Pregunta de circuitos en paralelo y en serie (flujo de electrones)

Creo que la forma de pensar esto es pensar en líneas de carga .

(Dominiopúblico imagen de Wikimedia)

Lo que muestra el gráfico de la línea de carga es dos ecuaciones que deben resolverse para obtener el punto de operación del circuito. I es la corriente que circula por el circuito en el sentido de las agujas del reloj. V_D es el potencial como se indica en el esquema. La curva de respuesta del diodo muestra todas las combinaciones posibles de I y V_D que son consistentes con la ecuación característica del diodo:

\ $ I (V_D) = I_s (\ exp {(nV_D / V_T)} - 1) \ $.

Y la curva de la línea de carga muestra todas las combinaciones posibles de I y V_D que son consistentes con las características de la fuente de Thevenin formada por la batería y la resistencia:

\ $ I (V_D) = (V_ {DD} - V_D) / R \ $

Ya que solo hay una combinación de I y V_D que satisface ambas ecuaciones, mostradas por la intersección de las dos curvas, que Ser el punto de funcionamiento del circuito.

Entonces, ¿cómo ayuda esto a responder tu pregunta?

Cuando pones dos componentes en paralelo, su voltaje es el mismo y sus corrientes se suman, por lo que la curva de respuesta de la combinación paralela se estira en la dirección "I". Cuando pones dos componentes en serie, su corriente es la misma y sus voltajes se agregan, por lo que la curva de respuesta de la combinación en serie se estira en la dirección "V".

  

si tuviéramos un LED conectado entre una batería de 5v, como + ---- LED ---- (Tierra), experimentaríamos una caída de voltaje de 5v sobre el LED,

Esto no es un escenario realista, debido a la forma pronunciada de la curva de respuesta de un diodo. Si coloca 5 V en un diodo, es más probable que haga volar el diodo en lugar de tener un circuito en funcionamiento.

Dicho esto, las fuentes de voltaje real, como las baterías, tienen cierta resistencia de la serie parásita (y los diodos reales también tienen cierta resistencia de la serie parásita), por lo que si tiene un diodo lo suficientemente robusto, puede encontrar su punto de funcionamiento cuando funciona con una batería de 5 V utilizando un análisis de línea de carga como el que se muestra en la imagen de arriba.

  

Sin embargo, 2 leds serían solo una caída de voltaje de 2.5 unidades ... No entiendo ¿POR QUÉ es? ¿No debería usarse toda la "presión" del voltaje de la batería después del primer LED?

Si tiene dos dispositivos en serie, su corriente es la misma. Si son componentes idénticos (con curvas de respuesta idénticas), eso significa que el voltaje en cada uno debe ser el mismo que el otro. Entonces, si pones 5 V en una combinación en serie de partes idénticas, sabes que obtendrás 2.5 V en cada una de ellas.

  

Además, ¿cómo se puede distribuir la presión / tensión en un circuito paralelo?

En un circuito real no está perfectamente distribuido porque hay cierta resistencia en los cables que conectan las partes. Pero en un modelo con cables ideal , es la definición del cable que el voltaje es el mismo en todos los puntos del cable. Y esta aproximación es lo suficientemente buena para analizar la gran mayoría de los circuitos.

1) ¿Cómo se puede 'drenar' una bañera / lavabo / cubeta más rápido si hay tres mangueras en lugar de una?

2) Cuando se colocan tres resortes de extremo a extremo y se estiran (o se comprimen), ¿todos los resortes están comprimidos (marcados) o solo uno en un extremo?

La energía se drena de una batería, como el agua se drena de un cubo. La gravedad hace que el agua se vaya: el potencial electroquímico hace que los electrones se vayan. Si coloca más agujeros, o si los hace más grandes, el agua desaparecerá antes. Si pones más resistencias, o haces que las resistencias sean más conductoras, la potencia se irá antes.

Las resistencias en serie actúan como resortes en serie porque ambos son sistemas LINEALES. Esa palabra, LINEAR, significa exactamente que cuando los pones en serie, la presión se comparte entre ellos. Al igual que decir que un resorte, o una resistencia es ROJA, o AZUL, algunos materiales son LINEALES - la presión se comparte a lo largo de la longitud. Los resistores se fabrican con material como este porque QUEREMOS que compartan de esa manera. Si no quisiéramos eso, usaríamos otro material.

