Aquí hay una introducción basada en la física a los conceptos de EE que está tratando de entender.
Sus preguntas se responden en la parte inferior.
Todo deriva del flujo de "carga"
Electrónica, como denota su palabra raíz electrón , es en gran medida un estudio del flujo de electrones en un sistema particular.
Los electrones son los "portadores" fundamentales de carga en un circuito típico; es decir, cómo se "mueve" la carga en la mayoría de los circuitos.
Adoptamos una convención de firma que dice que los electrones tienen una carga "negativa". Además, un electrón representa la unidad de carga más pequeña a escala atómica (física clásica). Esto se llama la carga "elemental" y se encuentra en Coulombs.- 1.602 × 10- 19
Por el contrario, los protones tienen una carga firmada "positiva" de Coulombs.+ 1.602 × 10- 19
Sin embargo, los protones no pueden moverse tan fácilmente porque normalmente están unidos a los neutrones dentro de los núcleos atómicos por la fuerza nuclear fuerte. Se necesita mucha más energía para eliminar protones de los núcleos atómicos (la base de la tecnología de fisión nuclear, por cierto) que eliminar electrones.
Por otro lado, podemos desalojar electrones de sus átomos con bastante facilidad. De hecho, las células solares se basan completamente en el efecto fotoeléctrico (uno de los descubrimientos seminales de Einstein) porque los "fotones" (partículas de luz) desalojan los "electrones" de sus átomos.
Campos eléctricos
Todas las cargas ejercen un campo eléctrico "indefinidamente" en el espacio. Este es el modelo teórico.
Un campo es simplemente una función que produce una cantidad vectorial en cada punto (una cantidad que contiene magnitud y dirección ... para citar Mi villano favorito ).
Un electrón crea un campo eléctrico donde el vector en cada punto del campo apunta hacia el electrón (dirección) con una magnitud correspondiente a la ley de Coulomb:
El | mi⃗ El | = 14 πϵ0 0constantefactor El |qEl |r2concentrarse enesta parte
Las instrucciones se pueden visualizar como:
Estas direcciones y magnitudes se determinan en función de la fuerza (dirección y magnitud) que se ejercería sobre una carga de prueba positiva. En otras palabras, las líneas de campo representan la dirección y la magnitud que experimentaría una carga positiva de prueba .
Una carga negativa experimentaría una fuerza de la misma magnitud en la dirección opuesta .
Según esta convención, cuando un electrón está cerca de un electrón o un protón cerca de un protón, se repelerán.
Superposición: cobros de cargas
Si suma todos los campos eléctricos ejercidos individualmente por todas las cargas en una región en un punto particular, obtendrá el campo eléctrico total en ese punto ejercido por todas las cargas.
Esto sigue el mismo principio de superposición utilizado para resolver problemas de cinemática con múltiples fuerzas que actúan sobre un objeto singular.
La carga positiva es la ausencia de electrones; carga negativa es el excedente de electrones
Esto se aplica específicamente a la electrónica donde estamos lidiando con el flujo de carga a través de materiales sólidos.
Para repetir: la electrónica es el estudio del flujo de electrones como portadores de carga; Los protones no son los principales portadores de carga.
Nuevamente: para los circuitos, los electrones se mueven, los protones no.
Sin embargo, se puede crear una carga positiva "virtual" por la ausencia de electrones en una región de un circuito porque esa región tiene más protones netos que electrones .
Recordemos el modelo de electrones de valencia de Dalton donde los protones y los neutrones ocupan un pequeño núcleo rodeado de electrones en órbita.
Los electrones que están más alejados del núcleo en la capa de "valencia" más externa tienen la atracción más débil hacia el núcleo según la ley de Coulomb que indica que la intensidad del campo eléctrico es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
Al acumular carga, por ejemplo, en una placa u otro material (por ejemplo, frotándolos vigorosamente como en los viejos tiempos), podemos generar un campo eléctrico. Si colocamos electrones en este campo, los electrones se moverán macroscópicamente en una dirección opuesta a las líneas del campo eléctrico.
Nota: como describirá la mecánica cuántica y el movimiento browniano, la trayectoria real de un electrón individual es bastante aleatoria. Sin embargo, todos los electrones exhibirán un movimiento macroscópico "promedio" basado en la fuerza indicada por el campo eléctrico.
Por lo tanto, podemos calcular con precisión cómo responderá una muestra macroscópica de electrones a un campo eléctrico.
