B. Bueno, el gradiente de V aquí es físicamente lo mismo que el campo eléctrico. Y como probablemente sepa, cuando se coloca una carga en un campo eléctrico, el campo hace que experimente una fuerza. Esa fuerza es precisamente − q ∇ → V ( X → ) .

Dado un camino, si la diferencia Δ V B A es grande, entonces habrá un gran gradiente en algún lugar a lo largo de la trayectoria, por lo tanto, un gran campo eléctrico, que causa una gran fuerza que empuja las partículas cargadas de A a B, lo que a su vez hace que las partículas aceleren más rápido y se muevan más rápido, produciendo una mayor actual.

La implicación aquí es que no es la energía potencial (o el voltaje en un punto, o el potencial eléctrico en un punto) lo que hace que el electrón se mueva. Es el gradiente de esas cantidades.
He oído hablar de esta explicación de gradiente antes, pero me parece que falta, porque todos los demás ejemplos de difusión tienen una explicación de por qué suceden. La difusión de partículas ocurre cuando una gran masa de partículas se separa gradualmente DEBIDO al movimiento aleatorio de partículas. La disminución de PE de un objeto ocurre cuando cae al suelo DEBIDO a la fuerza de la gravedad. Sé que en un circuito la carga se mueve de PE alto a PE bajo, pero ¿DEBIDO a qué? Sé de difusión, pero en la mayoría de los casos hay una explicación de por qué ocurre, no se establece simplemente como la única razón de un evento.
@PeterBlood Gravity es el análogo más cercano. Dices que los objetos caen por la fuerza de la gravedad. Bueno, las cargas se mueven debido a la fuerza eléctrica , que es muy similar. F → gramo = − ∇ → V gramo , F → mi = − ∇ → V mi ,
@PeterBlood Edité la respuesta, mira si eso ayuda.
@ DWade64 Gracias por captar eso. Edité para abordar lo primero, pero creo que entrar en el tema del potencial en sí mismo en relación con un punto de referencia complicaría demasiado la respuesta. Solo traté de no incluir nada que pudiera implicar lo contrario.
Ah, sí, tienes razón. Realmente estaba pensando más en la magnitud cuando escribí eso, pero déjame arreglarlo.

La energía potencial es solo una forma de hablar sobre en qué dirección está empujando una fuerza. Es por eso que la fuerza siempre empuja de mayor a menor energía potencial.

Piense en una pelota en un estante. Hay mucha energía potencial gravitatoria almacenada. Si estuviera en el suelo, habría menos energía potencial almacenada. Y la pelota quiere caer lo más abajo posible; si pudiera rodar fuera del estante y caer, entonces lo haría.

La razón es que hay una fuerza tirando hacia abajo. De los puntos de mayor a menor energía potencial. Este es siempre el caso.

En los circuitos eléctricos, si la fuerza eléctrica total en un punto tira hacia la izquierda, entonces la energía potencial es menor cuando la carga se mueve hacia la izquierda.

En otras palabras: la energía potencial es solo otra forma de hablar sobre cuánto atraen las fuerzas. Es otra forma de indicar en qué dirección se moverán las cosas si se les permite hacerlo.

La razón para definir algo llamado potencial como energía potencial por carga es solo una forma más fácil de comparar diferentes puntos. El voltaje es entonces un nombre para la diferencia de potencial.

Simplemente maneje el voltaje y la gravedad de la misma manera. La "fuerza de voltaje" es la fuerza electrostática, y la "electricidad estática" impulsa la corriente en los circuitos. Siempre que el voltaje no sea cero, tenemos una fuerza eléctrica estática sobre cualquier electrón en los cables.

Una forma de entender esto es: adoptar un enfoque conceptual con una "caja de herramientas mental alternativa", donde el Volt no se define como Joule por Coulomb. En su lugar, defina el julio en términos de voltios y culombios.

En ese caso, cualquier energía alterada del sistema es proporcional al transporte de una pequeña carga Q a través de una diferencia de potencial V. En otras palabras, mover un pequeño objeto cargado contra una colina de potencial es la causa de la energía potencial. Conociendo el patrón de voltaje en el espacio, podemos calcular el PE de cualquier carga en movimiento. Esto generalmente se demuestra al "cargar" un capacitor de placas paralelas: tomando cargas de una placa y forzándolas contra la repulsión electrostática, moviéndolas a la otra placa, que inyecta energía en el capacitor.

Pero pero... ¿qué significa entonces "voltaje"?