¿Cómo 'saben' para compartir la carga? Ellos no saben Rebotan hasta que se comparte la carga. Para las resistencias, el 'rebote' es muy rápido, en la forma efectiva de la luz, hasta que la compartición es correcta. Tanto para los resortes como para las resistencias, la velocidad a la que rebotan de un lado a otro hasta que se asientan se denomina "velocidad de onda".

Si tiene el equipo de prueba correcto y el material de prueba correcto, puede medir el voltaje igualando una cadena de resistencias cuando las conecta.

Piense en una batería como una bomba para un fluido de carga eléctrica. Genera una diferencia de presión de un lado a otro (el voltaje), y al hacerlo, la carga eléctrica se hace para moverse a través de la bomba y el circuito conectado a ella.

Pensemos en resistencias en lugar de LEDs. Una resistencia es como una manguera. La corriente puede pasar a través de ella, pero la fricción hace que la presión en un lado de la manguera sea más alta que la otra. Una resistencia de alto valor es como una pequeña manguera con mucha fricción. Una resistencia de bajo valor es una manguera grande con menos fricción. Un cable es una manguera que es tan grande que la fricción es insignificante.

Si conecta tres mangueras o resistencias en serie, sus resistencias se suman, y proporcionan más resistencia como una unidad a la corriente que una sola. Aunque la presión que está generando la bomba no ha cambiado, fluirá menos corriente. Si las mangueras o resistencias son idénticas, la resistencia será tres veces más que solo una.

Si conecta tres mangueras en paralelo, esto es como conectar una manguera más grande en su lugar. La presión generada por la bomba todavía no ha cambiado, pero ahora puede fluir más corriente. La resistencia será un tercio de la de una manguera o resistencia, si son idénticas.

Otra forma de pensarlo: toda la corriente para cada una de las tres mangueras paralelas idénticas debe provenir de la bomba y regresar a ella. Cada manguera sigue viendo la misma presión que vería si hubiera solo una manguera, por lo que la misma corriente fluirá en esa manguera. Pero, la corriente en la bomba debe ser tres veces más de lo que sería con una manguera, porque no hay otro lugar para que la corriente vaya. En sistemas eléctricos, esto se explica formalmente por Leyes de Kirchoff .

Esto agota la batería más rápido porque la potencia, la tasa de conversión de energía (la energía eléctrica se convierte en calor en una resistencia), es el voltaje actual multiplicado por el voltaje:

\ $ P = I E \ $

Si el voltaje está en voltios y la corriente en amperios, entonces la potencia está en vatios. Los sistemas mecánicos tienen potencia también en vatios. Por ejemplo, la potencia es igual a la fuerza por la velocidad:

\ $ P = F v \ $

Puedes empujar algo solo pero muy rápido (por ejemplo, levantar una pelota de tenis), o empujar algo muy duro pero muy lentamente (levantar un auto con un gato) pero la potencia puede ser la misma. Por supuesto, levantar un auto requiere más energía que levantar una pelota de tenis, y es por eso que se necesita más tiempo para levantar un auto: a baja potencia, se necesita más tiempo para acumular suficiente conversión de energía (energía química de los alimentos a energía potencial gravitacional) para levanta el coche.

Entonces, para algo como una batería, donde el voltaje (electromotor fuerza ) permanece aproximadamente constante, la velocidad a la que se drena es proporcional a la corriente. La potencia es la velocidad a la que la batería convierte su energía química en energía eléctrica.

Para aplicar esto a los LED, considere un LED como una válvula de retención. Es un diodo y limita el flujo de corriente a una sola dirección. Se necesita cierta cantidad de presión para abrir la válvula (la caída de tensión directa), pero más allá de eso, puede fluir más corriente sin que se pierda significativamente más presión sobre la válvula de retención. Esta es la razón por la que un LED necesita algún dispositivo (a menudo una resistencia en serie) para limitar la corriente: si el voltaje de la batería es mayor que el voltaje directo del diodo, entonces puede fluir una tonelada de corriente, probablemente más de lo que el diodo está diseñado para manejar , y se romperá.