Corriente constante en un circuito?

8

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Una batería bombea electrones creando un campo eléctrico y convirtiendo la energía potencial eléctrica en cinética. Cerca del terminal positivo, los electrones tienen más energía cinética, así que ¿no debería ser mayor la corriente?

Una analogía podría aclarar mi pregunta: si deja caer una pelota desde un edificio, la pelota se acelerará cuando llegue al suelo porque se ha convertido más energía potencial en energía cinética. Del mismo modo, ¿no deberían los electrones moverse más rápido a medida que se acercan al terminal positivo, ya que tienen más energía cinética? Y, en consecuencia, ¿no debería ser mayor la corriente?

electromagnetism physics

— dfg
fuente

1

Tu analogía está completamente apagada. La realidad es más como la cuna de Newton. En su analogía, solo hay 1 molécula (una bola). En realidad, tan pronto como sueltas un electrón, simplemente chocará con otro electrón.

— hassan789

5

En los circuitos eléctricos, la velocidad es más o menos la corriente (Coulombs / seg). La energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado (1/2 * m * v ^ 2), significa que si tiene una corriente constante, tiene en promedio una energía cinética constante.

Por lo tanto, dado que todo el cable está lleno de electrones (prácticamente sin espacios); Todos los electrones deben tener la misma velocidad (misma corriente), por lo que la energía cinética es igual en todas partes.

Analogía, donde las moléculas de agua = electrones. Puede ver que las moléculas al comienzo de la bomba no tienen una velocidad (corriente) mayor. ingrese la descripción de la imagen aquí

Otra analogía más débil es que un tren. Imagine el motor (batería) como el mecanismo que aplica la fuerza (voltaje / fem) al resto de los carros (electrones). Todos los carros del tren tendrán la misma velocidad.

— hassan789
fuente

1

La energía cinética no es proporcional a la velocidad. El momento es proporcional a la velocidad (suponiendo que la mecánica newtoniana - no relativista esté en juego)

— Spehro Pefhany

Es proporcional a , no . En el ejemplo que cité, eso hace una diferencia de aproximadamente 8 órdenes de magnitud, y es importante entender por qué la energía cinética de los electrones tiene un efecto insignificante.

v^{2}

$v^2$

v

$v$

— Spehro Pefhany

lo siento, tienes razón, V ^ 2. Sin embargo, suponiendo que V es constante, también lo es el KE.

— hassan789

3

Aquí hay algunas buenas respuestas teóricamente correctas. Permítanme tratar de explicarlo desde un punto de vista diferente:

Tiendo a no pensar en los electrones que fluyen a través de los cables, ya que esto implica que su masa e impulso es lo que está causando la transferencia de energía. A menudo escuchas que debes imaginar un tubo de pelotas de ping-pong. ¡Pero esto también puede ser engañoso! En su lugar, imagine una tubería de 8 pies de diámetro llena de arena. Usted fuerza un poco de arena en un extremo, y algunos saldrán por el otro extremo, pero la velocidad, la masa y el impulso no influyen demasiado.

La transferencia de energía ocurre debido a un frente de onda de electrones excitados que empujan (a través de campos eléctricos) a todos los demás electrones a su alrededor. No por la masa de electrones que imparte impulso newtoniano. ¡La deriva electrónica real en un conductor de cobre de 1 mm de espesor es del orden de un milímetro por segundo!

De hecho, ese es uno de los grandes lugares donde se rompe la analogía del agua. ¡No hay impulso eléctrico basado en la masa! (Esa es una declaración fuerte, y no es absolutamente correcta, pero le servirá bien)

Si desea "agregar" impulso a su circuito, utilizará un inductor. Esto hace que la analogía del agua sea útil nuevamente :)

Hay un excelente ejemplo de este análogo. Echa un vistazo a este YouTube de una bomba Ram: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . Es una tecnología antigua y ordenada que muchas personas nunca han visto. ¡Resulta que es exactamente lo mismo que un convertidor de impulso! Si aún no ha visto los convertidores de impulso, pronto lo hará. Se usan por todos lados en circuitos eléctricos.

