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La fisica y quimica

Voltaje y corriente

 

Como se mencionó anteriormente, necesitamos más que solo una ruta continua (es decir, un circuito) antes de que ocurra un flujo continuo de carga: también necesitamos algunos medios para empujar estos portadores de carga alrededor del circuito. Al igual que las canicas en un tubo o el agua en una tubería, se necesita algún tipo de fuerza de influencia para iniciar el flujo. Con los electrones, esta fuerza es la misma fuerza que funciona en la electricidad estática: la fuerza producida por un desequilibrio de la carga eléctrica. Si tomamos los ejemplos de cera y lana que se han frotado, encontramos que el exceso de electrones en la cera (carga negativa) y el déficit de electrones en la lana (carga positiva) crea un desequilibrio de carga entre ellos. Este desequilibrio se manifiesta como una fuerza atractiva entre los dos objetos:

 

wax wool pos neg attraction

 

Si se coloca un cable conductor entre la cera cargada y la lana, los electrones fluirán a través de él, ya que parte del exceso de electrones en la cera atraviesa el cable para volver a la lana, llenando la deficiencia de electrones allí: [ 19459002]
 

wax wool pos neg flow

 

El desequilibrio de electrones entre los átomos en la cera y los átomos en la lana crea una fuerza entre los dos materiales. Sin un camino para que los electrones fluyan de la cera a la lana, todo lo que esta fuerza puede hacer es atraer los dos objetos juntos. Sin embargo, ahora que un conductor cierra la brecha aislante, la fuerza provocará que los electrones fluyan en una dirección uniforme a través del cable, aunque solo sea momentáneamente, hasta que la carga en esa área se neutralice y la fuerza entre la cera y la lana disminuya. La carga eléctrica formada entre estos dos materiales al frotarlos juntos sirve para almacenar una cierta cantidad de energía. Esta energía no es diferente a la energía almacenada en un depósito de agua alto que ha sido bombeado desde un estanque de nivel inferior:

 

energy stored water pump

 

La influencia de la gravedad sobre el agua en el depósito crea una fuerza que intenta mover el agua hacia el nivel inferior nuevamente. Si se pasa una tubería adecuada desde el depósito hasta el estanque, el agua fluirá bajo la influencia de la gravedad hacia abajo desde el depósito, a través de la tubería:

 

energy released water

 

Se necesita energía para bombear esa agua desde el estanque de bajo nivel hasta el depósito de alto nivel, y el movimiento del agua a través de la tubería hasta su nivel original constituye una liberación de energía almacenada del bombeo anterior. Si el agua se bombea a un nivel aún más alto, se necesitará aún más energía para hacerlo, por lo tanto, se almacenará más energía y se liberará más energía si se permite que el agua fluya a través de una tubería nuevamente:

 

more energy stored water

 

Los electrones no son muy diferentes. Si frotamos cera y lana juntas, “bombeamos” electrones lejos de sus “niveles” normales, creando una condición en la que existe una fuerza entre la cera y la lana, ya que los electrones buscan restablecer sus posiciones anteriores (y equilibrarse dentro de sus átomos respectivos). La fuerza que atrae a los electrones de vuelta a sus posiciones originales alrededor de los núcleos positivos de sus átomos es análoga a la fuerza que la gravedad ejerce sobre el agua en el depósito, tratando de bajarlo a su nivel anterior. De la misma manera que el bombeo de agua a un nivel superior provoca el almacenamiento de energía, el “bombeo” de electrones para crear un desequilibrio de carga eléctrica provoca que se almacene cierta cantidad de energía en ese desequilibrio. Y, al igual que proporcionar una forma de que el agua fluya hacia abajo desde las alturas del reservorio da como resultado una liberación de esa energía almacenada, al proporcionar una forma para que los electrones fluyan de regreso a sus “niveles” originales resulta en una liberación de energía almacenada. Cuando los portadores de carga están preparados en esa condición estática (al igual que el agua que se queda quieta, alta en un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial , porque tiene la posibilidad (potencial) de liberación que tiene No se ha realizado completamente todavía.

 

Comprensión del concepto de voltaje

 

Cuando los portadores de carga están preparados en esa condición estática (al igual que el agua que se queda quieta, alta en un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial, porque tiene la posibilidad (potencial) de liberación que no ha sido completamente se dio cuenta todavía. Cuando raspa sus zapatos con suela de goma contra una alfombra de tela en un día seco, crea un desequilibrio de carga eléctrica entre usted y la alfombra. La acción de rascar los pies almacena energía en forma de un desequilibrio de cargas forzadas desde sus ubicaciones originales. Esta carga (electricidad estática) es estacionaria, y no te darás cuenta de que la energía se está almacenando en absoluto. Sin embargo, una vez que coloque su mano contra un pomo metálico (con mucha movilidad de electrones para neutralizar su carga eléctrica), esa energía almacenada se liberará en forma de un flujo repentino de carga a través de su mano, y la percibirá como un ¡descarga eléctrica! Esta energía potencial, almacenada en forma de un desequilibrio de carga eléctrica y capaz de provocar que los portadores de carga fluyan a través de un conductor, puede expresarse como un término llamado voltaje, que técnicamente es una medida de energía potencial por unidad de carga o algo que un físico haría llame a la energía potencial específica.

