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Comprensión de la tensión y la potencia en la analogía de los fluidos para circuitos de CC

Estoy intentando comprender los circuitos eléctricos (es decir, voltaje, corriente, potencia y resistencia). En su mayor parte, todo tiene sentido, pero por alguna razón no me siento como si entendiera la definición correcta de potencia. Sí, entiendo las fórmulas $V=IR$ y $P=IV$ Pero creo firmemente que no se entiende algo hasta que se puede explicar a otra persona en términos sencillos (cosa que no puedo hacer con seguridad en este momento).

Tal vez pueda explicar mi confusión utilizando la analogía del agua (a la que no soy especialmente aficionado, pero utilizaré cualquiera con fines ilustrativos). Entiendo que si el agua fluye por una manguera (o tubería), la cantidad de agua en un punto concreto por segundo es análoga a la corriente eléctrica, la presión al voltaje y la anchura de la tubería a la resistencia.

Ahora imaginemos dos mangueras... una tiene el doble de resistencia (lo que significa que tiene menor anchura física que la otra). Pero también nos aseguramos de que ambas mangueras tengan la misma corriente (lo que significa que la manguera más pequeña tiene el doble de tensión (presión del agua)).

Si golpeáramos unos molinos de viento de juguete con el agua que sale de cada una de estas mangueras (desde la misma distancia, por supuesto), tengo entendido que empezarían a girar a la misma velocidad, u otra forma de decirlo podría ser que el trabajo realizado sobre ellos es el mismo.

Ahora es cuando empieza mi confusión, porque en esta situación, la corriente es la misma para ambas mangueras, pero la potencia (vatios) se duplica para la manguera que requiere el doble de voltaje para mantener la misma corriente (debido a que tiene el doble de resistencia).

Cuando pienso en la palabra "potencia" y en algo que tiene el doble que otra cosa, mi mente piensa instantáneamente que es el doble de potente y que, por tanto, puede ejercer más fuerza o realizar más trabajo sobre objetos externos. Pero aquí parece que la corriente es lo que determina la velocidad a la que girarían los molinos de viento, o lo brillante que sería una bombilla en un circuito eléctrico cerrado De hecho, parece que "potencia" en este contexto es un requisito, o la cantidad de esfuerzo necesario para mantener la corriente a un ritmo constante dado un cierto voltaje. Esto también me hace pensar que la manguera con el doble de potencia es menos eficiente (obviamente debido a la resistencia). Pero pensar en la potencia de este modo parece contraintuitivo, y quizá no esté entendiendo algo importante. La potencia es realmente el "esfuerzo requerido" por el circuito para funcionar o se trata del "trabajo potencial" que un circuito puede ejercer sobre cosas externas. Agradecería cualquier aclaración.

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Kevin Zhou Puntos 1670

Ahora imaginemos dos mangueras... una tiene el doble de resistencia (lo que significa que tiene menor anchura física que la otra). Pero también nos aseguramos de que ambas mangueras tienen la misma corriente (lo que significa que la manguera más pequeña tiene el doble de voltaje (presión del agua)). Si golpeáramos unos molinos de viento de juguete con el agua que sale de cada una de estas mangueras (desde la misma distancia, por supuesto), tengo entendido que empezarían a girar a la misma velocidad.

De ahí viene la confusión no estás interpretando la ecuación $P = IV$ correctamente. La ecuación establece que la potencia disipada en un objeto es igual a la corriente a través de ese objeto, multiplicada por la caída de tensión a través de ese objeto.

Cuando aplicamos $P = IV$ a una resistencia, que ha correspondido a una manguera, $P$ es la potencia disipada en esa resistencia mientras que $V$ es el diferencia de tensión entre los dos extremos de la resistencia. Para una corriente fija, la potencia disipada en una resistencia con mayor resistencia es mayor, porque la caída de tensión es mayor.

Esto es independiente de cuánta energía se disipa en el molino de viento, que es $I V$ donde $V$ es la caída de tensión a través del molino de viento . En otras palabras, la cantidad de energía que se pierde en la manguera depende de la caída de presión a través de la manguera, mientras que la cantidad de energía que se entrega al molino depende de la presión del agua al salir de la manguera.