Potencial eléctrico
Recordemos la ecuación basada en la ley de Coulomb que indica la magnitud de la fuerza ejercida sobre una carga de prueba positiva :El | mi⃗ El |
El | mi⃗ El | = 14 πϵ0 0El | qEl |r2
De esta ecuación, vemos como , . Es decir, la magnitud de la fuerza ejercida sobre una carga de prueba positiva se hace más grande cuanto más nos acercamos al origen del campo eléctrico.r → 0El | mi⃗ El | → ∞
Dicho en el opuesto, como , : a medida que se aleja infinitamente del origen de un campo eléctrico, la intensidad del campo tiende a cero.r → ∞El | mi⃗ El | → 0
Ahora, considere la analogía de un planeta. A medida que aumenta la masa acumulada total del planeta, también lo hace su gravedad. La superposición de los tirones gravitacionales de toda la materia contenida en la masa del planeta produce atracción gravitacional.
Aparte: la masa de tu cuerpo ejerce una fuerza sobre el planeta, pero la masa del planeta hasta ahora excede la masa de tu cuerpo que su atracción gravitacional es eclipsada por la atracción del planeta.( Mplaneta≫ mtú)
Recordemos de la cinemática que el potencial gravitacional es la cantidad de potencial que tiene un objeto debido a su distancia del centro gravitacional del planeta . El centro gravitacional del planeta puede tratarse como una fuente de gravedad puntual.
Del mismo modo, definimos el potencial eléctrico como la cantidad de energía necesaria para mover una carga de prueba positiva desde infinitamente lejos hasta un punto específico.q
En el caso del potencial gravitacional, suponemos que el campo de gravedad es cero infinitamente lejos del planeta.
Si tenemos una masa que comienza infinitamente lejos, el campo gravitacional del planeta funciona para acercar la masa. Por lo tanto, el campo gravitacional "pierde potencial" a medida que una masa se acerca al planeta. Mientras tanto, la masa se acelera y gana energía cinética.planeta m → gmetrosol⃗ planeta
Del mismo modo, si tenemos una carga de prueba positiva que comienza desde infinitamente lejos de una carga fuente que genera un campo eléctrico , el potencial eléctrico en un punto es cuánta energía se necesitaría para mover la carga de prueba a cierta distancia de la carga de origen.→ E fuente rqfuentemi⃗ fuenter
Esto resulta en:
- Las cargas negativas ganan potencial eléctrico cuando se mueven en la dirección del campo eléctrico y lejos de una carga de fuente positiva.mi⃗
- Las cargas negativas pierden potencial eléctrico cuando se mueven en dirección opuesta al campo eléctrico y hacia una carga fuente positiva.mi⃗
- Por el contrario, las cargas positivas pierden potencial eléctrico cuando se mueven en la dirección del campo eléctrico y lejos de una carga fuente positiva.mi⃗
- Las cargas positivas ganan potencial eléctrico cuando se mueven en la dirección opuesta al campo eléctrico y hacia una carga fuente positiva.mi⃗
Potencial electrico en conductores
Considere el modelo de conductores o metales de transición como el cobre o el oro que tienen un "mar de electrones". Este "mar" está compuesto por electrones de valencia que están más libremente acoplados y más o menos "compartidos" entre múltiples átomos.
Si aplicamos un campo eléctrico a estos electrones "sueltos", están inclinados, en un promedio macroscópico, a moverse en una dirección específica con el tiempo.
Recuerde, los electrones viajan en la dirección opuesta al campo eléctrico.
Del mismo modo, colocar una longitud de conductor de cable cerca de una carga positiva causará un gradiente de carga a lo largo de la longitud del cable.
La carga en cualquier punto del cable puede calcularse utilizando su distancia desde la carga fuente y los atributos conocidos del material utilizado en el cable.
La carga positiva debido a la ausencia de electrones aparecerá más lejos de la carga fuente positiva, mientras que la carga negativa debido a la recolección y el exceso de electrones se formarán más cerca de la carga fuente.
Debido al campo eléctrico, aparecerá una "diferencia de potencial" entre dos puntos en el conductor. Así es como un campo eléctrico genera voltaje en un circuito.
El voltaje se define como la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos en un campo eléctrico.
Finalmente, la distribución de carga a lo largo del cable alcanzará el "equilibrio" con el campo eléctrico. Esto no significa que la carga deje de moverse (recuerde el movimiento browniano); solo que el movimiento de carga "neto" o "promedio" se aproxima a cero.