 

La definición de voltaje

 

Definido en el contexto de la electricidad estática, el voltaje es la medida del trabajo requerido para mover una unidad de carga de un lugar a otro, contra la fuerza que intenta mantener equilibradas las cargas eléctricas. En el contexto de las fuentes de energía eléctrica, el voltaje es la cantidad de energía potencial disponible (trabajo a realizar) por unidad de carga, para mover las cargas a través de un conductor. Debido a que el voltaje es una expresión de energía potencial, que representa la posibilidad o potencial de liberación de energía A medida que la carga se mueve de un “nivel” a otro, siempre se hace referencia entre dos puntos. Considere la analogía del depósito de agua:

 

energy drop location

 

Debido a la diferencia en la altura de la caída, existe la posibilidad de que se libere mucha más energía del depósito a través de la tubería a la ubicación 2 que a la ubicación 1. El principio se puede entender intuitivamente al dejar caer una roca: lo que resulta En un impacto más violento, una roca cayó desde una altura de un pie, o la misma roca cayó desde una altura de una milla? Obviamente, la caída de mayor altura resulta en una mayor energía liberada (un impacto más violento). No podemos evaluar la cantidad de energía almacenada en un depósito de agua simplemente midiendo el volumen de agua más de lo que podemos predecir la gravedad del impacto de una roca que cae simplemente conociendo el peso de la roca: en ambos casos también debemos considerar cómo [ 19459008] lejos estas masas caerán desde su altura inicial. La cantidad de energía liberada al permitir que una masa caiga es relativa a la distancia entre sus puntos inicial y final. Asimismo, la energía potencial disponible para mover los portadores de carga de un punto a otro es relativa a esos dos puntos. Por lo tanto, el voltaje siempre se expresa como una cantidad entre dos puntos. Curiosamente, la analogía de una masa potencialmente “cayendo” de una altura a otra es un modelo tan adecuado que el voltaje entre dos puntos a veces se denomina caída de voltaje .

 

Generación de voltaje

 

El voltaje puede generarse por otros medios que no sean frotar ciertos tipos de materiales entre sí. Las reacciones químicas, la energía radiante y la influencia del magnetismo en los conductores son algunas de las formas en que se puede producir voltaje. Ejemplos respectivos de estas tres fuentes de voltaje son las baterías , las células solares y los generadores (como la unidad del “alternador” debajo del capó de su automóvil). Por ahora, no entraremos en detalles sobre cómo funciona cada una de estas fuentes de voltaje; lo más importante es que comprendamos cómo se pueden aplicar las fuentes de voltaje para crear flujo de carga en un circuito eléctrico. Tomemos el símbolo de una batería química y construyamos un circuito paso a paso:

 

battery voltage example

 

¿Cómo funcionan las fuentes de voltaje?

 

Cualquier fuente de voltaje, incluidas las baterías, tiene dos puntos para el contacto eléctrico. En este caso, tenemos el punto 1 y el punto 2 en el diagrama anterior. Las líneas horizontales de longitud variable indican que se trata de una batería, y además indican la dirección en la que el voltaje de esta batería intentará empujar a los portadores de carga a través de un circuito. El hecho de que las líneas horizontales en el símbolo de la batería aparezcan separadas (y, por lo tanto, no puedan servir como ruta para el flujo de carga) no es motivo de preocupación: en la vida real, esas líneas horizontales representan placas metálicas sumergidas en un material líquido o semisólido. que no solo conduce cargas sino que también genera el voltaje para impulsarlas al interactuar con las placas. Observe los pequeños signos “+” y “-” a la izquierda inmediata del símbolo de la batería. El extremo negativo (-) de la batería es siempre el final con el guión más corto, y el extremo positivo (+) de la batería es siempre el final con el guión más largo. El extremo positivo de una batería es el extremo que intenta expulsar a los portadores de carga (recuerde que, por convención, pensamos en los portadores de carga como cargados positivamente, aunque los electrones estén cargados negativamente). Del mismo modo, el final negativo es el final que intenta atraer a los portadores de carga. Con los extremos “+” y “-” de la batería no conectados a nada, habrá voltaje entre esos dos puntos, pero no habrá flujo de carga a través de la batería porque no hay una ruta continua a través de la cual los portadores de carga puedan moverse.

