O que exatamente é tensão?

Uma pergunta estranha, mas o que é? Meu professor de física disse que era como um "empurrão" que empurra elétrons pelo circuito. Posso ter uma explicação mais complexa? Qualquer ajuda é muito apreciada.

Seu professor estava certo.

Corrente é a carga elétrica (geralmente elétrons) em movimento. Eles não fazem isso sozinhos sem motivo, assim como um carrinho de compras se move pelo chão de uma loja sozinho. Em física, chamamos a força que empurra carrega a força eletromotriz , ou "EMF". É quase sempre expresso em unidades de volts, por isso geralmente pegamos pouco atalho e dizemos "tensão" na maioria das vezes. Tecnicamente, EMF é a quantidade física e volts é uma unidade em que pode ser quantificada.

O EMF pode ser gerado de várias maneiras:

1. Eletromagnético. Quando um condutor (como um fio) é deslocado lateralmente através de um campo magnético, haverá uma tensão gerada ao longo do comprimento do fio. Os geradores elétricos, como em usinas de energia, e o alternador em seu carro, trabalham com esse princípio.

2. Eletroquímico. Uma reação química pode causar uma diferença de tensão. As baterias funcionam com esse princípio.

3. Fotovoltaico. Coloque os fótons em um diodo semicondutor no lugar certo e você obterá uma voltagem. É assim que as células solares funcionam.

4. Eletrostática. Esfregue dois tipos de materiais certos e um lança elétrons no outro. Dois materiais que exibem bem esse fenômeno são um pente de plástico e um gato. É o que acontece quando você passa pelo tipo certo de tapete e, em seguida, tira um zap quando toca em um objeto de metal. Esfregar um balão na camiseta faz isso, o que permite que o balão "grude" em outra coisa. Nesse caso, a EMF não pode fazer os elétrons se moverem, mas ainda os puxa, o que, por sua vez, puxa o balão em que estão presos.

   Esse efeito pode ser ampliado para gerar altas tensões variadas e é a base para o funcionamento dos geradores Van de Graaff .

5. Termo-elétrico. Um gradiente de temperatura na maioria dos condutores causa uma tensão. Isso é chamado de efeito Siebeck . Infelizmente, você não pode aproveitar isso porque, para usar essa tensão, há eventualmente um circuito fechado. Qualquer voltagem obtida por um aumento de temperatura em parte do loop é então compensada por uma diminuição de temperatura em outra parte do loop. O truque é usar dois materiais diferentes que exibem uma voltagem diferente como resultado do mesmo gradiente de temperatura (coeficiente de Siebeck diferente). Use um material que sai para uma fonte de calor e outro para voltar e você obtém uma tensão líquida que pode ser usada na mesma temperatura.

   A tensão total que você obtém de uma saída e de volta, mesmo com uma diferença de temperatura alta, é bem pequena. Ao reunir muitas dessas combinações de saída e retorno, você pode obter uma voltagem útil. Uma única saída e volta é chamada termopar e pode ser usada para detectar a temperatura. Muitos juntos são um gerador de termopar. Sim, eles realmente existem. Houve naves espaciais alimentadas por esse princípio, com a fonte de calor proveniente da decomposição de um radioisótopo.

6. Termiônico . Se você aquecer algo alto o suficiente (100s de ° C), os elétrons em sua superfície se moverão tão rápido que às vezes eles voam. Se eles tiverem um local para pousar mais frio (para que não voem novamente a partir daí), você terá um gerador termiônico. Isso pode parecer absurdo, mas também houve naves espaciais alimentadas por esse princípio, com a fonte de calor novamente sendo decaída por radioisótopos.

   Os tubos de elétrons usam esse princípio em parte. Em vez de aquecer algo para que os elétrons voem por conta própria, você pode aquecê-lo quase até esse ponto, para que eles voem quando é aplicada uma voltagem extra. Esta é a base do diodo do tubo de vácuo e importante para a maioria dos tubos de vácuo. É por isso que esses tubos tinham aquecedores e você podia vê-los brilhar. São necessárias temperaturas brilhantes para chegar a onde o efeito termiônico é significativo.

7. Piezoelétrico. Certos materiais (cristal de quartzo, por exemplo) geram uma tensão quando você os aperta. Alguns microfones funcionam com esse princípio. As variadas ondas de pressão no ar que chamamos de som esmagam e esmagam um cristal de quartzo alternadamente, o que faz com que produza pequenas ondas de tensão como resultado. Podemos amplificá-los para, eventualmente, fazer sinais que você pode gravar, dirigir alto-falantes para que você possa ouvi-los, etc.

