No entiendo lo que realmente se entiende por caída de tensión

Question

Este post es mi mejor esfuerzo para buscar ayuda en un tema que es bastante vago para mí, por lo que estoy luchando para formular mis preguntas. Espero que alguien sea capaz de entender qué es lo que estoy tratando de articular.

Si tenemos un circuito con una resistencia, hablamos del tensión a través de la resistencia.

Entiendo todos los cálculos relacionados con la caída de tensión (ley de ohm, paralelo y serie, etc.). Pero lo que busco es entender en un conceptual nivel lo que es la caída de tensión. Específicamente: cuál es la naturaleza del cambio que se ha producido entre un punto justo antes de la resistencia y un punto justo después de la resistencia, ya que los electrones viajan de un terminal con carga negativa a uno con carga positiva.

Ahora bien, tal y como yo lo entiendo, el "voltaje" es la fuerza causada por el desequilibrio de carga que provoca la presión para que los electrones se desplacen desde un terminal cargado negativamente a otro cargado positivamente, y la "resistencia" es una fuerza causada por un material que, debido a su composición atómica, hace que los electrones choquen con sus átomos, oponiéndose así a ese flujo de electrones, o "corriente". Por lo tanto, creo que entiendo un poco el voltaje y la resistencia a nivel conceptual.

Pero, ¿qué es la "caída de tensión"? Esto es lo que tengo hasta ahora:

• La caída de tensión no tiene nada que ver con el número de electrones, lo que significa que el número de electrones de los átomos justo antes de entrar en la resistencia es igual al número de átomos justo después

• La caída de tensión tampoco tiene nada que ver con la velocidad de los electrones: esa velocidad es constante en todo el circuito

• La caída de tensión tiene que ver con la liberación de energía causada por la resistencia.

Quizá alguien pueda ayudarme a entender qué es la caída de tensión explicando qué diferencia medible hay entre los puntos antes de la resistencia y los puntos después de la resistencia.

Hay algo que puede estar contribuyendo a mi confusión con respecto a la caída de tensión: si la tensión es la diferencia de electrones entre el terminal positivo y el terminal negativo, ¿entonces la tensión no debería ser constante en cada punto entre el terminal positivo y el terminal negativo? Obviamente esto no es cierto, pero me gustaría que me aclararan por qué.

Tal vez pueda aclarar lo que quiero decir con la famosa analogía de la noria: tenemos un estanque abajo, un embalse arriba, una bomba que bombea el agua desde el estanque hasta el embalse, y al bajar del embalse, el agua pasa por una noria, siendo la noria análoga a la resistencia. Entonces, si metiera la mano en el agua que baja del embalse, ¿sentiría algo diferente, dependiendo de si meto la mano por encima o por debajo de la noria? Espero que esta pregunta aclare qué es lo que estoy tratando de entender sobre la caída de tensión.

EDIT: He leído y reflexionado más sobre el tema, así que añado lo que he aprendido desde entonces:

Parece ser que la energía causada por la diferencia de tensión entre los terminales positivo y negativo se gasta cuando los electrones viajan a través de la resistencia, por lo que aparentemente, es este gasto de energía el que se denomina caída de tensión.

Así que ayudaría si alguien pudiera aclarar de qué manera tangible y empírica podríamos ver o medir que ha habido un gasto de energía comparando un punto del circuito antes de la resistencia y un punto del circuito después de la resistencia.

EDIT # 2: Creo que en este punto lo que más me desconcierta es el propio término "caída de tensión".

Voy a repetir la parte de mi pregunta que parece que me sigue molestando más:

"Aquí hay algo que puede estar contribuyendo a mi confusión con respecto a la caída de tensión: si la tensión es la diferencia de electrones entre el terminal positivo y el terminal negativo, entonces ¿no debería ser constante la tensión en cada punto entre el terminal positivo y el terminal negativo? Obviamente esto no es cierto, pero me gustaría que me aclararan por qué".

En otras palabras, sea lo que sea lo que ocurra a través de la resistencia, ¿cómo podemos llamarlo "caída de tensión" cuando la tensión es una función de la diferencia de número de electrones entre el terminal positivo y el terminal negativo?

Ahora bien, he estado entendiendo la palabra "caída" como "reducción", por lo que he estado interpretando "caída de tensión" como "reducción de la tensión". ¿Es esto lo que significa la frase?

Como he leído que la tensión en todos los casos es una medida entre dos puntos, entonces una reducción de la tensión requeriría necesariamente cuatro puntos diferentes: dos puntos para delinear la tensión antes de la caída y dos puntos para delinear la tensión después de la caída, entonces ¿a qué 4 puntos nos referimos?

