¿Qué es exactamente el voltaje?

Tu profesor tenía razón.

La corriente son cargas eléctricas (generalmente electrones) en movimiento. No lo hacen solos sin razón, no más de lo que un carrito de compras se mueve solo por el piso de una tienda. En física, llamamos a la fuerza que empuja las cargas la fuerza electromotriz , o "EMF". Casi siempre se expresa en unidades de voltios, por lo que generalmente tomamos un pequeño atajo y decimos "voltaje" la mayor parte del tiempo. Técnicamente, EMF es la cantidad física y los voltios son una unidad en la que se puede cuantificar.

EMF se puede generar de varias maneras:

1. Electromagnético. Cuando un conductor (como un cable) se mueve lateralmente a través de un campo magnético, se generará un voltaje a lo largo del cable. Los generadores eléctricos como en las centrales eléctricas y el alternador de su automóvil funcionan según este principio.

2. Electroquímico. Una reacción química puede causar una diferencia de voltaje. Las baterías funcionan según este principio.

3. Fotovoltaica. Haz chocar fotones en un diodo semiconductor en el lugar correcto y obtienes un voltaje. Así funcionan las células solares.

4. Electrostático. Frote dos del tipo correcto de materiales juntos y uno arroja electrones sobre el otro. Dos materiales que exhiben bien este fenómeno son un peine de plástico y un gato. Esto es lo que sucede cuando arrastras los pies por el tipo correcto de alfombra y luego recibes un golpe cuando tocas un objeto de metal. Frotar un globo contra tu camisa hace esto, lo que luego permite que el globo se "pegue" a otra cosa. En ese caso, el EMF no puede hacer que los electrones se muevan, pero aun así los atrae, lo que a su vez atrae el globo en el que están atrapados.

   Este efecto se puede escalar para hacer variar los altos voltajes y es la base del funcionamiento de los generadores Van de Graaff .

5. Termo-eléctrico. Un gradiente de temperatura a lo largo de la mayoría de los conductores provoca un voltaje. Esto se llama el efecto Siebeck . Desafortunadamente, no puede aprovechar eso porque para usar este voltaje eventualmente hay un circuito cerrado. Cualquier voltaje obtenido por un aumento de temperatura en una parte del bucle se compensa con una disminución de temperatura en otra parte del bucle. El truco consiste en utilizar dos materiales diferentes que exhiban un voltaje diferente como resultado del mismo gradiente de temperatura (coeficiente de Siebeck diferente). Use un material que sale a una fuente de calor y otro que regresa, y obtiene un voltaje neto que puede usar a la misma temperatura.

   El voltaje total que obtiene de uno hacia afuera y hacia atrás, incluso con una diferencia de temperatura alta, es bastante pequeño. Al juntar muchas de estas combinaciones de ida y vuelta, puede obtener un voltaje útil. Una sola salida y vuelta se llama termopar y se puede usar para detectar la temperatura. Muchos juntos es un generador de termopar. Sí, esos realmente existen. Ha habido naves espaciales alimentadas con este principio cuya fuente de calor proviene de la descomposición de un radioisótopo.

6. termoiónico . Si calienta algo lo suficientemente alto (cientos de °C), los electrones en su superficie se mueven tan rápido que a veces salen volando. Si tienen un lugar para aterrizar que es más frío (para que no vuelvan a volar desde allí), tienes un generador termoiónico. Esto puede sonar descabellado, pero también ha habido naves espaciales impulsadas por este principio con la fuente de calor nuevamente siendo la descomposición de radioisótopos.

   Los tubos de electrones usan este principio en parte. En lugar de calentar algo para que los electrones vuelen solos, puedes calentarlo hasta casi ese punto para que vuelen cuando se aplica un poco de voltaje adicional. Esta es la base del diodo del tubo de vacío y es importante para la mayoría de los tubos de vacío. Es por eso que estos tubos tenían calentadores y podías verlos brillar. Se necesitan temperaturas brillantes para llegar a donde el efecto termoiónico es significativo.

7. Piezoeléctrico. Ciertos materiales (el cristal de cuarzo, por ejemplo) generan un voltaje cuando los aprietas. Algunos micrófonos funcionan según este principio. Las ondas de presión variables en el aire que llamamos sonido aplastan y aplastan alternativamente un cristal de cuarzo, lo que hace que se produzcan pequeñas ondas de voltaje como resultado. Podemos amplificarlos para eventualmente hacer señales que puedas grabar, manejar altavoces para que puedas escucharlos, etc.

   Este principio también se utiliza en muchos encendedores de parrillas de barbacoa. Un mecanismo de resorte golpea un cristal de cuarzo con bastante fuerza para que genere suficiente voltaje para provocar una chispa.

Usando una analogía de fluidos, el voltaje es presión, la corriente es caudal.

"Voltaje" es una cantidad derivada. Es difícil entender su significado físico sin entender las cantidades de las que se deriva.

