Voltaje y corriente

Como se mencionó anteriormente, necesitamos algo más que 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 actúa en la electricidad estática:la fuerza producida por un desequilibrio de carga eléctrica. Si tomamos los ejemplos de cera y lana que se han frotado juntas, 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 de atracción entre los dos objetos:

Si se coloca un cable conductor entre la cera cargada y la lana, los electrones fluirán a través de él, ya que algunos de los electrones en exceso de la cera se precipitan a través del cable para regresar a la lana, llenando la deficiencia de electrones allí:

El desequilibrio de electrones entre los átomos de la cera y los átomos de la lana crea una fuerza entre los dos materiales. Sin un camino para que los electrones fluyan desde 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 alambre, 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 que se forma entre estos dos materiales al frotarlos sirve para almacenar una cierta cantidad de energía. Esta energía no es diferente de la energía almacenada en un depósito alto de agua que ha sido bombeado desde un estanque de nivel inferior:

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

Se necesita energía para bombear el agua del estanque de bajo nivel al 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 que se almacenará más energía y se liberará más energía si se permite que el agua fluya a través de una tubería hacia abajo nuevamente:

Los electrones no son muy diferentes. Si frotamos cera y lana juntos, "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 el equilibrio dentro de su átomos respectivos). La fuerza que atrae a los electrones a sus posiciones originales alrededor de los núcleos positivos de sus átomos es análoga a la fuerza que ejerce la gravedad sobre el agua en el depósito, tratando de llevarla a su nivel anterior. Así como el bombeo de agua a un nivel más alto da como resultado el almacenamiento de energía, el "bombeo" de electrones para crear un desequilibrio de carga eléctrica da como resultado que se almacene una cierta cantidad de energía en ese desequilibrio. Y, así como proporcionar una vía para que el agua fluya hacia abajo desde las alturas del depósito da como resultado una liberación de esa energía almacenada, proporcionar una forma para que los electrones regresen a sus "niveles" originales da como resultado una liberación de energía almacenada. Cuando los portadores de carga están en esa condición estática (como el agua quieta, en lo alto de un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial , porque tiene la posibilidad (potencial) de lanzamiento que aún no se ha realizado por completo.

Comprensión del concepto de voltaje

Cuando los portadores de carga están en esa condición estática (como el agua quieta, en lo alto de un depósito), la energía almacenada allí se llama energía potencial, porque tiene la posibilidad (potencial) de liberación que aún no se ha realizado por completo. 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 raspar los pies almacena energía en forma de un desequilibrio de cargas forzadas a salir de sus ubicaciones originales. Esta carga (electricidad estática) es estacionaria y no se dará cuenta de que se está almacenando energía en absoluto. Sin embargo, una vez que coloques tu mano contra un pomo de metal (con mucha movilidad de electrones para neutralizar tu carga eléctrica), esa energía almacenada se liberará en forma de un flujo repentino de carga a través de tu mano, y la percibirás como un ¡descarga eléctrica! Esta energía potencial, almacenada en forma de desequilibrio de carga eléctrica y capaz de provocar que los portadores de carga fluyan a través de un conductor, se puede expresar como un término llamado voltaje, que técnicamente es una medida de energía potencial por unidad de carga o algo que un físico haría. llamar 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 por hacer) por unidad de carga, para mover cargas a través de un conductor, porque 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 a ella entre dos puntos. Considere la analogía del depósito de agua:

Debido a la diferencia en la altura de la caída, existe la posibilidad de que se libere mucha más energía desde el depósito a través de la tubería hacia la ubicación 2 que hacia la ubicación 1. El principio se puede entender intuitivamente al dejar caer una roca:lo que da como resultado una mayor impacto violento, una roca caída desde una altura de un pie, o la misma roca caída desde una altura de una milla? Evidentemente, la caída de mayor altura produce una mayor liberación de energía (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 severidad del impacto de una roca que cae simplemente conociendo el peso de la roca:en ambos casos también debemos considerar cómo 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 de inicio y finalización. 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 que potencialmente "cae" de una altura a otra es un modelo tan adecuado que el voltaje entre dos puntos a veces se denomina caída de voltaje .

Generando voltaje

El voltaje se puede generar por medios distintos al frotamiento de 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 las que se puede producir voltaje. Ejemplos respectivos de estas tres fuentes de voltaje son baterías, celdas solares y generadores (como la unidad de “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 entendamos cómo se pueden aplicar las fuentes de voltaje para crear un flujo de carga en un circuito eléctrico. Tomemos el símbolo de una batería química y construyamos un circuito paso a paso:

¿Cómo funcionan las fuentes de voltaje?

Cualquier fuente de voltaje, incluidas las baterías, tiene dos puntos de 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 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 una 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 extremo con el guión más corto, y el extremo positivo (+) de la batería es siempre el extremo con el guión más largo. El extremo positivo de una batería es el que intenta expulsar a los portadores de carga (recuerde que por convención pensamos en los portadores de carga como con carga positiva, aunque los electrones tengan carga negativa). Asimismo, el extremo negativo es el que intenta atraer a los portadores de carga. Si los extremos "+" y "-" de la batería no están conectados a nada, habrá voltaje entre esos dos puntos, pero no habrá flujo de carga a través de la batería porque no hay un camino continuo a través del cual los portadores de carga puedan moverse.

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

Comprensión del concepto de corriente eléctrica

Mientras la batería continúe produciendo voltaje y la continuidad de la ruta eléctrica no se interrumpa, 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 denomina corriente continua , o DC. 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 AC. 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 de adelante, al igual que las canicas a través de un tubo o el agua a través de una tubería, la cantidad de flujo a través de 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 bucle y el voltaje total producido por la batería se manifestará a través de la rotura, entre los extremos del cable que solían estar conectados:

¿Cuál es la polaridad de una caída de voltaje?

Observe los signos "+" y "-" dibujados en los extremos de la ruptura en el circuito, y cómo se corresponden con los signos "+" y "-" junto a los terminales de la batería. Estos marcadores indican la dirección en la que el voltaje intenta empujar 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 como referencia:

Con la continuidad del circuito rota entre los puntos 2 y 3, la polaridad de la caída de voltaje 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 impulsar la corriente a través del bucle en el sentido de las agujas del reloj de 1 a 2 a 3 a 4 y de nuevo a 1. Ahora veamos qué sucede si conectamos los puntos 2 y 3 nuevamente, pero colocamos una ruptura en el circuito entre los puntos 3 y 4:

Con la ruptura entre 3 y 4, la polaridad de la caída de voltaje entre esos dos puntos es “-” para 4 y “+” para 3. Note especialmente el hecho de que el “signo” del punto 3 es opuesto al del 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, ¡sino que siempre es relativa entre dos puntos!

REVISAR:

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

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de voltaje, corriente y resistencia