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Owen Boyle Puntos 732

Para ampliar la respuesta de BowlOfRed, tu premisa original es errónea. He leído tu análisis original y, aunque es correcto en su mayor parte, creo que piensas que igual corriente = igual velocidad. Eso no es correcto. Igual corriente = igual caudal (es decir, litros/segundo).

En la analogía del agua, la resistencia corresponde al área de la tubería, por lo que una tubería de alta resistencia tiene un área menor. Para que tenga la misma corriente, y por tanto caudal, el agua debe tener mayor velocidad.

En una tubería, el agua sale perezosamente en bucle, mientras que en la otra brota con un chorro efervescente. Dirigidas a un cubo, lo llenarían en el mismo tiempo (misma corriente/caudal), pero el chorro de agua puede hacer más trabajo (mayor presión/voltaje).

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tourdetour Puntos 86

Olvídate de las analogías y fíjate en las unidades

Tú mismo lo has dicho:

pero creo firmemente que no se entiende algo de verdad hasta que no se puede explicar a otra persona en términos sencillos.

No hay nada que diga que los términos profanos tengan que ser viejos análogos. Basta con tomar al pie de la letra lo que se está estudiando:

Tensión

La tensión se mide en (sorpresa) voltios. Pero un voltio es un julio por culombio, o: $$ \text{Voltage} = \frac{ \text{[Energy]} }{ \text{[Charge]}} $$

Actual

La corriente se mide en amperios y un amperio es un culombio por segundo, o: $$ \text{Current} = \frac{ \text{[Charge]} }{ \text{[Time]}} $$

Potencia

La potencia se calcula como $P=IV$ simplemente porque así es como funcionan las unidades: $$ \text{Power} = \frac{ \text{[Charge]} }{ \text{[Time]}}\frac{ \text{[Energy]} }{ \text{[Charge]}} = \frac{ \text{[Energy]} }{ \text{[Time]}} $$

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Meltdownman Puntos 1

Si golpeáramos unos molinos de viento de juguete con el agua que sale de cada una de estas mangueras (desde la misma distancia, por supuesto), tengo entendido que empezarían a girar a la misma velocidad, u otra forma de decirlo podría ser que el trabajo realizado sobre ellos es el mismo.

Pero dijiste que la presión en uno era más alta que en el otro. Eso significa que el agua va a salir más rápido. Cada trozo de agua se mueve más rápido y es capaz de realizar un trabajo mayor que un trozo equivalente del que se mueve más despacio. Uno hará girar los molinos, pero el otro los hará girar muy rápido.

Y como el caudal de cada manguera es el mismo, eso significa que la manguera de mayor presión puede hacer más trabajo.

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ghoso Puntos 16

La analogía con el agua que fluye podría ser más útil si se considerara un escenario ligeramente diferente. En lugar de una manguera lanzando chorros a un molino de viento de juguete, pensemos en una presa hidroeléctrica. Hay energía almacenada en el agua por encima de la presa, hay un sistema de tuberías que conducen el agua hasta una turbina y hay una tubería de salida que deja que el agua utilizada fluya hacia el río por debajo de la presa. Si parte del sistema de tuberías es horizontal, hay cierta pérdida de presión en la tubería de un extremo al otro del tramo horizontal. Pero es pequeña y representa energía perdida. Hay una gran caída de presión entre la entrada y la salida de la turbina, y eso representa la energía que se ha sacado del agua y se ha puesto en la electricidad. Y hay algo de presión en la tubería de salida, que representa la energía residual del agua que no se ha podido aprovechar en energía eléctrica.

Pero en la descripción anterior, he cambiado sutilmente el enfoque de la potencia a la energía. Y aquí es donde tienes que ampliar tu bolsa de conceptos. Potencia y energía son conceptos estrechamente relacionados, pero no son lo mismo. La presa hidroeléctrica se mide en términos de potencia (kilovatios), pero la compañía eléctrica te vende la electricidad en términos de energía (kilovatios-hora). La potencia es básicamente energía por unidad de tiempo. O dicho al revés, la energía es potencia integrada en el tiempo. Si dedica algún tiempo a entender tanto la potencia como la energía, le resultará más fácil comprender ambos conceptos que uno solo.

La energía puede medirse en julios, ergs o electronvoltios, así como en kilovatios-hora. Las mismas unidades pueden utilizarse para medir el trabajo. De hecho, los conceptos de trabajo y energía están estrechamente relacionados. El trabajo es básicamente energía transferida de un sistema a otro.

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