Todo comienza con la fuerza entre dos cargas puntuales. Que las cargas de los puntos$P_1$y$P_2$ser$q_1$y$q_2$. Sea la distancia entre ellos$r$. El teorema fundamental dice que la fuerza entre estas dos cargas es proporcional a la cantidad de cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. Es decir:

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

Deje la ubicación y el cargo de$P_1$ser arreglado Ahora la fuerza depende de la ubicación y la carga de$P_2$. Entonces definimos un campo vectorial llamado "Campo electrostático". La dirección del campo vectorial es la misma que la dirección del campo de la fuerza entre$P_1$y$P_2$cuándo$q_2$es carga unitaria positiva. Y la magnitud del campo es la fuerza por carga$q_1$cuándo$q_2$es la unidad de carga positiva. Es decir:

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Hacemos$q_1$acercamiento a cero para despreciar algunos otros efectos electromagnéticos; no dejes que te confunda tanto. Es algo así como "un aura que es capaz de generar alguna fuerza por unidad de carga eléctrica". Su dirección es la misma que la dirección de la fuerza que genera, y su magnitud es proporcional a la magnitud de la fuerza.

Ahora llegamos a ver que estas cantidades que definimos son muy similares a algunas otras cantidades físicas que conocemos. Por ejemplo, la fuerza de arriba es muy similar a la fuerza entre la Tierra y un objeto espacial, como la Luna. Y el$\bar{E}$El campo es muy similar al campo gravitatorio de la Tierra.

Entonces surge la idea de definir un potencial eléctrico que es similar al potencial de un objeto espacial con respecto a la Tierra. El potencial de un punto en el espacio alrededor de la Tierra es energía por unidad de masa para traer un objeto (que tiene una unidad de masa) desde el infinito hasta ese punto. Cuando lo definimos en Electrostática, el potencial del punto$P_2$se convierte en:

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Entonces, la diferencia de potencial entre dos puntos independientes ($P_2$y$P_3$) en el espacio dentro del$\bar{E}$campo (causado por$q_1$) es:

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Tenga en cuenta que el campo eléctrico no tiene rotaciones, lo que significa que siempre se puede representar como un gradiente de un campo escalar ($\bar{E} = - \bar{\nabla} V$). Estas integrales de línea son independientes de la trayectoria.

Entonces, esta es la definición del campo potencial. Un punto siempre tendrá un potencial incluso si no tiene carga. Piénselo como "la energía necesaria para llevar una unidad de carga desde el infinito". La diferencia de potencial entre dos puntos es similar; es la energía necesaria para transportar una unidad de carga de un punto a otro. O piénselo en un ejemplo más concreto como para los cuerpos celestes. La diferencia de potencial entre 100 km de altura y 200 km de altura sobre la superficie de la Tierra no es más que diferencias de energía potencial entre dos objetos de 1 kg a las alturas dadas.

Cuando llegamos al mundo real, el potencial de un punto es uno de todos los potenciales individuales causados ​​por las cargas que lo rodean (se aplica la teoría de la superposición).

Aparece un voltaje cada vez que hay un desequilibrio de carga eléctrica (es decir, electrones). Dado que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, cualquier conjunto de partículas cargadas eléctricamente crea algún tipo de fuerza entre sí. Si hay un desequilibrio de negativo a positivo, se forma una especie de "presión" o "empuje". En los materiales conductores, los electrones pueden fluir libremente a través del material, en lugar de estar fijos en los átomos, y por lo tanto fluirán hasta el punto de menor "presión".

Algunas consideraciones complicadas:

• La electricidad y la química están estrechamente relacionadas. En una batería, por ejemplo, un desequilibrio químico crea un desequilibrio eléctrico (voltaje) entre los terminales, forzando a las partículas cargadas a un lado. La química también afecta las condiciones eléctricas de otras maneras.
• La corriente (I) es el flujo de electrones, sin embargo, los electrones (ya que son negativos) fluyen en la dirección opuesta a la "corriente". La corriente es entonces el flujo conceptual de carga positiva, aunque el flujo real sea negativo, pero en la otra dirección. Esto demuestra que un "empuje" negativo es exactamente lo mismo que un "tirón" positivo.

Una definición que he escuchado es:

El voltaje es el potencial (de carga) para realizar un trabajo.

En otras palabras, el voltaje es la energía dada a una unidad de carga, es decir,$V = {dE \over dQ}$, dónde$E$es energía y$Q$es cargo.

La respuesta rápida, primera aproximación, regla de oro: el voltaje es presión eléctrica.

Pero ampliando eso: el voltaje no es como la presión, no exactamente. En cambio, es un concepto matemático/físico llamado "potenciales". El voltaje es más como la altitud en un campo de gravedad, donde cada electrón o protón es como una roca. La altitud no es presión, peso o fuerza. Si una roca está en la cima de una colina, la roca está en una ubicación de alto potencial. Esto significa que la roca está almacenando energía potencial (PE) y liberará esta energía como energía cinética (KE) si se le permite moverse cuesta abajo (mover a una ubicación de bajo potencial). Levantada al mismo voltaje (altitud) rocas más grandes tendría mayor PE.