En ese caso, el voltaje es un concepto matemático llamado "Potenciales". No se define en términos de energía potencial. En cambio, es la integral de línea del flujo de campo electrónico. En cambio, es una forma de describir los campos electrónicos, incluso si no se mueven cargas de prueba, sin energía potencial asociada con las cargas de prueba. El campo electrónico es una cosa sola, y todavía existe incluso cuando se eliminan todas las cargas de prueba. Imagina un campo electrónico colgado en un espacio vacío.

Podemos ver los campos como si estuvieran hechos de fibras delgadas, "líneas de fuerza" o líneas de flujo. Pero también podemos ver los campos como si estuvieran hechos de planos equipotenciales, como las páginas apiladas de un libro. Si el flujo es el grupo de líneas imaginarias en un campo electrónico, ¿qué son los potenciales? Son las capas apiladas imaginarias en un campo electrónico. Cualquiera de los enfoques es válido, y estas membranas de voltaje son tan "reales" e importantes como las líneas de fuerza. Habitualmente describimos los campos electrónicos en términos de líneas de flujo porque son fáciles de dibujar en papel plano, mientras que los planos potenciales son objetos 3D difíciles. (Tenga en cuenta que las líneas de flujo siempre son perpendiculares a los planos equipotenciales en los que penetran. Por ejemplo, las líneas de flujo alrededor de una partícula cargada son radiales, mientras que las capas equipotenciales alrededor de la misma partícula aparecerán como esferas anidadas, como una cebolla).

¿Qué es el voltaje? Es un concepto independiente: "Potenciales". Michael Faraday y JC Maxwell le dieron mucha importancia a este concepto matemático, cuando el resto de la comunidad física lo evitaba y lo rechazaba. Después de todo, los campos no existían, y los físicos apropiados solo creían en la acción instantánea a distancia. Faraday dio a luz el concepto de campos EM, pero fue ignorado. Maxwell lo puso sobre una base matemática firme, y finalmente los campos pudieron ser considerados como entidades físicas genuinas; objetos extraños colgando en el espacio vacío. El concepto matemático de Potenciales o "Voltaje" es un enfoque para describir estas entidades.

En otras palabras, el voltaje no es un joule por coulomb. En cambio, el voltaje es una cara de los campos electrónicos, cuando no hay cargas de prueba infinitesimales presentes.

PD, ¿no estás convencido? Si no es así, pregúntese, ¿pueden existir campos de potencial magnético en el espacio, incluso cuando no se mueven polos de prueba para crear PE? Y, ¿todavía hay algo de gravedad en el espacio sobre el suelo, incluso cuando no se levantan rocas (los campos potenciales de gravedad están realmente hechos de Joules por roca ? ¿Qué sucede si no hay una roca?) El campo potencial todavía está allí por encima de la tierra, y los voltios todavía cuelgan en el espacio vacío entre las placas del capacitor. Bueno, solo si rechazas las creencias de acción a distancia de la comunidad física anterior a Maxwell y permites que los campos tengan una existencia genuina.

Las cargas no poseen energía potencial. Para ser más precisos, un sistema posee energía potencial. En electrostática, hay que distinguir entre potencial, diferencia de potencial y energía potencial.

En primer lugar, la energía potencial de un sistema se refiere a la cantidad de energía gastada en ensamblar el sistema desde el infinito. El potencial eléctrico en un punto se refiere al cambio en la energía potencial del sistema cuando una unidad de carga se lleva a ese punto. La diferencia de potencial eléctrico en dos puntos se denomina diferencia de potencial. Lo que impulsa la corriente es la diferencia de potencial.

En segundo lugar, en mecánica, la fuerza es causada por un cambio en la energía potencial (más precisamente, un gradiente de energía potencial). Cuando dos puntos tienen una gran diferencia de potencial y una carga pasa de un potencial alto a un potencial bajo, se produce una tremenda disminución de la energía potencial. Esto provoca una mayor fuerza sobre las cargas, ya que la fuerza es proporcional al gradiente de energía potencial y, en consecuencia, una mayor corriente.

Suponga que tiene una placa cargada positivamente de 10 culombios y una placa cargada positivamente de 5 culombios, entonces la placa con una carga de 10 culombios tendrá más potencial para atraer o repeler las cargas cercanas o puede decir que las cargas tienen más energía potencial. en este caso para acercarse o alejarse del plato. La placa cargada de 10 coulomb ejercerá más energía o energía por coulomb en comparación con la placa cargada de 5 coulomb en las cargas cercanas y las cargas se moverán más rápido hacia la placa cargada de 10 coulomb en comparación con la placa cargada de 5 coulomb y la corriente que sabes es la tasa de flujo de carga.

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