Circuitos explicados sin analogías [cerrado]

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Entonces, estoy tratando de entender completamente los circuitos sin el uso de analogías como "el voltaje es como una cascada" o "una batería es como una bomba", ya que he escuchado que esas analogías se rompen cuando llegamos a más Circuitos complejos. Busco entender EXACTAMENTE lo que está sucediendo en los niveles atómicos y subatómicos. Por lo tanto, tengo algunas preguntas.

  1. Cuando se hace referencia al voltaje como "diferencia de potencial", ¿eso solo significa una diferencia en la energía potencial por carga entre dos puntos?

  2. ¿Qué causa exactamente un voltaje?

  3. (Esta es más una serie de preguntas) ¿Qué hacen exactamente los electrones a medida que se mueven? El modelo Drude trata los electrones y los átomos como objetos sólidos, y los electrones golpean a los átomos como un juego de Plinko. ¿Pero es eso lo que REALMENTE sucede? Además, ¿se extraen los electrones de sus átomos y saltan de un orbital a otro, o están dispersos libremente en el metal? Cuando se mueven, ¿golpean físicamente los átomos? No puedo imaginar que golpearían el núcleo de los átomos si el núcleo es extremadamente pequeño y está lejos de la nube de electrones, entonces, ¿cómo podría ser posible que realmente golpeen a los átomos? Mi libro de texto muestra esta foto, que es la causa de mi confusión. Si los electrones NO chocan físicamente con los átomos, ¿qué explica el calor en un cable? Si el calor es una medida de la energía cinética de los átomos, y si los electrones no chocan físicamente con los átomos, ¿de dónde obtienen los átomos su energía cinética extra que sentimos como calor?

  • Con respecto a la Ley de Voltaje de Kirchoff, entiendo que todas las caídas de voltaje = todas las ganancias de voltaje en un bucle. Eso tiene perfecto sentido como la ley de conservación de la energía. Sin embargo, lo que no entiendo es cuando se aplica a un bucle con solo resistencias, como la que se muestra a continuación. Si vamos en un bucle y sumamos todas las ganancias de voltaje y caídas de voltaje, deberíamos obtener 0. Pero pensé que las resistencias solo disipan la energía, por lo tanto las ganancias de voltaje deberían ser 0 en el bucle ya que una resistencia no puede proporcionar voltaje, y por lo tanto , las caídas de voltaje también deben ser 0, pero no lo son.

  • ¿PorquéV=IR?Si,porejemplo,utilizaralaanalogíadeaguaquesemuevehaciaabajoatravésdeunorificioenlaparteinferiordeuntubo,moveresetubohaciaarribayhaciaabajoenelespacionodeberíaaumentarlavelocidadalaqueelaguasaledelorificio.La"tensión" gravitacional está aumentando a medida que aumenta la altura, pero la corriente debería (creo) permanecer igual en este escenario. Entonces, ¿por qué más voltaje significa más corriente?

    • Sé que estas preguntas son básicas, pero realmente quiero entender EXACTAMENTE cómo funciona esto.

    pregunta Lew Rod

    4 respuestas

    2

    1. Ver 2.

    2. Una diferencia potencial es muy similar a la energía potencial en la mecánica: cuanto más alto seas, más "energía cinética" podrías tener potencialmente

    Esto es lo mismo para los electrones. Sentirán una fuerza en presencia de un campo eléctrico, lo que podría potencialmente hacer que ganen energía cinética:

    \ $ \ vec {F} = q \ cdot \ vec {E} \ $

    Del mismo modo, también sentirán una fuerza en presencia de un campo magnético. Aquí es donde las analogías suelen descomponerse con la mayoría de los intentos basados en la mecánica. La fuerza total en un electrón fue encontrada por el Sr. Lorentz (fuerza de Lorentz):

    \ $ \ vec {F} = q \ cdot \ vec {E} + q \ cdot (\ vec {v} \ times \ vec {B}) \ $

    El potencial se define de manera similar a la energía potencial en mecánica si no estamos tomando en cuenta el campo magnético \ $ \ vec {B} \ $.

    \ $ \ Phi = - \ int_C \ vec {E} \ cdot d \ vec {l} \ $

    (Compare esto con la energía potencial en mecánica: \ $ U = - \ int_C \ vec {F} \ cdot d \ vec {r} \ $).

    Un potencial de voltaje solo se puede calcular entre dos puntos en el espacio, por lo que solo puede ser una "diferencia". No hay "voltaje absoluto", solo diferencias de voltaje. Para facilitar las cosas, a menudo elegimos un punto en el espacio (en el circuito) al que llamamos tierra (0V), sin embargo.

    1. Si quieres hablar sobre lo que realmente están haciendo, entonces estás listo para un verdadero placer. Para discutir eso, necesitas sumergirte en el mundo de la física cuántica.