Más preciso: el voltaje es el potencial eléctrico. No es fuerza (no es como la fuerza hacia abajo o el peso de la roca, ni es como la cantidad de fuerza sobre una carga eléctrica en un campo eléctrico). Además, el voltaje no es energía potencial, ya que si quitamos la roca, entonces la gravedad, la altitud y el potencial todavía existen. Los potenciales son parte del campo mismo. Los patrones de voltaje pueden colgar en el espacio vacío.

El voltaje es una forma de describir/visualizar/medir campos eléctricos.

Para describir los campos electrónicos, podemos dibujar líneas de flujo entre cargas eléctricas opuestas. O en su lugar, podemos dibujar el patrón de voltaje, las superficies de isopotencial, dibujándolas perpendiculares a las líneas de flujo. Dondequiera que encontremos algunas líneas eléctricas de fuerza, también encontraremos voltaje.

¿Qué no es voltaje?¿Cuáles son los conceptos erróneos típicos? Aquí hay uno grande: "el voltaje es un tipo de energía potencial". No, mal. En cambio, el voltaje es el concepto matemático "Potenciales", que no son energía, ni son "potenciales para hacer algo". Aquí hay otro error: "el voltaje es la energía potencial por unidad de carga". No, mal. Esa es solo la definición física de la unidad Volt, vinculándola con las unidades Joule y Coulomb. En realidad, es al revés: ¡la cantidad de energía (cantidad de trabajo realizado al mover una carga a través de una cierta diferencia de voltaje) se encuentra multiplicando la carga por el cambio de voltaje! ¡La energía eléctrica está determinada por el voltaje! Pero el voltaje en sí mismo no necesita carga en movimiento ni energía potencial almacenada, ya que el voltaje es una forma de describir un campo en el espacio vacío. Las cargas de prueba utilizadas para describir el voltaje son cargas infinitesimales imaginarias. Otro error: "aparece voltaje en la superficie de los cables". Incorrecto, el voltaje en realidad se extiende al espacio alrededor de los cables. A mitad de camino entre los terminales de su batería de 9V, encontrará un potencial de 4.5V, ¡colgando solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que requiere un voltímetro con Z(inp) infinito, o al menos unos pocos cientos de gigaohmios. Los voltímetros DMM normales de 10Meg consumen una corriente significativa, cortarán cualquier campo electrónico puro, por lo que deben tocarse las superficies del conductor para medir el voltaje. ¡Potencial de 5V, colgado solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que requiere un voltímetro con Z(inp) infinito, o al menos unos pocos cientos de gigaohmios. Los voltímetros DMM normales de 10Meg consumen una corriente significativa, cortarán cualquier campo electrónico puro, por lo que deben tocarse las superficies del conductor para medir el voltaje. ¡Potencial de 5V, colgado solo en un espacio vacío! Pero los voltímetros típicos no detectarán el voltaje espacial, ya que requiere un voltímetro con Z(inp) infinito, o al menos unos pocos cientos de gigaohmios. Los voltímetros DMM normales de 10Meg consumen una corriente significativa, cortarán cualquier campo electrónico puro, por lo que deben tocarse las superficies del conductor para medir el voltaje.

¿Qué es el voltaje? Es una pila de membranas invisibles que llenan el espacio entre las placas de condensadores cargados. El voltaje es el patrón de capas de cebolla concéntricas que rodean cualquier objeto cargado, con las capas de cebolla corriendo perpendiculares a las líneas de flujo del campo eléctrico. Entonces, 'pilas de capas de voltaje' es una forma de describir un campo eléctrico. La otra forma más familiar es usar 'líneas de fuerza'.

En realidad no podemos.

La fuerza electrostática es proporcional al gradiente de potencial, pero no directamente al potencial. La fuerza sobre un culombio de carga es proporcional al gradiente de potencial:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

En realidad, 1 V significa que si tiene 1 julio de energía eléctrica, se transferirá a energía mecánica con una carga de +1 culombio [por lo que acelerará o aumentará su 1/2 mV^2 en 1 J]. En realidad es análogo a la energía.

Agregando a lo que dijo Gunnish:

El voltaje en el punto A es literalmente una medida del trabajo que gastaría si empujara una carga positiva de 0 V (generalmente definida como infinitamente lejos de A o tierra) a A.

El voltaje es importante en la electrónica porque si comenzamos con una carga positiva en el punto A, puede HACER la misma cantidad de trabajo para llegar a 0V (por ejemplo, encender un LED en el proceso).

Lo que está impulsando las elecciones es una diferencia en la energía potencial, muy similar a la forma en que la gravedad te empuja/tira hacia la tierra. Esto genera una probabilidad favorable para que los electrones se muevan de un lado a otro, esto también explica en parte por qué los electrones se mueven "al azar" en un alambre.