¿Puede alguien responder a mis preguntas sobre el concepto de tensión?

Question

Lo que entiendo por tensión en un circuito es que un campo eléctrico hace que los electrones se muevan del terminal negativo al positivo. Al hacerlo, convierte su energía potencial eléctrica en otras formas de energía.

Sin embargo, no puedo entender por qué la cantidad de energía que pierde un culombio de carga en una vuelta al circuito es constante independientemente de los componentes del circuito.

Tampoco entiendo cómo una carga parece saber cuánta energía por culombio convertir en cada componente.

Por ejemplo, si consideramos un circuito con una batería de 3 voltios y fluye 1 A de corriente, a través del circuito con una resistencia de 3 ohmios en serie, cada culombio de carga convertirá 3 julios de energía eléctrica en otras formas de energía en esta resistencia.

Sin embargo, si hubiera dos resistencias, la cantidad de energía eléctrica que cada culombio transfiere en cada resistencia es diferente. Esto me parece poco intuitivo.

Además, si el voltaje es la cantidad de energía potencial eléctrica de un culombio de carga que se convierte a medida que el culombio de carga se desplaza por el circuito, entonces seguramente, si se introducen componentes en el circuito no se puede utilizar la energía potencial eléctrica para convertirla en otras formas de energía en los componentes, ya que toda la energía potencial eléctrica ya se está utilizando para empujar la carga por el circuito.

Como probablemente puedas deducir, estoy muy confundido con el concepto de voltaje, especialmente en los circuitos. Por favor, alguien podría explicarme qué es el voltaje y cómo se puede entender en los circuitos.

Answer 1

Hay varias cosas que desempacar ahí. La definición de tensión es correcta. Pero la pérdida de energía en un circuito depende en los elementos del circuito.

En tu ejemplo, la batería es una fuente de tensión fija: proporciona siempre la misma diferencia de tensión independientemente del circuito. Este tipo de fuente, en el caso ideal, puede mover una corriente de cualquier valor, pero la corriente estará determinada por la resistencia del circuito al que está conectada, de ahí que la pérdida de energía (o la Potencia $P=V*I$ (energía por unidad de tiempo) dependerá de la corriente $I$ y, por tanto, en los elementos del circuito.

Por otro lado, la pérdida de energía en una resistencia depende de la Intensidad que la atraviesa. En Ley de Ohm sabemos que $R=\frac{V}{I}$ y que cuanto mayor es la tensión aplicada, mayor es la corriente que pasa. Por lo tanto, la pérdida de potencia en la resistencia será $P=R*I^2$ .

Volviendo a tu ejemplo, cuando duplicas la resistencia añadiendo una nueva resistencia, la tensión sigue siendo la misma (fuente de tensión constante), pero como hay más resistencia, la corriente que pasa será menor (la mitad en realidad). La potencia total también será la mitad ( $P=V^2/R$ ), y cada resistencia disipa por sí sola la mitad de esa potencia.

Sin embargo, la fuente de la que hablo es una fuente ideal. En realidad, las fuentes sólo pueden proporcionar una tensión constante para un cierto rango de corriente, porque no pueden producir una potencia infinita. Así que las corrientes superiores a la especificada, la tensión proporcionada disminuirá.

Así que, efectivamente, tienes razón en tu última afirmación: cuantos más componentes añades, menos energía hay disponible, lo que se refleja en la corriente más baja.

Pero también hay fuentes de corriente constante, que proporcionan la misma corriente independientemente de la tensión que deban producir. Y en este caso, la energía perdida en cada resistencia igual será la misma, como puedes comprobar por las relaciones anteriores. Y claro, en escenarios reales esta fuente tiene un límite para la cantidad de potencial que puede producir.

En definitiva, la confusión puede surgir de una definición poco clara del tipo de fuente.