¿Por qué no aumenta el voltaje cuando las baterías están conectadas en paralelo?

Question

¿Puedes por favor explicar lo siguiente?

Cuando agregamos una batería en un circuito, emite un campo eléctrico que se mueve a través del circuito y ejerce una fuerza sobre los electrones en el conductor para producir corriente.

Cuando conectamos dos baterías en paralelo en un circuito, los campos eléctricos que salen de ambas baterías se mueven a través del conductor, lo que debería dar más flujo que antes, ya que hay el doble de campos en la misma área. Pero el voltaje no se duplica.

¿Qué he hecho mal aquí?

¿Hay algún aumento de flujo/magnitud de campo eléctrico cuando dos baterías están conectadas en paralelo en un circuito?

Nueva Edición: Creo que tengo tres respuestas muy cercanas. Vamos a pensar en lo que está ocurriendo en el terminal positivo y luego aplicaremos lo mismo a los terminales negativos para hacerlo más fácil de entender.

1. "Porque las baterías fueron originalmente diseñadas para V voltios. Pero al agregar baterías en paralelo se produce una gran cantidad de repulsión en los terminales positivos que es percibida por ambas baterías y reduce la cantidad de carga en cada terminal, lo que también disminuye el voltaje de cada batería. La carga total de ambos terminales positivos es la misma que obtenemos al usar una sola batería."

2. "Pero también hay personas que dicen que depende de la concentración de carga, no de la cantidad de carga."

3. "Otra explicación fue la siguiente: primero asumimos que E es el campo eléctrico liberado por cada batería, la mitad del campo eléctrico (E/2) de un terminal positivo se dirige hacia otro terminal positivo, por lo tanto reduciendo a la mitad su intensidad y la otra mitad del campo (E/2) se mueve en el circuito (no hacia el terminal positivo) para aumentar la intensidad en (E/2), por lo tanto la corriente eléctrica total a través del resistor = E"

Answer 1

tl;dr Las baterías no crean campos eléctricos para mover cargas. Mueven cargas, lo que crea campos eléctricos.

una batería [...] emite cierto campo eléctrico que se mueve a través del circuito y ejerce una fuerza sobre los electrones en el conductor para producir corriente.

Esta descripción es, si no completamente incorrecta, al menos engañosa. Una batería no es una fuente de campo eléctrico, es una fuente de potencial eléctrico. Imagina una batería con terminales en forma de un par de placas conductoras paralelas con un espacio de aire en medio (esto es un capacitor): a medida que mueves las placas entre sí, la intensidad del campo (entre las placas) aumenta, y a medida que las separas, la intensidad del campo disminuye. No hay un límite superior para qué tan fuerte puede ser el campo (bueno, hasta que alcanza el voltaje de ruptura y comienza a arquear), y no hay un límite inferior tampoco: la fuerza del campo no es determinada por la batería. Por lo tanto, la batería en sí no crea directamente un campo eléctrico entre sus terminales.

Además, el campo eléctrico no "se mueve a través" de un circuito; las cargas sí lo hacen. En una configuración DC simple como una batería que impulsa corriente a través de un resistor, todos los campos eléctricos son estables con el tiempo: las cargas se mueven a través del circuito, pero el campo en sí no lo hace. Decir que el campo eléctrico se mueve a través de un circuito es un poco como decir que la gravedad se mueve a través de una montaña rusa. Los campos eléctricos en movimiento entran en juego con circuitos AC y dispositivos con piezas móviles, como motores eléctricos; pero incluso un campo eléctrico no móvil hace que las cargas se muevan a través de un conductor (esto es, después de todo, esencialmente la definición de "conductor").

Entonces, ¿cómo funciona la corriente? Las baterías son una fuente de potencial eléctrico, que se mide en volts. El potencial es una especie de presión y en una batería típica esta presión es causada por reacciones químicas dentro de la batería bombeando electrones de un terminal (+) al opuesto (-). La diferencia de potencial entre los terminales sí crea un campo eléctrico. En el experimento anterior donde los terminales de la batería son placas planas paralelas separadas por una distancia $d$, podrías calcular la intensidad del campo entre ellos simplemente como $E = {V \over d}$. Pero el campo es solo una forma de observar la diferencia de potencial entre los terminales: no es la razón por la que las cargas se están moviendo en primer lugar (que, de nuevo, son las reacciones químicas que ocurren dentro de la batería).

La presión es relativa, y el potencial eléctrico no es diferente. Para ser estrictamente preciso, lo que proporciona una batería es una diferencia de potencial eléctrico ("voltaje") entre sus dos terminales. Básicamente, esto es una medición de qué tan fuerte es una bomba de electrones que la batería tiene en su interior. Es por eso que conectar dos baterías idénticas en paralelo no agrega sus voltajes: porque ambas proporcionan la misma diferencia de potencial entre los terminales (+) y (-), no hay básicamente ninguna diferencia entre dos baterías conectadas en paralelo y dos baterías aisladas y desconectadas. El potencial eléctrico entre los terminales (+) y los terminales (-) es el mismo, y ambas baterías "están de acuerdo" en ello, por lo que no hay razón para que fluya corriente entre ellas. (Conectar dos baterías diferentes en paralelo causará que fluya corriente, en una dirección determinada por cuál batería tiene un voltaje más alto).

