Voltaje negativo

Hay dos formas de responder a esta pregunta: una de ingeniería y otra física. Si bien muchos ingenieros prefieren pensar solo en términos de ingeniería (a veces ni siquiera pueden explicar cómo funcionan realmente las cosas), creo que conocer los conceptos es muy importante. Por lo tanto, intentaré responder a su pregunta desde un punto de vista físico (que es mucho más largo). Puede desplazarse directamente hasta el final de la página para encontrar una respuesta de ingeniería.

La electricidad tiene que ver con las cargas eléctricas y su movimiento. De verdad, nada más. La única pregunta interesante en electricidad es: " Dada la configuración inicial de las cargas, ¿cuál será su configuración en algún tiempo futuro (o cuál fue en algún tiempo pasado)? ". Puede preguntarse ahora: "¿Pero qué pasa con los campos eléctricos y magnéticos? ¿Qué pasa con la resistencia, la capacitancia y la inductancia? ¿Qué pasa con los semiconductores? ¿No son todos estos conceptos la base de la teoría de la electricidad?". La respuesta es: no, no lo son. Llegaremos a las definiciones de campos más adelante, pero todos los demás términos simplemente describen de qué manera un objeto en particular afecta las cargas que se mueven a través de él o están inicialmente presentes en su interior.

Intentaré describir las capas que subyacen a la abstracción que llamamos "Ingeniería eléctrica". Intentaré mostrar los pasos exactos que conducen desde las partículas elementales hasta los amplificadores operacionales, transformadores, etc.

Carga eléctrica y fuerza:

El físico descubrió que las propiedades eléctricas de cualquier partícula (partícula = partícula elemental) pueden describirse con precisión mediante una sola cantidad: una carga eléctrica. La carga puede ser positiva o negativa y su magnitud puede variar para varias partículas. Una interacción eléctrica entre dos partículas está completamente determinada por las cargas de las partículas y su polaridad (positiva o negativa). La interacción es atractiva o repulsiva (atractiva para partículas que tienen polaridades opuestas, repulsiva para partículas que tienen las mismas polaridades). La descripción completa de la interacción entre dos partículas se puede dar con una sola construcción matemática: un vector de fuerza.

NOTA: en secciones posteriores usaré los términos "partícula" y "carga" indistintamente mientras me refiero a una sola partícula.

Campo eléctrico:

No puedes describir una sola partícula usando un concepto de fuerza porque la fuerza se define como una interacción entre dos partículas; el campo, por el contrario, es específico de la partícula. El campo eléctrico de una sola partícula es una descripción matemática (matemáticamente: campo vectorial) del efecto (fuerza eléctrica) que esta partícula tiene sobre cualquier otra partícula en el universo, dividida por la carga de la otra partícula. En otras palabras: fuerza = campo*(carga de la otra partícula). Tenga en cuenta que el campo no existe por sí mismo, es solo una forma conveniente de describir la presencia de una partícula: en lugar de decir "allí una carga eléctrica allá" uno dice "el campo aquí está", y este cambio en la terminología es muy conveniente porque permite la "localización" del problema en alguna región delimitada.

Campo magnético:

El campo magnético es un campo (matemáticamente: campo vectorial) que describe el efecto (fuerza magnética) de una partícula en movimiento sobre cualquier otra partícula en movimiento en el universo. La fuerza magnética y el campo magnético están relacionados de una manera un poco complicada, por lo que no lo describiré aquí. Encontrarás mucho material en Internet. De hecho, este es uno de los conceptos que se pueden estudiar sólo si lo necesitas. Un hecho importante para recordar: el campo magnético siempre es creado por cargas en movimiento y actúa solo sobre cargas en movimiento. Un hecho sin importancia, pero interesante para recordar: el campo magnético es de hecho un campo eléctrico que se transforma por los efectos de la relatividad especial.

(Electrostática) Energía:

La energía es uno de los conceptos más amplios de la física. Esencialmente, puede pensar en la energía como una abstracción de un solo tipo de interacciones de partículas, o como un "puente" que trae varios tipos de interacciones a un denominador común (o ambos).