Baterías no ideales
Hagamos una fuente de energía de celda galvánica o voltaica .
Esta celda funciona con la reacción redox electroquímica de las barras de zinc y cobre en una solución acuosa de sal de nitrato de amonio .( NH4 4) ( NO3)
El nitrato de amonio es una sal unida iónicamente que se disuelve en agua en sus iones constituyentes y . NO - 3NUEVA HAMPSHIRE+4 4NO-3
Terminología útil:
- catión : un ion cargado positivamente
- anión : un ion cargado negativamente
- cátodo : los cationes se acumulan en el cátodo
- ánodo : los aniones se acumulan en el ánodo
Mnemotécnico útil: " un ion" es " un ion" es " un ion egativo"
Si examinamos la reacción de la celda galvánica de zinc-cobre arriba:
Zn ( NO3)2 + Cu 2 +⟶Zn2 + + Cu ( NO 3)2
El movimiento de cationes y es el flujo de carga positiva en forma de iones. Este movimiento va hacia el cátodo . Cu 2 +Zn2 +Cu2 +
Nota: Anteriormente dijimos que la carga positiva es la "ausencia" de electrones. Los cationes (iones positivos) son positivos porque la eliminación de los electrones da como resultado una carga atómica neta positiva debido a los protones en el núcleo. Estos cationes son móviles en la solución de la celda galvánica, pero como puede ver, los iones no viajan a través del puente conductor que conecta los dos lados de la celda . Es decir, solo los electrones se mueven a través del conductor .
Basado en el hecho de que los cationes positivos se mueven y se acumulan hacia el cátodo, lo etiquetamos como negativo (las cargas positivas son atraídas por las negativas).
Por el contrario, debido a que los electrones se mueven hacia el ánodo y se acumulan en él, lo etiquetamos como positivo (las cargas negativas se atraen a las positivas).
¿Recuerdas cómo aprendiste que la corriente fluye de a ? Esto se debe a que la corriente convencional sigue el flujo de carga positiva y cationes, no carga negativa.-+-
Esto se debe a que la corriente se define como el flujo de carga positiva virtual a través de un área de sección transversal . Los electrones siempre fluyen opuestos a la corriente por convención.
Lo que hace que esta celda galvánica no sea ideal es que eventualmente el proceso químico que genera el campo eléctrico a través del conductor y hace que los electrones y la carga fluyan llegará al equilibrio.
Esto se debe a que la acumulación de iones en el ánodo y el cátodo evitará que la reacción continúe.
Por otro lado, una fuente de energía "ideal" nunca perderá la fuerza del campo eléctrico.
Las fuentes de voltaje ideales son como escaleras mecánicas mágicas.
Volvamos a la analogía del potencial gravitacional.
Suponga que está en una colina y tiene un camino arbitrario cuesta abajo construido con paredes de cartón. Digamos que haces rodar una pelota de tenis por este camino con paredes de cartón. La pelota de tenis seguirá el camino.
En los circuitos, el conductor forma el camino.
Ahora digamos que tiene una escalera mecánica al pie de la colina. Como una máquina Rube Goldberg, la escalera mecánica recoge las pelotas de tenis que ruedas por el camino, luego las deja caer al comienzo del camino en la cima de la colina.
La escalera mecánica es su fuente de energía ideal.
Ahora, digamos que satura casi por completo todo el camino (escalera mecánica incluida) con pelotas de tenis. Solo una larga línea de pelotas de tenis.
Debido a que no saturamos completamente el camino, todavía hay huecos y espacios para que se muevan las pelotas de tenis.
Una pelota de tenis que sube por la escalera mecánica choca con otra pelota, que choca con otra pelota que ... sigue y sigue.
Las pelotas de tenis que bajan por el camino en la colina ganan energía debido a la diferencia potencial en la gravedad. Rebotan entre sí hasta que finalmente, otra pelota se carga en la escalera mecánica.
Llamemos a las pelotas de tenis nuestros electrones. Si seguimos el flujo de electrones cuesta abajo, a través de nuestro "circuito" de cartón falso, luego subimos por la "fuente de energía" de la escalera mecánica mágica, notamos algo:
Los "espacios" entre las pelotas de tenis se mueven en la dirección exactamente opuesta a las pelotas de tenis (subiendo la colina y bajando la escalera mecánica) y se mueven mucho más rápido. Las bolas se mueven naturalmente de alto potencial a bajo potencial, pero a una velocidad relativamente lenta. Luego se vuelven a mover a un alto potencial usando la escalera mecánica.