Lo que conectar dos baterías en paralelo hace es cambiar cómo se comporta el sistema cuando está bajo carga. Si conectas una carga, digamos un resistor de 1kΩ, a través de los terminales de una sola batería de 1.5 voltios, la corriente a través del resistor será de 1.5 mA, todo suministrado por la misma batería. Si conectas la misma carga a través de los terminales de dos baterías de 1.5 voltios conectadas en paralelo, la corriente a través del resistor seguirá siendo de 1.5 mA, pero ahora cada batería solo tiene que suministrar 0.75 mA de corriente. Esto significa que cada batería individual está bajo menos carga que antes, porque las bombas electroquímicas en su interior solo tienen que mover la mitad de los electrones para mantener el mismo voltaje. Estas baterías pueden durar más y comportarse mejor bajo una variedad de condiciones de carga. (Esto asume condiciones ideales y baterías perfectamente emparejadas. En escenarios del mundo real, las baterías nunca están perfectamente emparejadas, por lo que es posible que necesites un circuito de equilibrio de carga para proteger las baterías entre sí).

Answer 2

Imagina una batería como una escalera mecánica (la energía potencial gravitacional y la energía eléctrica potencial/voltaje son análogas aquí).

Si tienes dos escaleras mecánicas una al lado de la otra, subir por cualquiera te llevará a la misma altura. Si tienes dos escaleras mecánicas en fila, tendrás que subir por ambas y por lo tanto llegarás al doble de altura. La ventaja de tener escaleras mecánicas una al lado de la otra es que es menos exigente para sus motores.

Una batería aumenta el voltaje en un cable por una cantidad fija. Dos baterías en serie duplicarán el voltaje, dos baterías en paralelo harán que las baterías duren el doble.

---

Editar: OP ha pedido una explicación sin analogía. Una batería aumentará el voltaje de una corriente por una cantidad fija. Por eso tenemos cosas llamadas "baterías de 12 voltios" y no "baterías de 12 newtons/coulombs". Si una corriente está a 0 V cuando se divide en paralelo y va a dos baterías separadas, entonces los electrones en cada circuito aumentarán 12 V, luego se volverán a unir al exactamente 12 V. Si tienes las baterías en serie, los electrones pasarán de 0 a 12 después de la primera batería, luego de 12 V a 24 V a través de la segunda batería.

Mencionas el flujo de campo eléctrico como un punto difícil para ti, pero el flujo de campo eléctrico no define el potencial. Y, por cierto, el flujo de campo eléctrico a través de cada cable separado en paralelo será idéntico. El flujo de campo eléctrico a través del cable en serie será el doble de lo que sería un solo cable en paralelo.

Answer 3

Dado que pareces estar ansioso por una respuesta sin analogías, intentaré abordarla. Creo que esta pregunta en realidad es un poco más profunda de lo que algunas respuestas le están dando crédito, y hasta ahora creo que trentcl responde tu pregunta de la mejor manera: la causa raíz de tu confusión es que estás asumiendo que las baterías actúan como fuentes de campos fijos, en lugar de potenciales fijos. Pero intentaré entrar en un poco más de detalle de por qué es así.

Ahora bien, tu pregunta parece ser más o menos la siguiente: digamos que tengo una batería, con algunos cables adjuntos a ella, como en el diagrama a continuación. En general, habrá un campo eléctrico extraño generado entre los dos terminales cuya estructura está dictada por las ecuaciones de Maxwell. Sin embargo, dado que todo en este problema es estático, sabemos que si integramos el campo eléctrico sobre cualquier camino entre los terminales, obtendremos el mismo voltaje, y es este voltaje el que puede hacer el trabajo si colocamos algún dispositivo de elemento concentrado como una resistencia entre los terminales.

Ahora, pasando al meollo de tu pregunta. Como todos aprendemos, las ecuaciones de Maxwell son lineales: podemos tomar cualquier solución y sumar los campos y tendremos otra solución. Entonces, si tomamos otra batería y conectamos los terminales a la primera, ¿deberíamos generar aproximadamente el doble de los campos entre los terminales y por lo tanto el doble de voltaje, ¿verdad? Incorrecto.

El problema es que estás ignorando la mecánica de la batería. Las baterías funcionan a través de reacciones químicas que mueven cargas preferentemente en una dirección determinada, y solo empujan esas cargas hasta cierto punto. Cuando comienzas a enlazar baterías en paralelo, los campos generados por una batería empujan hacia atrás las cargas de la otra hasta que terminas con un sistema equilibrado donde el potencial entre los terminales es el mismo que era para una sola batería.

De hecho, cómo trabaja una batería se ve afectado por la presencia de campos eléctricos y resulta que no puedes simplemente superponer los campos de dos baterías cuando las conectas en paralelo. Las ecuaciones de Maxwell son lineales, pero cuando las acoplas a la materia en un sistema de múltiples partículas (como el de una batería) no lo son: un ejemplo simple es que un solo electrón viajará en línea recta, mientras que si tienes dos de ellos inicialmente uno al lado del otro se curvarán hacia el otro.