La energía electrostática abstrae las interacciones electrostáticas. Se define como una cantidad de trabajo que puede obtener de una combinación de cargos. Puede notar que reemplacé el término "energía" por otro: "trabajo". Es porque me resulta muy difícil explicar cualquiera de los dos. Muchos físicos graduados no comprenden del todo estos conceptos. En pocas palabras: debe realizar un trabajo para mover una carga en un campo eléctrico, y el trabajo realizado sobre la carga que movió hace que la energía de la carga aumente según la cantidad de trabajo realizado. La buena noticia es que no es necesario comprender el significado físico de la energía y el trabajo para convertirse en un buen ingeniero. Cuando los ingenieros usan el término "energía", se refiere a la energía real que puede usar para hacer "trabajo". Por ejemplo:

Sin embargo, hay un hecho muy importante sobre la energía electrostática que debe recordar: no importa qué camino haya hecho una carga mientras se mueve de A a B, el aumento (o, tal vez, la disminución) en su energía siempre será el mismo (el trabajo hecho es lo mismo). Puede sonar obvio para algunas personas: "¡bueno, por supuesto que es así!", ¡pero no lo es! Piense en mover una mesa del punto A al B en la habitación; es obvio que si saca la mesa de la habitación y luego la trae de vuelta, consumirá más energía (en este caso, energía química de su cuerpo) que si lo movió de A a B en línea recta. Si bien el contraejemplo anterior no es científicamente correcto, enfatiza el punto: si una carga se mueve de A a B, ¡la cantidad de trabajo realizado es independiente del camino!

(Potencial electrostático:

Potencial es un término que existe tanto en ingeniería eléctrica como en física, lo cual no es raro. Pero es poco común que la definición y el uso de este término sea el mismo en estas dos disciplinas. En cierto sentido, se puede decir que este término es un límite entre la física y la ingeniería eléctrica.

El propósito principal del potencial es describir cómo cambia la energía de una partícula cuando se mueve en un espacio. Como no pude explicar el concepto físico de "energía", no puedo describir el concepto físico de potencial. Sin embargo, desde el punto de vista de la ingeniería, el concepto es relativamente simple: hay varios potenciales en varios puntos de mi sistema. Si una partícula se mueve del punto A al punto B, gana (o pierde) una energía de$(P_B-P_A)*Q$, dónde$P_x$es el potencial en el punto$x$y$Q$es la carga de una partícula.

El hecho más importante y más confuso sobre los potenciales para recordar: la magnitud del potencial en un solo punto no tiene sentido, solo la diferencia entre puntos es significativa (porque representa la energía que una carga puede ganar si se mueve entre estos puntos).

Uno no puede sobrestimar la importancia de la declaración anterior. Se convierte en el Alfa-y-Omega de la ingeniería eléctrica una vez combinado con un axioma básico adicional del mundo de la física: cada partícula siempre intentará minimizar su energía. Es la razón del flujo de corriente una vez que proporciona un camino: si las cargas pueden reducir su energía mientras se mueven a otro potencial, lo harán.

Tomemos otro ángulo de vista sobre la afirmación más importante sobre los potenciales (¿Qué fue? ¡¿No recuerdas?!?! ¡Regresa y lee de nuevo la afirmación en negrita!): Realmente no expliqué cómo se puede calcular el potencial. Malas noticias: es imposible sin información adicional. Buenas noticias: ¡la información adicional sería solo un número que puede elegir! ¿De qué diablos estoy hablando? Bueno, antes que nada, me aburrí un poco, por lo tanto, estoy empezando a escribir de una manera muy molesta. Sin embargo, la declaración anterior es totalmente cierta: el potencial se define hasta una constante, que puede elegir libremente, pero debe ser la misma constante para todos los potenciales en su sistema. Mira esta ecuación:$E_{gained} = (P_{final} - P_{initial})*Q$. Agregue cualquier constante que desee a ambos$P$'s (la misma constante), ¡el resultado de la energía ganada será el mismo! Esta es la razón por la que podemos definir un potencial de referencia en nuestro circuito como deseemos: lo único que importa es la diferencia de potencial, y esto permanecerá constante si cambiamos todos los potenciales en el sistema por alguna constante.

Voltaje:

El voltaje entre puntos es solo una abreviatura de "diferencia de potencial entre puntos". Tenga en cuenta la palabra "diferencia": el voltaje nunca se define para un solo punto en un circuito. Siempre es una diferencia. La práctica habitual es definir algún nodo en un circuito como 0 de potencial y luego calcular los voltajes de otros puntos en relación con este cero. ¿Por qué podemos hacer esto? Bueno, regrese y lea la sección sobre potenciales. ¿Aún no lo entiendes? Bueno, regrese a la declaración anterior que comienza con "bien" y ejecútela.

Muchos circuitos eléctricos en realidad están conectados a la Tierra (el planeta, sí) o algo que es muy "grande" (puede absorber una cantidad significativa de carga sin cambiar su potencial). Hay muchas razones para hacer esto, pero ninguna de ellas está directamente relacionada con su pregunta. Cuando existe tal conexión, por lo general es el potencial más conveniente para ser tomado como cero. Esta referencia se llama "tierra". Sin embargo, como ya sabes, es solo una cuestión de conveniencia. Podría decir que el suelo tiene un potencial de 100 y calcular todos los demás potenciales del sistema en relación con él. En los circuitos que no están conectados a tierra o similar, la tierra cero generalmente se toma como el potencial más negativo; este enfoque garantiza que solo tendrá que trabajar con potenciales no negativos. Si bien es conveniente, no es una cosa importante.

