¿El voltaje es un delta? ¿Se puede tratar siempre como una diferencia de potencial desde un punto de referencia?

Siempre estás usando/midiendo la diferencia de potencial entre dos puntos.

No hay un cero absoluto en el voltaje (como lo hay con la temperatura), aunque es una práctica común definir la tierra como 0V. Esto no es absolutamente necesario, puede usar cualquier potencial como referencia.

En la práctica, el voltaje es una medida de la diferencia entre dos puntos. Solo puedes pensar en ello de esta manera y ser un muy buen ingeniero. Medir la diferencia entre dos puntos es fácil con un voltímetro, como sin duda sabrás. Esto que está midiendo generalmente se llama voltaje , pero es más apropiado llamarlo diferencia de potencial eléctrico .

Pero, hay una cosa que se puede medir en voltios que se define en un solo punto, y ese es el potencial de campo eléctrico . Para entenderlo, debe salir del campo de la ingeniería e ingresar al campo de la física (sin juego de palabras).

Digamos que tienes un electrón (carga negativa) y un protón (carga positiva). Naturalmente, estos dos se atraerán y (hasta donde yo lo entiendo; ¡no soy físico!) esto es lo que mantiene a los electrones pegados a sus núcleos atómicos.

Pero, si puedes separar a estos dos, obtienes un campo entre ellos. Podrías visualizarlo así:

( fuente de la imagen )

Estas líneas representan la fuerza (en nuestro caso, la fuerza electromotriz ) que experimentaría una carga si estuviera en este campo. Es decir, si fueras una carga infinitesimalmente pequeña en esa imagen, sentirías una fuerza empujándote en la dirección de las flechas. Puedes pensar en el protón como arrojando un fluido invisible y el electrón succionándolo. Este fluido invisible actúa sobre otras cargas como el viento.

Aquí hay otra forma de visualizar el mismo campo. El protón es una montaña y el electrón es un valle:

( fuente de la imagen )

Si eres una pelota en este campo, la gravedad trabajará contigo y rodarás cuesta abajo. Excepto que este no es un campo de gravedad, por lo que nuestra "bola" está hecha de "carga", no de masa. Por supuesto, si agrega algún cargo a esta imagen, el campo cambia. Esto también es cierto para los campos de gravedad, excepto que la Tierra es mucho más masiva que la bola que imaginas que su efecto es insignificante. Entonces, imagina que tu bola de carga rodando en este campo es infinitesimal.

Ahora, una cosa que notará sobre este campo: a medida que lo extendemos hasta el infinito, se vuelve plano. El potencial de campo eléctrico en este lugar infinitamente distante es$0V$, por definición.

Si queremos poner una pelota en la montaña desde una distancia infinita, tendremos que trabajar . ¿Cuánto cuesta? Bueno, depende de dos cosas: qué tan alto queremos empujarlo y qué tan grande es la pelota. Una pelota grande requiere más trabajo. Empujarlo más alto requiere más trabajo.

Una forma de definir el voltio es joules (energía, trabajo) por culombio (carga):

Así que puedes pensarlo de esta manera: si tuvieras una bola de carga de 1 coulomb grande, e hicieras 1 joule de trabajo empujándola cuesta arriba, tienes un voltio de alto. O, si tiene una bola de carga de 1 coulomb, y la deja rodar cuesta abajo hacia el electrón, y la detiene después de que se haya realizado 1 joule de trabajo, está a -1 volt. Si tu pelota tenía 2 culombios de tamaño, entonces el trabajo se duplica, pero sigue siendo solo 1 voltio.

Por lo tanto, puede elegir cualquier punto en este campo y obtener su potencial eléctrico. Es cuánto trabajo se podría hacer, o se ha hecho, por unidad de carga, llegando allí desde una distancia infinita. Con nuestra analogía de la colina y el valle, el potencial eléctrico es análogo a la elevación.

Cuando clavas tus sondas en dos puntos, estás haciendo la pregunta:

Si dejo que una bola de carga de 1 culombio ruede entre estos puntos, ¿cuántos joules de trabajo se realizarán sobre ella?

Por supuesto, no podemos alejarnos infinitamente de todas las cargas del universo, por lo que no podemos medir el potencial del campo eléctrico directamente con un multímetro. Sólo podemos medir la diferencia de potencial eléctrico. Pero podemos calcular el potencial del campo eléctrico si sabemos dónde están las cargas en un sistema.

Dado que no estamos infinitamente lejos de todas las cargas del universo, necesariamente hay algún potencial de campo eléctrico en todas partes. Pero, no podemos trabajar solo con potencial; necesitamos una diferencia . No puedes hacer ningún trabajo con una pelota en una montaña a menos que puedas rodarla.

De acuerdo con las primeras tres oraciones en la entrada de Wikipedia para Volt:

Un solo voltio se define como la diferencia de potencial eléctrico a través de un cable cuando una corriente eléctrica de un amperio disipa un vatio de potencia. También es igual a la diferencia de potencial entre dos planos infinitos paralelos separados por 1 metro que crean un campo eléctrico de 1 newton por coulomb. Además, es la diferencia de potencial entre dos puntos lo que impartirá un joule de energía por culombio de carga que lo atraviese.

3 oraciones 3 veces se usa la palabra "diferencia".

Correcto. El voltaje es una medida de la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.