La parte inferior de la escalera mecánica es efectivamente el terminal negativo de una batería, o el cátodo en la celda galvánica que discutimos anteriormente.
La parte superior de la escalera mecánica es efectivamente el terminal positivo de una batería, o el ánodo en una celda galvánica. El terminal positivo tiene un mayor potencial eléctrico.
Corriente
Bien, entonces la dirección en la que fluye la carga positiva es la dirección de la corriente eléctrica.
¿Qué es actual?
Por definición, es: la cantidad de carga que pasa a través de un área transversal por segundo (unidades: Coulombs por segundo). Es directamente proporcional al área de la sección transversal del alambre / material conductor y la densidad de corriente. La densidad actual es la cantidad de carga que fluye a través de una unidad de área (unidades: Coulombs por metro cuadrado).
Aquí hay otra forma de pensarlo:
Si tiene un lanzador de pelotas de tenis que escupe pelotas cargadas positivamente a través de una puerta, el número de pelotas que atraviesa la puerta por segundo determina su "corriente".
Qué tan rápido se mueven esas bolas (o cuánta energía cinética tienen cuando golpean una pared) es el "voltaje".
Conservación de carga y tensión.
Este es un principio fundamental.
Piénselo así: hay un número fijo de electrones y protones. En un circuito eléctrico, la materia no se crea ni se destruye ... por lo que la carga siempre permanece igual. En el ejemplo de la escalera mecánica de pelotas de tenis, las pelotas iban en un bucle. El número de bolas se mantuvo fijo.
En otras palabras, la carga no se "disipa". Usted nunca se carga perder.
Lo que sucede es que la carga pierde potencial . Las fuentes de voltaje ideales devuelven su potencial eléctrico a la carga.
Las fuentes de voltaje NO crean carga. Generan potencial eléctrico.
Corriente que fluye dentro y fuera de los nodos, resistencia
Tomemos ese principio de conservación de la carga. Se puede aplicar una analogía similar al flujo de agua.
Si tenemos un sistema fluvial en una montaña que se ramifica, cada rama es análoga a un "nodo" eléctrico.
/ BRANCH A
/
/
MAIN ---
\
\
\ BRANCH B
-> downhill
La cantidad de agua que fluye hacia una rama debe ser igual a la cantidad de agua que fluye fuera de la rama por el principio de conservación: el agua (carga) no se crea ni se destruye.
Sin embargo, la cantidad de agua que fluye hacia abajo de una rama en particular depende de cuánta "resistencia" presenta esa rama.
Por ejemplo, si la rama A es extremadamente estrecha, la rama B es extremadamente ancha y ambas ramas tienen la misma profundidad, entonces la rama B tiene naturalmente el área transversal más grande.
Esto significa que la rama B presenta menos resistencia y un mayor volumen de agua puede fluir a través de ella en una sola unidad de tiempo.
Esto describe la ley actual de Kirchoff.
¿Todavía estás aquí? ¡Increíble!
1. ¿Qué le sucede al resto de la corriente no utilizada?
Debido al principio de conservación, toda carga en un nodo debe fluir. No hay corriente "no utilizada" porque no se utiliza corriente . No hay cambio en la corriente en un solo circuito en serie.
Sin embargo, diferentes cantidades de corriente pueden fluir por diferentes ramas en un nodo eléctrico en un circuito paralelo dependiendo de las resistencias de las diferentes ramas.
2. ¿Utiliza el LED toda la corriente?
Técnicamente, el LED y las resistencias no "usan" corriente, porque no hay una caída de corriente (la cantidad de carga que pasa a través del LED o las resistencias en una unidad de tiempo). Esto se debe a la conservación de la carga aplicada a un circuito en serie: no hay pérdida de carga en todo el circuito, por lo tanto, no hay caída de corriente.
La cantidad de corriente (carga) está determinada por el comportamiento del LED y las resistencias según lo descrito por sus curvas iv
3. ¿Por qué el LED "baja el voltaje" en cierta cantidad?
Aquí hay un circuito básico de LED .
Un LED tiene un voltaje de activación, generalmente alrededor de ~ 1.8 a 3.3 V. Si no cumple con el voltaje de activación, prácticamente no fluirá corriente. Consulte las curvas de LED iv vinculadas a continuación.