La Ram Pump funciona según el impulso. Para que funcione en electrónica, ¡usa un inductor para impartir un análogo de impulso! ¡Es impresionante! Use un diodo para la válvula unidireccional y un condensador para la cámara de presión.

Te estás embarcando en una aventura divertida, todo esto de ingeniería / física :)

Buena suerte.

— bitsmack
fuente

2

¿Por qué la corriente es constante en todas partes?

Bueno, en realidad no lo es. Esto es lo que falta en su analogía: si la diferencia en el potencial gravitacional de arriba a abajo del edificio es análoga a la diferencia en el potencial eléctrico (voltaje) de la batería, y la bola representa una carga eléctrica (por ejemplo, un electrón) , lo que falta es toda la otra carga en el cable.

Todos los conductores están llenos de carga eléctrica móvil, como una tubería llena de agua. Si pones algo de carga en un extremo, creas una "presión" más alta en ese extremo. Luego, una ola de fuerza se propaga a través del fluido con el resultado final de igualar la presión en todas partes. En el agua, estas ondas se mueven a la velocidad del sonido. En un cable, se mueven a la velocidad de la luz. ¹

Debido a que estas ondas eventualmente se propagarán por todo el circuito, si el voltaje de la batería no cambia, eventualmente alcanzará el equilibrio y la corriente será la misma en todas partes. Cuando el tamaño del circuito es pequeño, la luz es tan rápida que es razonable suponer que estas ondas se propagan "instantáneamente" y que la corriente es la misma en todas partes del circuito.

Cuando este no es el caso, y el tiempo que demora la propagación de los cambios se vuelve significativo, es probable que el circuito se modele con una línea de transmisión y probablemente esté ingresando a la disciplina de la ingeniería de RF .

Probablemente tampoco deberías pensar en los electrones que se mueven del terminal negativo al terminal positivo. Te confundirás porque todo estará al revés (porque los electrones son carga negativa ), y también estarás olvidando aproximadamente la mitad de la carga en el universo: protones y otra carga positiva . Raramente es relevante el movimiento de electrones individuales, y en muchos circuitos (y ciertamente en cualquier circuito con batería), los electrones no son los únicos portadores de carga. Por lo general, nos preocupamos por las fuerzas transmitidas por los transportistas de carga, no por los transportistas de carga. Ver:

En su caso particular, cuando la batería se conecta por primera vez, los electrones son atraídos al terminal positivo y repelidos desde el terminal negativo. La corriente comienza a fluir en ambos terminales de la batería, y luego la onda de fuerza se propaga a través del cable hasta que la corriente fluye por todas partes y el circuito alcanza el equilibrio.

Probablemente también encuentre esto esclarecedor: ¿cómo sabe la corriente cuánto fluye, antes de haber visto la resistencia?

^{1: La velocidad de la luz en materiales particulares difiere, al igual que la velocidad del sonido. Vea el factor de velocidad y la radiación Cherenkov muy fría , algo así como el análogo de luz de un boom sónico.}

— Phil Frost
fuente

1

La energía cinética de la deriva de electrones es mínima. Podemos ver su efecto en circuitos superconductores, y en frecuencias cercanas a la luz del día, donde aparece como una especie de inductancia , pero no es significativo en los circuitos ordinarios.

Los electrones en un cable derivan muy lentamente, metros por hora. Eso representa una corriente sustancial porque hay muchos de ellos.

Recuerde que la corriente es el flujo de carga (cuantificado como tanta carga por electrón) por unidad de tiempo, nada que ver con la energía cinética, solo cuántos electrones pasan un 'divisor' dado por segundo.