 

water analog vs battery

 

El mismo principio es válido para el depósito de agua y la analogía de la bomba: sin una tubería de retorno de regreso al estanque, la energía almacenada en el depósito no puede liberarse en forma de flujo de agua. Una vez que el depósito está completamente lleno, no puede ocurrir flujo, sin importar cuánta presión pueda generar la bomba. Es necesario que haya un camino completo (circuito) para que el agua fluya desde el estanque hasta el depósito, y de regreso al estanque para que ocurra un flujo continuo. Podemos proporcionar ese camino para la batería conectando un trozo de cable de un extremo de la batería al otro. Al formar un circuito con un bucle de cable, iniciaremos un flujo continuo de carga en el sentido de las agujas del reloj:

 

circuit vs energy analog

 

Comprensión del concepto de corriente eléctrica

 

Mientras la batería continúe produciendo voltaje y la continuidad de la ruta eléctrica no se rompa, los portadores de carga continuarán fluyendo en el circuito. Siguiendo la metáfora del agua que se mueve a través de una tubería, este flujo continuo y uniforme de carga a través del circuito se denomina corriente . Mientras la fuente de voltaje siga “empujando” en la misma dirección, los portadores de carga continuarán moviéndose en la misma dirección en el circuito. Este flujo de corriente en una sola dirección se llama Corriente continua , o CC. En el segundo volumen de esta serie de libros, se exploran los circuitos eléctricos donde la dirección de la corriente cambia de un lado a otro: Corriente alterna , o CA. Pero por ahora, solo nos ocuparemos de los circuitos de CC. Debido a que la corriente eléctrica se compone de portadores de carga individuales que fluyen al unísono a través de un conductor moviéndose y empujando los portadores de carga hacia adelante, al igual que las canicas a través de un tubo o el agua a través de una tubería, la cantidad de flujo en un solo circuito será la misma en cualquier punto. Si tuviéramos que monitorear una sección transversal del cable en un solo circuito, contando los portadores de carga que fluyen, notaríamos exactamente la misma cantidad por unidad de tiempo que en cualquier otra parte del circuito, independientemente de la longitud del conductor o del conductor diámetro. Si rompemos la continuidad del circuito en cualquier punto , la corriente eléctrica cesará en todo el circuito, y el voltaje completo producido por la batería se manifestará a través de la ruptura, entre los extremos del cable que solía estar conectado :

 

no flow battery voltage drop

 

¿Cuál es la polaridad de una caída de voltaje?

 

Observe los signos “+” y “-” dibujados en los extremos de la interrupción en el circuito, y cómo se corresponden con los signos “+” y “-” al lado de los terminales de la batería. Estos marcadores indican la dirección en que el voltaje intenta impulsar la corriente, esa dirección potencial comúnmente conocida como polaridad . Recuerde que el voltaje siempre es relativo entre dos puntos. Debido a este hecho, la polaridad de una caída de voltaje también es relativa entre dos puntos: si un punto en un circuito se etiqueta con un “+” o un “-” depende del otro punto al que se hace referencia. Eche un vistazo al siguiente circuito, donde cada esquina del bucle está marcada con un número de referencia:

 

no flow battery break

 

Con la continuidad del circuito interrumpida entre los puntos 2 y 3, la polaridad del voltaje caído entre los puntos 2 y 3 es “+” para el punto 2 y “-” para el punto 3. La polaridad de la batería (1 “+” y 4 “-“) está tratando de empujar la corriente a través del bucle en sentido horario de 1 a 2 a 3 a 4 y volver a 1 nuevamente. Ahora veamos qué sucede si conectamos los puntos 2 y 3 nuevamente, pero colocamos un descanso en el circuito entre los puntos 3 y 4:

 

no flow battery break 2

 

Con la ruptura entre 3 y 4, la polaridad de la caída de voltaje entre esos dos puntos es “-” para 4 y “+” para 3. Tome nota especial del hecho de que el “signo” del punto 3 es opuesto a ese en el primer ejemplo, donde la ruptura fue entre los puntos 2 y 3 (donde el punto 3 fue etiquetado “-“). Es imposible para nosotros decir que el punto 3 en este circuito siempre será “+” o “-”, porque la polaridad, como el voltaje en sí, no es específica de un solo punto, ¡pero siempre es relativa entre dos puntos!

 

REVISIÓN:

 

     

  • Los portadores de carga pueden ser motivados para fluir a través de un conductor por la misma fuerza manifestada en la electricidad estática.
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  • El voltaje es la medida de la energía potencial específica (energía potencial por unidad de carga) entre dos ubicaciones. En términos simples, es la medida de “empuje” disponible para motivar el cargo.
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  • El voltaje, como expresión de energía potencial, siempre es relativo entre dos ubicaciones o puntos. A veces se le llama “caída” de voltaje.
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  • Cuando una fuente de voltaje está conectada a un circuito, el voltaje causará un flujo uniforme de portadores de carga a través de ese circuito llamado corriente .
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  • En un solo circuito (un bucle), la cantidad de corriente en cualquier punto es la misma que la cantidad de corriente en cualquier otro punto.
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  • Si se rompe un circuito que contiene una fuente de voltaje, el voltaje completo de esa fuente aparecerá en los puntos de ruptura.
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  • La orientación +/- de una caída de voltaje se llama polaridad . También es relativo entre dos puntos.
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