   Este princípio também é usado em muitos dispositivos de ignição de churrasqueiras. Um mecanismo de mola golpeia um cristal de quartzo com bastante força, de modo que ele produz tensão suficiente para causar uma faísca.

Usando uma analogia de fluido, Voltagem é pressão, Corrente é Taxa de fluxo.

"Tensão" é uma quantidade derivada. É difícil entender seu significado físico sem entender as quantidades das quais é derivado.

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Fazemos aproximar de zero para negligenciar alguns outros efeitos eletromagnéticos; não deixe que isso te confunda tanto. É algo como "uma aura que é capaz de gerar força por unidade de carga elétrica". Sua direção é a mesma da direção que gera, e sua magnitude é proporcional à magnitude da força.$q_1$

Agora chegamos a ver que essas quantidades que definimos são muito semelhantes a outras quantidades físicas que conhecemos. Por exemplo, a força acima é muito semelhante à força entre a Terra e um objeto espacial, como a Lua. E o campo é muito semelhante ao campo gravitacional da Terra.$\bar{E}$

Em seguida, surge a idéia de definir o potencial elétrico, semelhante ao potencial de um objeto espacial em relação à Terra. O potencial de um ponto no espaço ao redor da Terra é a energia por unidade de massa para trazer um objeto (que tem unidade de massa) do infinito para esse ponto. Quando o definimos em Eletrostática, o potencial do ponto se torna:$P_2$

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Portanto, esta é a definição do campo potencial. Um ponto sempre terá um potencial, mesmo que não haja cobrança. Pense nisso como "a energia necessária para trazer uma carga unitária para lá do infinito". A diferença potencial entre dois pontos é semelhante; é a energia necessária para transportar uma carga unitária de um ponto para outro. Ou pense em um exemplo mais concreto, como nos corpos celestes. A diferença potencial entre 100 km de altura e 200 km de altura acima da superfície da Terra não passa de diferenças de energias potenciais entre dois objetos de 1 kg nas alturas especificadas.

Quando chegamos ao mundo real, o potencial de um ponto é um de todos os potenciais individuais causados ​​pelas cargas ao redor (teoria da superposição se aplica).

Uma tensão aparece sempre que houver um desequilíbrio de carga elétrica (ou seja, elétrons). Como as cargas iguais se repelem e as cargas opostas se atraem, qualquer coleção de partículas eletricamente carregadas cria algum tipo de força uma sobre a outra. Se houver um desequilíbrio de negativo para positivo, um tipo de "pressão" ou "pressão" é formado. Na condução de materiais, os elétrons são livres para fluir através do material, em vez de serem fixados em átomos, e, portanto, fluirão até o ponto de menor "pressão".

Algumas considerações complicadas:

• Eletricidade e química estão intimamente ligadas. Em uma bateria, por exemplo, um desequilíbrio químico cria um desequilíbrio elétrico (tensão) nos terminais, forçando as partículas carregadas para um lado. A química também afeta as condições elétricas de outras maneiras.
• Corrente (I) é o fluxo de elétrons, no entanto, elétrons (por serem negativos) fluem na direção oposta à "corrente". A corrente é então o fluxo conceitual de carga positiva, mesmo que o fluxo real seja negativo, mas na outra direção. Isso demonstra que um "empurrão" negativo é exatamente o mesmo que um "puxão" positivo.

Uma definição que ouvi é:

Tensão é o potencial (por carga) para fazer o trabalho.

$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

A resposta rápida, primeira aproximação, regra geral: tensão é pressão elétrica.

Mas expandindo isso: tensão não é como pressão, não exatamente. Em vez disso, é um conceito de matemática / física chamado "potenciais". A tensão é mais parecida com a altitude em um campo de gravidade, onde cada elétron ou próton é como uma rocha. Altitude não é pressão, peso ou força. Se uma pedra está no topo de uma colina, ela está em um local de alto potencial. Isso significa que o pedregulho está armazenando energia potencial (PE) e liberará essa energia como energia cinética (KE) se for permitido descer ladeira abaixo (mover-se para um local de baixo potencial). Elevado para a mesma tensão (altitude) pedregulhos maiores teria PE mais alto.

Mais preciso: a tensão é um potencial elétrico. Não é força (não é como a força ou peso descendente do pedregulho, nem a quantidade de força sobre uma carga elétrica em um campo elétrico.) Além disso, a tensão não é energia potencial, pois se tirarmos o pedregulho, então a gravidade, altitude e potencial ainda existem. Os potenciais fazem parte do próprio campo. Padrões de tensão podem ficar no espaço vazio.

