Caída de voltaje = más electrones en un lado de la resistencia

En pocas palabras, ¿la caída de voltaje en cada resistencia significa que hay más electrones en un lado de la resistencia en comparación con el otro lado?

Sí, la densidad de carga en un extremo de la resistencia debe diferir del otro si hay corriente.

Considere, por simplicidad, un elemento resistivo de longitud$L$, área$A$y resistividad$\rho_r$.

Unidos a cada extremo hay conductores con área$A$y resistividad$\rho_c$.

Suponga una densidad de corriente constante de magnitud$J$a lo largo de los conductores y el elemento resistivo.

El campo eléctrico, en la dirección de$J$, dentro de los conductores y elementos resistivos está dada por$E_c = J \rho_c$y$E_r = J \rho_r$respectivamente.

Luego, en el límite entre el conductor y el elemento resistivo, el campo eléctrico cambia abruptamente de valor por

Esto implica una densidad de carga en cada extremo del elemento resistivo.

Véase, por ejemplo :

Para otro enfoque, considere que la pendiente del potencial eléctrico cambia abruptamente en la interfaz.

Para una corriente constante y suponiendo conductores esencialmente ideales, el potencial eléctrico a lo largo de los conductores es constante pero comienza a cambiar con la distancia dentro del elemento resistivo (debe hacerlo ya que existe una diferencia de potencial entre los extremos de la resistencia).

Nuevamente, esto implica un cambio abrupto en el campo eléctrico en el límite que requiere una densidad de carga en el límite.

Pruebe la analogía de la manguera. El voltaje es la presión necesaria para empujar el agua a través de la tubería. Su diámetro es la resistencia, y la cantidad de agua que lo atraviesa, la corriente.

La razón por la que se llama "caída" de voltaje es porque existe una analogía casi exacta entre los voltajes y el potencial gravitacional, es decir, la altura.

Imagine la corriente eléctrica como un fluido real en movimiento, que es precisamente como lo vio Ben Franklin (¡aunque se equivocó en la dirección del flujo!)

La cantidad de este fluido que fluye por segundo a través de una sección transversal de un camino se llama amperaje, independientemente de qué tan rápido o lento se mueva. Por lo tanto, el río Mississippi tendría un amperaje absolutamente enorme, aunque la mayor parte del año su corriente (¡observe el uso paralelo de las palabras!) se mueve con relativa lentitud.

Sin embargo, lo que casi siempre hace que el agua fluya sobre la tierra son las diferencias en la altura relativa del agua. Sin esa diferencia de altura conectada, acabas con un estanque. Cuando el fluido es electricidad, tales estanques se denominan electricidad estática.

A lo largo del río Mississippi, por ejemplo, hay una caída en la altura, y por lo tanto también en la métrica proporcional de la energía potencial gravitacional , de varios miles de metros. Siempre que exista un camino por el que el agua siempre pueda fluir cuesta abajo, lo que en términos eléctricos llamaría un camino de conducción , entonces el agua fluirá desde los puntos más altos a los puntos más bajos a lo largo del río.

Tenga en cuenta, sin embargo, que esta idea de una caída en la altura es completamente independiente de la cantidad de agua que se mueve, o incluso si el agua se mueve en absoluto. Si represa el río, puede, por ejemplo, crear una gran caída potencial en una distancia muy corta, aunque no se esté produciendo un flujo real en un momento dado.

Pero cuando abras un camino, ¡cuidado! Esa gran caída en una distancia muy corta significa que todo el fluido aguas arriba querrá moverse hacia abajo y, al hacerlo, emitirá una gran cantidad de energía potencialmente destructiva. ¡Será mejor que estés bien preparado para manejarlo!

Una batería de automóvil grande funciona de la misma manera que una represa de este tipo, excepto que almacena el equivalente funcional (no literal, sería un capacitor) de dos "alturas" diferentes de "fluido" eléctrico.

Esta "diferencia de altura" en una batería no es una altura vertical real, por lo que tiene su propio nombre diferente: voltaje , que mide el potencial de energía eléctrica por unidad de fluido eléctrico. Es una medida de la energía almacenada por unidad de fluido, y es muy similar a la energía potencial gravitacional del agua mantenida en un lugar más alto.

Esencialmente, todos los tipos de circuitos eléctricos imaginables se pueden visualizar con gran precisión utilizando esta analogía del agua, aunque comienza a debilitarse cuando hay campos magnéticos involucrados.

Por ejemplo, un enlace de bajo amperaje y alto voltaje corresponde a un pequeño arroyo que cae sobre un alto acantilado. La energía liberada por centímetro cúbico de agua (o por culombio de electrones) es muy alta, pero tanto el flujo total de agua (o el amperaje de electrones, que son culombios por segundo) como la energía total liberada en el fondo se mantienen bajos porque hay muy poca agua (tan pocos electrones) están disponibles.

Por el contrario, una batería realmente grande de 1,5 voltios puede derretir un cable delgado porque permite que el cable transporte cada electrón que es capaz de contener. Es como tirar todo el contenido de una piscina inflable al aire libre en una zanja poco profunda: el gran volumen causará daños, aunque la energía liberada por litro de agua sea baja.

Todos los componentes eléctricos comunes tienen analogías simples de agua como fluido. Una resistencia es como el lecho de un río muy áspero y enrevesado, por ejemplo, uno lleno de rocas de varios tamaños, que ralentiza el flujo y convierte su energía en calor. A medida que aumenta la resistencia, la cama finalmente se vuelve impassible, un aislante.

Un condensador es una membrana elástica que bloquea el flujo directo, pero permite fácilmente pequeños movimientos de ida y vuelta que no sobreestiren su capacidad.

Incluso los inductores tienen un equivalente aproximado, ya que, por ejemplo, el agua que fluye en un circuito con muchas bobinas tendrá suficiente energía cinética para seguir fluyendo si se intenta apagarlo. Combine ese efecto con un "condensador de agua" estilo membrana y listo, obtendrá un resonador con una frecuencia sintonizada.

Para los ríos, el océano (generalmente) es la altura más baja disponible para extraer energía del agua y, por lo tanto, corresponde al concepto eléctrico de "tierra". Pero dado que es una diferencia de altura lo que define tanto el potencial gravitatorio como los voltajes, "tierra" también puede ser simplemente el potencial más bajo disponible localmente, como cuando se define como uno de los terminales de la batería de un dispositivo móvil.