Si intenta impulsar la corriente en la dirección opuesta a la polaridad de los LED, estará operando el LED en un modo de "polarización inversa" en el que casi no pasa corriente. El modo de funcionamiento normal de un LED es el modo de polarización directa. Más allá de cierto punto en el modo de polarización inversa, el LED "se descompone". Mira el gráfico iv de un diodo.
Los LED son en realidad uniones PN (silicio p dopado y n dopado aplastados). Según los niveles de Fermi del silicio dopado (que depende de los espacios de banda de electrones del material dopado) los electrones requieren una cantidad muy específica de energía de activación para saltar a otro nivel de energía. Luego irradian su energía como un fotón con una longitud de onda / frecuencia muy específica a medida que saltan a un nivel inferior.
Esto explica la alta eficiencia (más del 90% de la energía disipada por un LED se convierte en luz, no en calor) de los LED en comparación con las bombillas de filamento y CFL.
Esta es también la razón por la cual la iluminación LED parece tan "artificial": la luz natural contiene una mezcla relativamente homogénea de un amplio espectro de frecuencias; Los LED emiten combinaciones de frecuencias de luz muy específicas.
Los niveles de energía también explican por qué la caída de voltaje a través de un LED (u otros diodos) es efectivamente "fija" incluso a medida que pasa más corriente. Examine la curva iv para un LED u otro diodo: más allá del voltaje de activación, la corriente aumenta MUCHO para un pequeño aumento en el voltaje. En esencia, el LED intentará dejar que fluya tanta corriente como sea posible, hasta que se deteriore físicamente.
Esta es también la razón por la que usa una resistencia limitadora de corriente en línea para limitar el flujo de corriente a través de un diodo / LED a un miliamperio específico según la especificación del LED.
3 (b). ¿Y qué sucede con el resto de los componentes en serie? ¿Cae el voltaje para cada componente, hasta que no queda nada?
Sí, la ley de voltaje de Kirchoff es que la suma de todas las caídas de voltaje en un circuito alrededor de un circuito es cero . En un circuito en serie simple, solo hay un bucle.
4. ¿Elige su resistencia hasta el punto de "usar toda la corriente / voltaje" antes de que llegue al final del circuito?
No. Usted elige su resistencia según la clasificación de corriente del LED (digamos 30 mA = 0.03 A) y la ley de Ohm como se describe en el artículo del circuito del LED .
Tu voltaje se agotará. Su corriente sigue siendo la misma en todo el circuito de una sola serie.
5. ¿Por qué una batería se queda sin carga si conecta los terminales directamente, pero si agrega una bombilla (resistencia), no es así?
No estoy seguro de lo que quieres decir con "muy corto".
Conectar los terminales de una batería juntos resulta en una gran corriente descargada al voltaje de la batería. Ese voltaje se disipa a través de la resistencia interna de la batería y el cable conductor en forma de calor, porque incluso los conductores tienen cierta resistencia.
Es por eso que las baterías en corto se calientan mucho. Ese calor puede afectar negativamente la composición de una célula química hasta que explote.
6. ¿Por qué son necesarias las resistencias?
Aquí está la retórica: imagina que hay este increíble concierto. Todas tus bandas favoritas estarán allí. Será un buen momento.
Digamos que los organizadores del evento no tienen un concepto de realidad. Entonces hacen que la entrada a este increíble concierto sea casi completamente gratis. Lo ponen en un área extremadamente accesible. De hecho, están tan desorganizados que ni siquiera les importa si venden en exceso y no hay suficientes asientos para todos los que compran boletos.
Ah, y esto es en Nueva York.
Con bastante rapidez, este increíble concierto se convierte en un desastre total. Las personas están sentadas unas sobre otras, derramando cerveza por todas partes; Las peleas están estallando, los baños están atascados, las groupies están asustando a todos, y apenas puedes escuchar la música sobre todo la conmoción.
Piensa en tu LED como ese increíble concierto. Y piense en lo desordenado que será su LED si no tiene más resistencia allí para evitar que TODOS y sus madres aparezcan en el concierto.
En este tonto ejemplo, "resistencia" se traduce en "costo de entrada". Por simples principios económicos, aumentar el costo del concierto disminuye el número de personas que asistirán.
Del mismo modo, aumentar la resistencia en un circuito evita que la carga (y posteriormente la corriente) pase. Esto significa que su LED (concierto) no es completamente destruido por todas las personas (carga).
Sí, la ingeniería eléctrica es una verdadera fiesta.