¿Quizás un término más preciso hubiera sido "caída de la energía potencial causada por la tensión" en lugar de una caída de la tensión?

EDIT # 3: Creo que he identificado otro punto que ha sido una contribución importante (tal vez la mayor) a la confusión que he tenido todo el tiempo, y es lo que considero una pequeña contradicción entre dos definiciones esenciales de la tensión.

Cuando hablamos de una pila de 1,5 V, incluso antes de conectarla a cualquier cableado/interruptor/carga/resistencia/lo que sea, estamos hablando de tensión en función de nada más que la diferencia de carga eléctrica entre los terminales positivo y negativo, es decir, la diferencia de electrones en exceso entre los dos terminales.

Dado que existe una diferencia en el número de electrones sólo en referencia a los terminales, me ha resultado confuso discutir sobre la tensión entre cualquier otro punto del circuito - ¿cómo podría ser esto una cuestión significativa, ya que los únicos puntos del circuito donde hay una diferencia en el número de electrones es en los terminales - así que cómo podemos discutir la tensión en cualquier otro punto?

Pero hay otra definición de tensión, que sí tiene mucho sentido en el contexto de dos puntos cualquiera de un circuito. Aquí se habla de tensión en el contexto de la ley de Ohm: corriente/resistencia. Por supuesto, en este sentido, la tensión tiene sentido en dos puntos cualesquiera, y como la resistencia puede variar en varios puntos del circuito, es evidente que la tensión puede variar en diferentes puntos del circuito.

Pero, a diferencia del primer sentido de la tensión, donde la tensión es el resultado de la diferencia de electrones entre los terminales, cuando hablamos de tensión entre dos puntos a lo largo del circuito, digamos, entre un punto justo antes de una resistencia y un punto justo después de la resistencia, no estamos diciendo que haya ninguna diferencia en el número de electrones entre estos dos puntos.

Creo que es precisamente este punto el que ha sido la principal fuente de mi confusión todo el tiempo, y es a lo que he estado tratando de llegar todo el tiempo. Y esto es lo que he estado tratando de preguntar todo el tiempo: de acuerdo, en una batería, puedes decirme que hay una diferencia de voltaje entre los dos terminales, lo que significa que puedes mostrarme, tangible y empíricamente, que los átomos en el terminal positivo tienen un déficit de electrones, y los átomos en el terminal negativo tienen un excedente de electrones, y esto es lo que queremos decir con el voltaje entre los dos, entonces puedo entenderlo.

Pero en cambio, acepto que hay tensión (I/R) entre un punto justo antes de una resistencia y justo después de una resistencia -- pero ¿puedes tomar esos dos puntos, el de antes de la resistencia y el de después de la resistencia, y mostrarme alguna diferencia cualitativa medible entre ambos? Ciertamente, no hay ninguna diferencia entre el número de electrones en los átomos de esos dos puntos. De hecho, creo que no hay ninguna diferencia medible entre los dos puntos.

Ah, ahora me dirás que puedes mostrarme la diferencia entre los dos puntos: ¡conectarás un voltímetro a los dos puntos, y eso muestra la tensión entre ellos!

Claro, el voltímetro nos dice que algo ha pasado entre los dos puntos. Pero el voltímetro no nos dice nada inherente a los puntos mismos -- a diferencia de los dos terminales de una batería, donde hay una diferencia inherente entre los dos puntos: uno tiene más exceso de electrones que el otro -- esa es una diferencia muy inherente y concreta.

Supongo que lo que podemos decir es que los electrones que viajan en un punto justo antes de la resistencia viajan con más energía que los electrones que viajan en un punto justo después de la resistencia. Pero ¿hay alguna forma de observar la diferencia de energía que no sea un dispositivo que simplemente nos diga que la cantidad de energía ha disminuido entre los dos puntos?

Voy a intentarlo de otra manera: también podríamos conectar un voltímetro a los dos bornes de la batería, y la lectura indicaría que hay tensión entre los dos bornes. Y si yo te preguntara que sí, pero qué es lo que hay en esos dos puntos que está causando ese voltaje, podrías entonces decir, claro: mira la diferencia de electrones entre los dos puntos -- esa es la causa de la lectura del voltímetro.

En cambio, cuando conectamos el voltímetro a los puntos justo antes y después de la resistencia, y la lectura indica una tensión entre los dos terminales. Pero en este caso si ahora te hiciera la misma pregunta: sí, pero qué es lo que hay en esos dos puntos que está provocando la tensión, no estoy seguro de que tuvieras una respuesta.