En la realidad, nadie toma nunca este enfoque "tipo fuerza" para mirar la dinámica de las baterías, es simplemente demasiado complicado y resulta ser inútil de todos modos. Un enfoque mucho mejor es un enfoque "tipo energía". Cada reacción química individual dentro de la batería solo produce tanta energía, y puedes avanzar bastante simplemente manteniendo el control de esto. Dado que el voltaje es básicamente una medida de la energía potencial, cuando haces esto es bastante fácil argumentar que las baterías (excluyendo condiciones extremas) deberían actuar como fuentes de voltaje constante, en lugar de fuentes de campo eléctrico constante. Pero ayuda jugar un poco con el enfoque basado en fuerza primero para obtener una explicación más intuitiva de lo que está sucediendo.

Answer 4

Si definimos una batería como un dispositivo que mantiene un voltaje constante en sus extremos, entonces automáticamente el problema se resuelve. Cuando se conectan en serie, cada batería mantiene ese voltaje constante en sus extremos y por lo tanto se suman. Pero si se conectan en paralelo, permanecen iguales por definición.

Pero esta no es una respuesta a menos que explique por qué el voltaje en los extremos de una batería permanece igual.

Y para eso necesitamos mirar dentro de una batería.

En el interior de una batería hay dos cámaras: una que ama perder electrones y otra que ama ganar electrones. Y la disposición de perder o ganar electrones depende de la concentración de los reactivos dentro de cada cámara. Una declaración más precisa: La energía ganada al mover una carga de una cámara a la otra ($~$ voltaje) depende de la concentración.

Las cámaras se muestran en la figura 1. Cuando hacemos un circuito, estamos conectando estas cámaras juntas. Los electrones fluyen a través del circuito externo bajo la diferencia de potencial.

cuando se conectan en paralelo como se puede ver en la figura, nada ha cambiado. Dos cámaras conectadas en paralelo son equivalentes a que cada cámara simplemente se vuelva más grande. Ahora tenemos más productos químicos en la celda, pero la concentración es la misma. Por lo tanto, el voltaje, que podemos definir como la energía ganada al mover una carga de una cámara a la otra, permanece igual.

cuando se conectan en serie
Espero que ya esté claro... la concentración sigue siendo la misma. cada batería mantiene su voltaje a través de ella. Por lo tanto, el voltaje total es la suma de los voltajes individuales.

Answer 5

Imagina esto en la analogía del agua. Los cables están representados por canales, la altura del nivel del agua es el voltaje y la tasa de flujo es la corriente. Una batería, por definición, eleva el voltaje en uno de sus terminales en una cantidad establecida en comparación con su otro terminal. Entonces, en la analogía del agua es como una bomba que mantiene el nivel del agua en un extremo 2 metros más alto que en el otro extremo. Aquí 2 metros es solo un número arbitrario.

Si conectas dos baterías en paralelo en algún punto debes crear una unión donde se encuentren 3 cables. Cualquier par de puntos en un circuito que estén conectados por un cable sin un resistor en medio están al mismo voltaje. Entonces, cada uno de los 3 cables conectados a la unión está al mismo voltaje. En la imagen a continuación, cada parte del cable que está tocando el punto $A$ está al mismo voltaje y de manera similar cualquier cable conectado directamente al punto $B$ está al mismo voltaje. La diferencia de voltaje entre $A$ y $B$ se puede ver como el voltaje de salida de las dos baterías combinadas, por eso el voltaje no aumenta cuando combinas baterías en paralelo.

Para ver por qué cada parte del cable está al mismo voltaje, podemos ver la analogía del agua. Conectar dos cables juntos es como unir dos canales. Si el nivel del agua en uno de los canales era más alto que el otro antes de unirse, tan pronto como se unan, el agua comenzará a brotar hacia la parte con el nivel de agua más bajo. Después de que todo se haya asentado, te quedará un solo canal grande con un nivel de agua que es el mismo en todas partes. Puedes tener una diferencia de voltaje sobre componentes como resistores o baterías. Los resistores son comparables a represas que dejan pasar una pequeña cantidad de agua y que pueden tener diferentes niveles de agua a cada lado.

Recuerda que esta 'decantación' de la que mencioné sucede extremadamente rápido en circuitos eléctricos. En circuitos de agua podrías ver el agua asentarse, pero en circuitos eléctricos esto sucede casi instantáneamente.

Entonces, finalmente podrías preguntar ¿por qué el voltaje es tan similar a la altura del agua? El voltaje es la energía (por carga) en un circuito. Por lo tanto, si alguna parte de un cable tiene un voltaje más alto que su entorno, generará un campo eléctrico. Este campo eléctrico siempre actuará de tal manera para rearrancar las cargas en el cable hasta que el voltaje sea completamente uniforme. De manera similar a cómo un nivel de agua más alto significa más energía potencial para el agua.