En los libros se dice que un circuito es un camino cerrado y que los electrones regresan a la fuente. Si ese es el caso, ¿qué pasaría si hubiera una falla a tierra en un circuito? ¿Cómo volverían los electrones a su fuente?
¿Los electrones realmente se mueven fuera de sus átomos o simplemente vibran y transfieren la energía de esa manera cuando aplicamos un voltaje?
Pensar en la corriente en términos de electrones en movimiento es el comienzo de un camino hacia un modelo mental deficiente de cómo funciona la electricidad. Aquí hay algunas cosas que están mal:
Los electrones son solo uno de los muchos portadores de carga. Cualquier ion es también un portador de carga.
Los protones que equilibran los electrones son igual de importantes. Si solo tuvieras electrones, entonces todos los electrones en el universo serían repelidos entre sí y dispararían hacia el universo.
Los electrones tienen carga negativa, y te confundirás sin ninguna buena razón pensando en cómo fluyen de negativo a positivo. En realidad no importa en absoluto.
Los electrones en realidad están pululando en todas direcciones al azar todo el tiempo, y su movimiento debido a la corriente es minúsculo, en comparación.
Lo importante es esto: portadores de carga (los electrones son uno de ellos) pueden usarse para transmitir una fuerza electromotriz (generalmente llamada solo voltaje). Este es un concepto bastante ordinario, de verdad. Puede empujar un extremo de una varilla y transmitir una fuerza mecánica al otro extremo de la varilla. ¿Se mueve la varilla, cuando haces esto? Bueno, tal vez, pero hay dos cosas que suceden aquí:
La diferencia es obvia para una varilla, pero como no podemos ver la carga eléctrica, la diferencia no es obvia.
Entonces, tu pregunta fue: ¿Los electrones fluyen realmente cuando se aplica un voltaje? Estrictamente hablando, la respuesta es quizás , y depende de lo que quieras decir con < em> flow . Es similar a la pregunta, ¿se mueve una cuerda cuando la jala? Bueno, si está unida a un globo, podría moverse mucho. Si está pegado a una pared de ladrillos, es posible que no se mueva en absoluto.
El movimiento de los portadores de carga (como los electrones) es actual . Si tenemos una corriente, entonces hay un movimiento neto de portadores de carga. Realmente están enjambres por todas partes, así como las moléculas de agua individuales se arremolinan alrededor de una tubería, incluso si no hay flujo neto. La corriente describe el movimiento promedio. En el caso de la corriente continua, el movimiento promedio está en un círculo.
La forma en que los portadores de carga individuales interactúan para lograr esto es complicada, y es realmente una pregunta física, no una cuestión electrónica. Sin embargo, le sugiero que consulte este tutorial de MIT en los campos .
Los electrones do se mueven físicamente cuando se aplica un voltaje - extremadamente lento .
Un circuito energizado a 100 VCC, alimentando una carga de 1A (como una bombilla de luz) a través de un cable de cobre de 2 mm de diámetro, verá que los electrones se mueven a la velocidad de:
\ $ \ dfrac {I} {Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
donde
Esto funciona a 8,4 cm / hora . No es exactamente rápido.
Lo que es clave es el hecho de que es la energía que recorre el circuito casi instantáneamente, no los electrones en sí. (Los electrones hacen una 'carretera' conveniente para permitir que la energía fluya rápidamente.)
Es desafortunado que la lenta deriva de los electrones bajo un voltaje termine con el mismo nombre que el flujo de energía que realmente funciona en un circuito.
Los circuitos de trayectoria cerrada no implican que los electrones regresen a la fuente. Además, los electrones que salen de la fuente son extremadamente raramente los electrones mismos que regresan al otro polo de la fuente (consulte la respuesta de @madmanguruman para la explicación de la velocidad).
Es como las fichas de dominó que caen. La onda de energía se propaga a través de la caída de los dominós, pero los dominós no se traducen mucho.
Recuerde que la energía es la carga del electrón multiplicado por la fuerza que se le aplica (voltaje). Son (abrumadoramente) las fuerzas que se mueven a través de la red metálica, no las cargas (electrones).
Al igual que en esta imagen:
Lasfuerzassetransfierenatravésdelasbolas,perolasbolaspermanecenengranparteensulugar.Adiferenciadelasbolasmecánicas,queestánequilibradasporlagravedad,conelectronesencablesmetálicosdeceldasgalvánicas(baterías),hayunalentadesviacióngeneraldeloselectrones(comolosautosatrapadoseneltráfico)haciaelotroextremo.
Podríaconsiderar
Estamos hablando de metales aquí. Típicamente, un objeto de metal no consiste en moléculas. Se compone de átomos de metal, todos agrupados. Esto se muestra en la siguiente imagen:
Loscírculosrojossonelectrones.Comopuedesver,realmentenopuedesdeciraquéátomoperteneceunelectrón.Estoselectronesformanlasconexionesentrelosátomos,porloquepertenecenadosátomos.
Ahora,cuandounacorrientecomienzaafluir,estoselectronessemueven.Cuandofluyeunacorriente,setransfiereenergía.Comolosátomosnopuedenmoversefácilmente,loselectronestienenquemoverse.
TambiénpuedeverestoenlaunidadAmperiodecorriente:1amperioesiguala1Coulombporsegundo.ElCoulomb(C)eslaunidaddecarga(Q).1amperiosignifica1Coulombdecargapasaunciertopuntoen1segundo.Estacargaesproducidaporloselectronesquerealmentefluyendelobjetounoalobjetodos.
Cuandohablamosdecorrientecontinua(porejemplo,unaaplicaciónquefuncionaconunabateríanormal),estoselectronesnovolveránasufuente.Consideraestecircuito:
Al principio, hay una diferencia de carga entre el polo negativo y el positivo: el polo negativo tiene un excedente de electrones. Esto crea una fuerza (voltaje), y como hay un enlace entre los dos polos (el cable y la bombilla), los electrones comienzan a fluir. Los electrones se mueven desde el polo negativo a través de la bombilla hasta el polo positivo, hasta que ya no hay diferencia en la carga (o es tan poco que no hará que fluya una corriente).
Ahora puede ver que estos electrones no regresaron a su origen: comenzaron en el polo negativo y terminaron en el polo positivo.
Llamamos a esto camino cerrado porque hay un círculo: la corriente comienza en la batería y termina en la batería. Hay confusión porque la batería en realidad existe de dos objetos: el polo positivo y el polo negativo.
Mira este circuito (que es básicamente el mismo, pero con un condensador en lugar de una batería y una resistencia en lugar de una bombilla):
La corriente fluye desde el lado derecho del condensador (carga negativa, excedente de electrones) a través del resistor hacia el lado izquierdo del condensador (carga positiva, falta de electrones). Aquí, las placas de los condensadores están separadas, por lo que puede ver fácilmente que en realidad no es un camino cerrado.
Simplemente lo llamamos camino cerrado, porque la corriente comienza y termina en el condensador.
Ya que los electrones no tienen que volver realmente a su base, ahora puedes entender que los electrones también pueden fluir hacia la tierra. Esto es también lo que sucede con los rayos. Los electrones fluyen de las nubes a la tierra (o al revés, no lo sabría), solo para neutralizar la diferencia en la carga.
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