Creo que esta diferencia fundamental entre los dos sentidos de la tensión suele perderse en estos debates.

Answer 1

Tal vez pueda aclarar a qué quiero llegar con la famosa analogía de la noria

Hace 99 años, Nehemiah Hawkins publicó lo que creo que es una analogía marginalmente mejor:

Fig. 38. - Analogía hidrostática de la caída de potencial en un circuito eléctrico.

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Explicación del diagrama anterior

• En este diagrama, una bomba situada en la parte inferior central bombea agua de derecha a izquierda.
• El agua circula de vuelta al inicio a través del tubo horizontal superior marcado a-b
• La altura del agua en las columnas verticales C, m', n', o', D indica la presión en los puntos a,m,n,o,b
• La presión cae de a à b debido a la resistencia del estrecho camino de retorno
• La diferencia de presión entre a y b es proporcional a la diferencia de altura entre C y D

Analogía

• Bomba = Batería
• Agua = Portadores de carga eléctrica
• Presión = Tensión
• Tubos verticales = Voltímetros
• tubo a-b \= Resistencia (o serie de cuatro resistencias)

Nota

• Una "partícula" de agua en a tiene una energía potencial superior a la que tiene cuando alcanza b .

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Hay una caída de presión a través de un tubo "resistivo".

La tensión (potencial eléctrico) es aproximadamente análoga a la presión del agua (potencial hidrostático).

Si pudieras abrir un pequeño agujero en puntos a,m,n,o,b en el tubo y mantener el dedo contra el agujero, usted sería capaz de sentir la presión en esos puntos es diferente.

El potencial en algún punto es la cantidad de energía potencial de una "partícula" en ese punto.

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ayudaría si alguien pudiera aclarar de qué manera tangible y empírica podríamos ver o medir que ha habido un gasto de energía al comparar un punto del circuito antes de la resistencia y un punto del circuito después de la resistencia.

1. Compra una resistencia de 330 ohmios y 1/4 de vatio y una pila PP3 de 9V
2. Coloque la resistencia en los terminales de la batería
3. Coloca el dedo sobre la resistencia.
4. Espera.

Answer 2

El "voltaje" es la fuerza causada por el desequilibrio de carga que provoca la presión para que los electrones se desplacen de un terminal con carga negativa a otro con carga positiva,

No, la tensión no es una fuerza. El voltaje es una diferencia de energía potencial por unidad de carga. Más exactamente: el potencial eléctrico es la energía potencial por unidad de carga (al igual que $gh$ es la energía potencial gravitatoria por unidad de masa), y una tensión (también conocida como diferencia de tensión o caída de tensión) es una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos.

El actual valor del potencial eléctrico en un punto cualquiera no tiene ningún significado físico; sólo su diferencia con respecto al potencial eléctrico en algún otro punto, es decir, el voltaje, es significativo o medible. Esto significa que toda la idea de tensión está intrínsecamente ligada a una elección de dos puntos. No hay ninguna medición que puedas hacer en un solo punto que te diga algo sobre la tensión o el potencial eléctrico. Sin embargo, si tienes dos puntos, puedes determinar el voltaje entre ellos empujando una unidad de carga de un punto al otro y midiendo cuánto trabajo requiere (o da). Así es como podemos establecer voltajes en un circuito con elementos resistivos: mover una carga a través del circuito de un punto a otro y ver cuánta energía hay que poner para que llegue allí.

La razón por la que se necesita energía es fundamentalmente complicada, ya que tiene que ver con los efectos de la mecánica cuántica, pero como modelo clásico aproximado, se podría decir que los electrones pierden energía al chocar con los átomos y las moléculas del material resistivo, y hay que poner suficiente energía para compensar esas pérdidas.

Answer 3

La tensión (Joule por culombio) es una medida de la energía potencial eléctrica ganada por una carga de prueba positiva, o el trabajo realizado al mover una carga de prueba positiva desde el infinito hasta un punto en un campo eléctrico positivo. Esta energía ganada se debe a la conservador fuerza electrostática entre la carga. Cuando una carga gana potencial, naturalmente realiza un trabajo igual a su energía ganada para restablecer su posición neutra, según esta definición infinita.