— Spehro Pefhany
fuente

1

Una buena manera de visualizar la deriva de los electrones es apretar completamente un tubo de gran diámetro con pelotas de ping pong de arriba a abajo ... empacarlo hasta que las bolas estén al ras de los bordes. Si empujas una bola más hacia adentro en un extremo, una bola sale por el otro extremo. ¡Eso es deriva electrónica! El tubo lleno de pelotas de ping pong es como el cable lleno de electrones. Poner una pelota en un extremo hace que uno salga por el otro extremo. A pesar de que la pelota solo se movió 40 mm (el diámetro de una pelota de ping pong), el trabajo se realizó en el otro extremo del tubo (el cable)

— Brian Onn

Algunos (no todos) de los razonamientos están equivocados. Por ejemplo, la corriente de hecho está directamente relacionada con la energía.

— hassan789

0

Los electrones que se mueven en un cable no son como bolas que se caen.

Cuando sueltas una pelota desde un edificio, no tiene mucho para detenerla hasta que toca el suelo. Solo hay aire en el camino, lo que representa una influencia muy pequeña en la pelota sobre las condiciones que uno podría imaginar en este experimento mental.

Los circuitos eléctricos no son así. La masa de los electrones en comparación con la masa de todo lo demás (protones, neutrones) en el cable es muy pequeña. Pero más significativamente, el cable está lleno de electrones. No puedes "soltar" un electrón: simplemente golpeará a otros electrones. No pienses en una pelota: piensa en un mar de bolas. Las bolas individuales no son realmente tan relevantes: generalmente lo que nos importa es cómo podemos explotar este "fluido" invisible para hacer el trabajo.

El circuito que has dibujado, por cierto, no puede existir. En un esquema, las líneas representan "cables" ideales que son infinitamente conductores, lo que significa que el voltaje es el mismo en todas partes. Hay muchas maneras de explicar esto, pero aquí hay una: tome la ley de Ohm:

V = I R

$V = IR$

Nuestro cable ideal "infinitamente conductor" significa "resistencia cero". Entonces:

V = I \cdot 0 Ω

$V = I \cdot 0 \Omega$

Voltaje de lata ( $V$ ) sea cualquier cosa menos cero voltios?

Mientras tanto, la batería mantiene idealmente una constante de 9V entre sus terminales. Si llamamos al potencial en la terminal positiva $V_+$ y el potencial en el terminal negativo $V_-$ , entonces la batería introduce la restricción:

V_{+} - V_{-} = 9 V

$V_+ - V_- = 9\mathrm V$

El cable esquemático que conecta los terminales de la batería también comparte los mismos terminales de la batería y, como se indicó anteriormente, el voltaje a través de este cable debe ser 0V, por definición. Entonces tenemos este sistema de ecuaciones:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = I \cdot 0 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 0\Omega \end{cases}$

¿Hay alguna solución a este sistema de ecuaciones? No hay. Este circuito no puede existir.

Si intenta construir este circuito con un cable real, ese cable tendrá una pequeña resistencia. Digamos que es $1\Omega$ . La mayoría de los cables cortos serán menos, pero esto facilitará las matemáticas. Ahora las ecuaciones son:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = I \cdot 1 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 1\Omega \end{cases}$

Ahora está claro que la corriente será de 9A.

Esto debería aclarar su experimento mental: en cualquier circuito real , debe haber alguna resistencia ¹ entre los terminales de la batería. Si desea hacer una analogía con fenómenos físicos más familiares, la resistencia es como una fricción que actúa sobre la carga eléctrica. Aquí es donde va la energía de mover la carga de un potencial alto (terminal positivo) a un potencial más bajo (terminal negativo): se convierte en calor en la resistencia.

^{1: los superconductores no tienen resistencia, pero sí tienen inductancia. Siempre que la batería pueda continuar suministrando energía, no hay límite en cuanto a la intensidad de la corriente, pero la corriente crece a un ritmo finito, por lo que una corriente infinita requeriría una fuente de energía infinita.}

— Phil Frost
fuente

¡Gracias, pero no respondiste mi pregunta! Su respuesta dejó en claro que el circuito no puede existir, y que los electrones son como un fluido, pero realmente no abordó mi pregunta. ¿Por qué no se acelera el "fluido"?

— dfg

@dfg Intentaré un enfoque diferente en otra respuesta. Stand by ...

— Phil Frost