    Una breve explicación podría ser que los electrones ganan y pierden energía todo el tiempo. El calor es solo una forma de perder energía (a través de los fonones). En LED, por ejemplo, ¡la mayoría de los electrones perderán su energía a través de los fotones! La forma en que los electrones pierden energía depende en gran medida del material. Para las resistencias, esto es prácticamente solo a través de los fonones (ondas de sonido / ondulaciones o calor), que es una forma de radiación electromagnética.

    1. Como se indica en la primera y segunda respuesta, el potencial se define como la integración en una línea entre dos puntos:

    \ $ \ Phi_ {AB} = - \ int_A ^ B \ vec {E} \ cdot d \ vec {l} \ $

    Si no hay campo magnético variable , entonces no importa qué camino tome de A a B, el potencial permanecerá igual. Por lo tanto, si A y B son el mismo punto , solo puede tomar una ruta de longitud 0 que le dará un potencial de 0. Así que eso significa que tienes para terminar con 0, ¡independientemente del camino que tomes! Si tomas el camino a través de todas las resistencias, no importa lo que hagan los voltajes, tienen que sumar 0 para no violar las leyes de la física.

    1. Dependiendo del material, varios electrones pueden atravesar los contactos. Esto depende, entre otras cosas, de cuántos electrones libres están disponibles en el material. Para una pieza muy pequeña de material uniforme, la corriente se puede formular utilizando una densidad de corriente:

    \ $ \ vec {J} = \ sigma \ cdot \ vec {E} \ $

    Para los metales, hay muchos electrones libres, por lo que no se necesita mucho campo eléctrico para mover estos electrones libres. Para los semiconductores, depende de cuántos transportistas de carga gratuita haya, lo que a su vez depende del dopaje. Los aisladores conducirán prácticamente sin corriente porque tienen poco o ningún electrón libre.

    La ley de Ohm es la misma fórmula para una pieza más grande de material uniforme. Si se aplica el mismo voltaje en una pieza más larga de material, el campo eléctrico se reducirá (\ $ | \ vec {E} | = V_R / l \ $) y también lo hará la corriente. Si el material se ensancha, entonces puede pasar más corriente por el área más grande (\ $ I = A \ cdot | \ vec {J} | \ $).

        
    respondido por el Sven B
    7

    No quieres analogías , ya que he escuchado que esas analogías se rompen cuando llegamos a circuitos más complejos.

    Sí, los modelos se deshacen, al igual que la física newtoniana no funciona cuando llegas a la velocidad de la luz. Sin embargo, la mayoría de las cosas no funcionan a la velocidad de la luz, por lo que en el 99% de los casos el modelo está bien.

    Lo mismo vale para la electrónica. El 99,99% del tiempo no uso las características de un transistor NPN. Todo lo que uso es una ganancia estimada y "comienza a conducir en algún lugar alrededor de Vbe = 0.6Volts".

    Otro ejemplo: cuando era joven compré un caro multímetro de 6,5 dígitos porque pensé que lo necesitaba. Hoy en día resuelvo 9 de cada 10 problemas con un multímetro de 3.5 dígitos de cinco dólares. (El otro 10% requiere un alcance).

    En pocas palabras: comienza a aprender lo básico. No necesitará la mecánica cuántica de cómo funcionan los semiconductores durante otros 10 años.

        
    respondido por el Oldfart
    1

    Esta será una respuesta aburrida, pero todo es una analogía. Lo más cercano a "lo que realmente está sucediendo" son las matemáticas. E incluso eso es una analogía / descripción y no "la verdad".

        
    respondido por el Dirk Bruere
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    Si realmente quieres evitar las analogías, entonces tu pregunta es errónea. ¿Quieres saber qué fuente de voltaje es exactamente ? Luego indique de qué fuente de voltaje está hablando: una batería de plomo-ácido, un panel solar, una dinamo, un alternador, una batería Lipo, ... Todos todos funcionan de manera fundamentalmente diferente, pero también pueden ser representados con una sola analogía con respecto a la fuente de voltaje.

    Lo mismo ocurre si estás hablando de semiconductores o condensadores. Puede haber varios mecanismos diferentes (por ejemplo, MOSFET frente a BJT, cerámica frente a capacitor de electrolito, por nombrar solo algunos).

    ¿Es este tu objetivo? ¿Realmente quieres aprender de abajo hacia arriba en este caso en lugar de agarrar los fundamentos primero con un enfoque de arriba hacia abajo?

    Además, las analogías y la abstracción realmente funcionan en su beneficio si las acepta. Como ejemplo, tanto los problemas térmicos como los mecánicos pueden modelarse perfectamente con modelos electrónicos. Esto sucede en entornos profesionales a diario.

        
    respondido por el gommer

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