La diferencia de potencial es una medida de la tensión entre dos puntos en un campo eléctrico. La diferencia de potencial es el potencial relativo a un punto fijo en un campo eléctrico en lugar de al infinito. La diferencia de potencial no debe confundirse con la diferencia de carga entre dos terminales. La diferencia es lo que provoca una tensión (energía ganada por una carga de prueba en un campo eléctrico). Si no hay una diferencia de carga, no se puede establecer un campo y, por tanto, no hay potencial.

En un circuito, una batería proporciona la diferencia de potencial entre dos terminales realizando un trabajo contra el campo eléctrico, para dar energía potencial a los electrones. Una vez que estas cargas obtienen esta energía potencial, naturalmente realizan un trabajo para llegar a sus posiciones neutras cambiando esta energía potencial a energía cinética que impulsa la corriente a través del circuito. Pero como los electrones viajan a través de un medio, pierden parte de esta energía en forma de calor debido a la colisión con átomos o moléculas. La medida de la energía que se pierde/gasta entre dos puntos de un circuito se conoce como caída de potencial. La caída de potencial aumenta con la resistencia.

Debido a la ley de conservación de la energía, la suma de todas las caídas de tensión debe ser igual a la tensión aplicada, tal y como establece la segunda ley de Kirchoff. Por lo tanto, habrá una mayor caída de tensión a través de una carga en un circuito si la resistencia total del circuito es menor.

Answer 4

Considera un circuito con una batería y un bucle de cable. El cable tiene una resistencia idealmente nula, lo que significa que el voltaje entre dos puntos cualquiera del cable será cero. $V=IR= I\times0=0$ $^1$

Ahora considera el circuito que mencionas (es decir, con una resistencia). La resistencia provocará una disminución del flujo de corriente, siguiendo la ley de ohmios que tan bien conoces. ¿Qué significa esto? Pues que la tensión a través de la resistencia debe ser igual a la de la fuente. Es decir $|V_{\textrm{resistor}}|=IR=|V_{\textrm{battery}}|$ . Tenga en cuenta que lo ideal es que no haya ninguna caída de tensión si se sondea la tensión a través de cualquier segmento de cable (igual que antes).

¿Por qué se llama caída de tensión? La suma de todas las tensiones en un bucle debe dar cero. Así que técnicamente tendríamos $V_{\textrm{battery}} +V_{\textrm{resistor}}=0$ . (Véanse las leyes de los circuitos de Kirchhoff, concretamente la ley de la tensión de Kirchhoff)

Hablar de "caídas de tensión" es sólo una manera fácil de decir que la energía de la batería de origen va a alguna parte - como usted señaló "Liberación de energía". Así que en los circuitos más complicados se puede hacer un seguimiento de las cosas en términos de caídas de tensión a través de los diversos componentes.

Edición: Otro ejemplo. Consideremos ahora un circuito con dos resistencias en serie. La caída de tensión a través de ambos en total debe ser como hemos discutido antes, pero la caída de tensión a través de cada resistencia individual será ponderada por su valor.

$$V_{\textrm{battery}}=I(R_1+R_2)$$

Caídas de tensión:

$$V_1=IR_1$$

$$V_2=IR_2$$

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_{$^1$ En los circuitos reales, los cables tienen una resistencia realmente baja.}

Answer 5

Confío en que haya leído las páginas de Wikipedia sobre tensión y caídas de tensión .

En fin, esto no es especialmente riguroso pero ayuda a la intuición. Una resistencia, como su nombre indica, intenta resistir flujo de corriente a través de él. Lo que realmente significa es que hay menos " gratis " electrones en el material para ayudar al flujo de la corriente. Si los electrones están fuertemente ligados al átomo, tienden a no querer moverse, por lo que hay más resistencia al flujo de corriente.

Una diferencia de tensión es el diferencia de potencial entre dos puntos del circuito, y la corriente fluye en una dirección en la que la diferencia de potencial puede ser minimizada. Así, cuando la corriente fluye a través de una resistencia ( Nota: En un circuito, se suele suponer que los cables tienen una resistencia nula ), le resulta difícil fluir a través de la resistencia, pero sigue habiendo una energía que fluye "hacia" la resistencia. Y todos sabemos que la energía debe conservarse a toda costa.

Así que lo que sucede efectivamente es que parte de esta energía se pierde cuando la corriente fluye a través de la resistencia, ya sea porque gastó energía al intentar que esos electrones fuertemente ligados salieran de sus átomos o en forma de calor. Esto significa que al otro lado de la resistencia se ha perdido algo de energía, lo que en realidad significa que el voltaje en ese punto es menor que en el punto anterior a la resistencia. Así que hay menos "empuje" para que el electrón llegue al lado con menor potencial, debido a la pérdida de energía.