¿Por qué las tensiones continuas en serie suman (o restan, según la polaridad)?

Question

Esta es una pregunta de novato.

Está claro que si pones dos (o más) fuentes de tensión continua en serie como esta:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Y si mides la tensión total entre A y D obtienes la suma de las dos tensiones. También me di cuenta de que si flip una de las fuentes, se debe restar su tensión del total. Así que si volteo V1, obtengo un voltaje total de 7,5 de A a D.

La cuestión, en definitiva, es que no puedo entender por qué.

La tensión es la diferencia de potencial entre dos puntos. Por lo que he entendido; cuando se toma un solo célula, esa tensión viene dada por el hecho de que hay una diferencia de carga entre un polo y otro de la célula. Así, cuando se cierra un circuito entre A y B (o entre A y C sin que haya nada en el camino de B y C), la carga eléctrica que busca su equilibrio encuentra un camino, y empieza a fluir de un punto a otro, según la resistencia que pueda encontrar. Lo mismo ocurre con la batería 2, por supuesto, entre C (o B) y D.

Pero cuando pones las pilas en serie, lo que sucede entre B y C si se cierra el circuito entre A y D (con eventualmente cualquier resistencia en el medio)? ¿Por qué aumenta (o disminuye, según la polaridad) la diferencia de potencial global? ¿Cómo fluyen los electrones entre todos los puntos? ¿Por qué?

Answer 1

En realidad no es una diferencia de carga, es una diferencia en la energía de la carga. Un aumento de la tensión entre dos puntos significa que la carga (los electrones, por lo general) en el punto de mayor tensión tiene más energía que los de menor tensión. A medida que un electrón se desplaza por una pila desde el terminal - al terminal +, una reacción química en la pila añade energía a los electrones. En algunas baterías, se puede hacer que los electrones fluyan en el terminal + y salir en el terminal -. En ese caso, los electrones pierden energía al provocar una reacción química que recarga la pila. Tenga en cuenta que los electrones intentarán desplazarse a un lugar donde tengan menos energía, por lo que la corriente siempre fluye a través de una resistencia desde el terminal con alta tensión hacia el terminal con baja tensión y la energía de los electrones siempre se gasta en forma de calor.

Preguntas "¿qué pasa entre B y C?". Nada. Son eléctricamente el mismo punto del circuito, y tienen la misma tensión por definición.

Además, sólo para ser pedante, no hay electrones fluyendo en el circuito que dibujaste porque no existe un camino completo para su flujo. Aunque no fluya corriente, la carga en diferentes puntos tiene diferentes niveles de energía.

Answer 2

En este caso se puede visualizar la tensión no como la cantidad de electrones que fluyen sino la presión que hay detrás de ellos. En esta analogía los electrones son como el aire, bombeado por las baterías. Obsérvese que en este caso las baterías son bombas de presión constante, no de flujo constante.

En tu caso la batería 1 bombea electrones de D a C, añadiendo una presión de 9V. Si conectas una lámpara de C a D, la batería forzará los electrones a través de la lámpara con una presión de 9V.

la batería 2 bombeará electrones de B a A, añadiendo una presión (en B) de 9V (respecto a A). Cuando consideramos las cosas en relación con D, los electrones en C y D ya tenían una presión de 9V, así que en A tendrán una presión de 18V (en relación con D).

Nótese que no nos importa cuál es la presión absoluta en D (o en cualquier otro punto). La tensión eléctrica es siempre relativa a un supuesto punto 0.

Si conectas una lámpara entre A y D, los electrones darán la vuelta al bucle, desde A a través de la lámpara a D, bombeados a C, a través del cable a B, bombeados a A, y de vuelta a la lámpara.

He hablado de electrones aquí para simplificar las cosas, el término más preciso es carga. La carga también puede ser transportada por los iones, y un electrón que fluye en un cable podría no ser el electrón que sale en el otro extremo.

Answer 3

Esto se debe a que está haciendo referencia a una diferencia de potencial. Una batería tendrá una diferencia de potencial determinada. Suponiendo que se trate de potenciales pequeños, no cambiará la diferencia de potencial de un lado de la pila a otro. Si coloca el lado positivo de una pila (ánodo) en algún potencial positivo, el otro lado de la pila tendrá la diferencia de potencial de la pila más baja en voltaje. Aparecerá como una caída de tensión