Cerrando el ciclo:

Si alguien realmente leyó hasta aquí, estoy realmente impresionado y es un gran honor para mí. Estoy seguro de que toda la información anterior no puede asentarse en la cabeza de un humano (normal) después de haberla leído una vez. Lo importante es que recordará las dos oraciones en negrita y sabrá cómo pasar de la primera a la segunda. Creo que serás un poco más ingeniero si sabes hacer esto.

Cada término abstracto en ingeniería se puede explicar en términos de cargas eléctricas y su movimiento: el potencial, el voltaje, la resistencia, la capacitancia, la inductancia, los semiconductores, etc. Sin embargo, los ingenieros deben hacer un trabajo real, y si quieres para ser productivo debe trabajar al más alto nivel de abstracción disponible para su tarea.

Respuesta de ingeniería:

Los potenciales reales no son importantes, solo las diferencias (voltajes) lo son. Puede poner su LED en un circuito con potenciales negativos y funcionará (siempre que tenga el voltaje adecuado y la polaridad del voltaje sea la correcta).

La pregunta sobre el circuito con resistencias es engañosa. La parte complicada es la fuente de voltaje: estos bastardos a veces están conectados internamente a tierra. Supongamos que su fuente de voltaje es flotante, es decir, no está conectada a tierra (una batería, por ejemplo). En este caso, para comprender lo que sucederá en su circuito, puede cambiar todos los potenciales en +6. Esto hará que el puerto negativo de la fuente de voltaje tenga un potencial cero, el puerto positivo se convertirá en +12 y la tierra será +6. Si le molesta la noción de +6 voltios en el pin de tierra, borre la etiqueta "GND". Mire su circuito, ahora puede analizarlo fácilmente. Es obvio que la corriente a través de ambos resistores será la misma porque los voltajes a través de ellos son los mismos.

Si desea mantener la etiqueta "GND" y aún sentirse cómodo con el cambio de +6 voltios en los potenciales, considere leer la respuesta completa nuevamente (o por primera vez :))

¡Guau, esto fue mucho más largo de lo que pretendía!

"Tierra" es un término muy mal utilizado en electrónica. Ocasionalmente (principalmente en sistemas de alimentación de CA y algunas antenas de radio) "Tierra" significa una conexión a tierra.

Sin embargo, en la mayoría de los casos (especialmente en los circuitos portátiles que funcionan con baterías), "tierra" es simplemente el punto del circuito que el diseñador decide usar como punto de referencia para medir el voltaje en otras partes del circuito. La mayoría de las veces, esta "tierra" o punto de referencia es la terminal más negativa de la fuente de alimentación, por lo que todos los voltajes en otras partes del circuito son positivos. (Realmente deberíamos usar los términos "Común" o "Referencia" en lugar de "Base", pero supongo que no puedo cambiar un siglo de tradición...)

Si elegimos llamar a la terminal positiva de la fuente de alimentación "Tierra", entonces todos los voltajes en otros lugares serán negativos. No debe haber nada misterioso o confuso acerca de los voltajes negativos.

En muchos circuitos analógicos que usan amplificadores operacionales, llamamos "Tierra" al punto central de la fuente de alimentación, por lo que tiene voltajes tanto positivos como negativos.

En tu esquema, puedes conectar un LED entre +6V y GND, o entre GND y -6V, o incluso entre +6V y -6V, en todos los casos con el cátodo del LED apuntando hacia abajo, y el LED funcionará igual de bien.

El voltaje es un término coloquial para la diferencia de potencial eléctrico . Tenga en cuenta que es una diferencia , no un valor absoluto. Un voltaje negativo no es diferente a un voltaje positivo. Simplemente significa que un potencial eléctrico es menor que algún otro potencial eléctrico que eligió como referencia.

También recuerde que las cargas que fluyen en su circuito no pueden ver "GND" en su esquema o el símbolo que lo representa.

Entonces, ¿qué puedes hacer con -6V? Lo mismo puedes hacer con cualquier otro voltaje: explotarlo para mover carga eléctrica y realizar trabajo eléctrico. La única diferencia que tiene hacer que el voltaje sea negativo es que las cargas se moverán en la dirección opuesta a como lo harían si el voltaje fuera positivo.

Lectura adicional: ¿Es el voltaje un delta? ¿Se puede tratar siempre como una diferencia de potencial desde un punto de referencia?