A tensão é uma maneira de descrever / visualizar / medir campos elétricos.

Para descrever os campos eletrônicos, podemos desenhar linhas de fluxo entre cargas elétricas opostas. Ou então, podemos desenhar o padrão de tensão, as superfícies iso-potenciais, desenhando-as perpendiculares às linhas de fluxo. Onde quer que encontremos algumas linhas de força elétricas, também encontraremos tensão.

O que é tensão não? Quais são os equívocos típicos? Aqui está o grande problema: "a tensão é um tipo de energia potencial". Não, errado. Em vez disso, tensão é o conceito matemático "Potenciais", que não é energia, nem "potencial para fazer alguma coisa". Aqui está outro equívoco: "tensão é a energia potencial por unidade de carga". Não, errado. Essa é apenas a definição física da unidade Volt, conectando-a às unidades Joule e Coulomb. Na verdade, é o contrário: a quantidade de energia (quantidade de trabalho realizada na movimentação de uma carga através de uma certa diferença de tensão) é encontrada multiplicando a carga pela mudança de tensão! A energia elétrica é determinada pela tensão! Mas a própria tensão não precisa de carga móvel nem energia potencial armazenada, pois a tensão é uma maneira de descrever um campo no espaço vazio. As cargas de teste usadas para descrever a tensão são cargas infinitesimais imaginárias. Outro erro: "a tensão aparece na superfície dos fios". Errado, a tensão realmente se estende para o espaço ao redor dos fios. A meio caminho entre os terminais da bateria de 9V, você encontrará um potencial de 4,5V, pendurado sozinho no espaço vazio! Mas voltímetros típicos não detectam a voltagem espacial, pois isso requer um voltímetro com Z infinito (inp), ou pelo menos algumas centenas de gigohms. Os voltímetros normais de 10Meg DMM consomem uma corrente significativa e causam curto-circuito em todos os campos eletrônicos puros; portanto, eles devem ser tocados nas superfícies dos condutores para medir a tensão. Vou encontrar um potencial de 4.5V, pendurado sozinho no espaço vazio! Mas voltímetros típicos não detectam a voltagem espacial, pois isso requer um voltímetro com Z infinito (inp), ou pelo menos algumas centenas de gigohms. Os voltímetros normais de 10Meg DMM consomem uma corrente significativa e causam curto-circuito em todos os campos eletrônicos puros; portanto, eles devem ser tocados nas superfícies dos condutores para medir a tensão. Vou encontrar um potencial de 4.5V, pendurado sozinho no espaço vazio! Mas voltímetros típicos não detectam a voltagem espacial, pois isso requer um voltímetro com Z infinito (inp), ou pelo menos algumas centenas de gigohms. Os voltímetros normais de 10Meg DMM consomem uma corrente significativa e causam curto-circuito em todos os campos eletrônicos puros; portanto, eles devem ser tocados nas superfícies dos condutores para medir a tensão.

O que é tensão? É uma pilha de membranas invisíveis que preenchem o espaço entre as placas do capacitor carregado. Tensão é o padrão de camadas concêntricas de cebola que circundam qualquer objeto carregado, com as camadas de cebola perpendiculares às linhas de fluxo do campo elétrico. Portanto, 'pilhas de camadas de tensão' é uma maneira de descrever um campo elétrico. A outra maneira mais familiar é usar 'linhas de força'.

Na verdade, não podemos.

A força eletrostática é proporcional ao gradiente de potencial, mas não diretamente ao potencial. A força em um coulomb de carga é proporcional ao gradiente potencial:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

Na verdade, 1 V significa que se você tiver 1 joule de energia elétrica, ela será transferida para energia mecânica com uma carga coulomb +1 [para acelerar, ou aumentar 1 / 2mV ^ 2 em 1 J]. Na verdade, é análogo à energia.

Adicionando o que o Gunnish disse:

A tensão no ponto A é literalmente uma medida do trabalho que você gastaria se pressionasse uma carga positiva de 0V (geralmente definida como infinitamente distante de A ou terra) para A.

A tensão é importante na eletrônica, porque, se começarmos com uma carga positiva no ponto A, ele poderá executar a mesma quantidade de trabalho chegando a 0V (por exemplo, acendendo um LED no processo).

O que está empurrando as eleições é uma diferença no potencial de energia, bem como a maneira como você está sendo empurrado / puxado para a terra pela gravidade. Isso gera uma probabilidade favorável de os elétrons se moverem de um lado para o outro, o que também explica em parte porque os elétrons se movem "aleatoriamente" em um fio.