¿Por qué los electrones se mueven como en una cinta transportadora en un circuito?

  

¿Cómo "saben" los electrones que disminuyen la velocidad incluso antes de que realmente encuentren una resistencia que pueda estar en el otro lado de un componente?

En realidad no lo hacen. Sabes, eso es.

Hay partes del árbol de esta respuesta. Primero, podrían nunca encontrar una resistencia en el otro lado de un componente. Teniendo en cuenta que la velocidad del electrón en un cobre está en algún lugar en el rango de micras / s, es probable que su electrón en particular nunca llegue a esa resistencia antes de apagar su circuito.

Segundo, lo que usted describe como "cinta transportadora" es en realidad un flujo de energía , no el movimiento de los electrones. Y la transferencia de energía está ocurriendo cerca de la velocidad de la luz, que es rápida pero no instantánea. En consecuencia, cualquier cambio o interrupción en un circuito no ocurre inmediatamente , simplemente se ve así debido a la alta velocidad de propagación de la onda.

Y, finalmente, si pones uno y dos juntos, la resistencia colocada en un circuito no "reduce la velocidad de los electrones en un transportador". Lo que hace es dificultar la transferencia de energía, por lo que se reduce el flujo total de energía en el circuito.

La analogía con el agua en las tuberías mientras es útil es técnicamente incorrecta, porque la velocidad del flujo de agua depende del diámetro de la tubería según el principio de Bernoulli. Además, la cantidad de electrones en un conductor es enorme . Si realmente desea comparar la electricidad con el agua, debe usar al menos un río.

Ahora, el río no tiene que fluir rápido para pasar cantidades de energía desperdiciadas. Imagina la fuerza del agua que empuja hacia abajo en la rueda de agua que baja hacia el río. Cuanto más grande es la rueda, más energía se genera. Con una rueda lo suficientemente grande, incluso un río lento puede producir una gran fuerza.

Entonces, ¿qué pasa si de alguna manera logras bloquear un río río arriba? La velocidad del flujo será prácticamente la misma, pero el nivel bajaría, y también lo haría la presión sobre nuestra hipotética gran rueda de agua. Así es como funciona la resistencia en un circuito. También es importante tener en cuenta que habrá un cierto retraso entre el bloqueo ascendente y la reducción de la potencia descendente, como ocurre con la electricidad, solo en una escala de tiempo diferente.

Para una excelente discusión en profundidad de esta parte del circuito de física, vea los materiales de los libros de texto "Materia e Interacciones", Chabay y Sherwood, en particular este documento sobre electrones y circuitos (pdf)

¿Cómo saben los electrones? Se comunican entre sí a través de campos electrónicos; A través de cambios en la tensión. Desde el punto de vista de la ingeniería, todo se trata de divisores de voltaje, además de pequeños capacitores.

En lugar de construir un circuito con cables, use resistencias de 1 ohmio para sus conductores y conecte condensadores de 1pF entre cada parte de su circuito. Estos condensadores representan los campos de voltaje que se encuentran en el espacio alrededor de los conductores.

Inicialmente, todos los condensadores tienen cero voltios a través de ellos. Ahora, cuando la fuente de alimentación se conecta repentinamente, ¿a qué velocidad cambian los voltajes de los condensadores? Todos ellos se ajustan con RC menos de nanosegundos. Una 'onda de voltaje' se propaga a través del circuito esencialmente a la velocidad de la luz. (Esto sucede en realidad. Todos los conductores, electrones y componentes se comunican entre sí, esencialmente de manera instantánea: nanosegundos).

Después de que las cargas de los condensadores hayan dejado de cambiar, todos sus conductores de 1 ohmios tendrán un (pequeño) voltaje a lo largo de ellos, por lo tanto, existe un campo e longitudinal en el interior. Este campo aplica una fuerza a los electrones del cobre, y todos se mueven en respuesta, creando una corriente particular. (En un solo cable, todos los electrones se mueven como uno solo, como tirar de una cadena o como empujar una varilla. Los cables contienen columnas invisibles de electrones). La corriente en cada cable de resistencia es proporcional a V / R: el voltaje a lo largo cada "cable", dividido por la pequeña resistencia del cable.

Los voltajes en toda la red de resistencias de 1 ohmio se ajustan automáticamente, como cualquier divisor de voltaje. Estos voltajes entonces determinan las corrientes. Los voltajes le dicen a los electrones cómo fluir.

Esta es la pregunta clave: ¿qué sucede cuando eliminamos un cable largo (lo eliminamos o incluso cortocircuitamos su resistencia)? Todos los voltajes de los condensadores se reajustarán de forma instantánea. Una "ola de reajuste" se propaga por todo el circuito. Los voltajes de nodo son todos diferentes ahora. Esto informa a todos los electrones dentro de las resistencias de 1ohm para cambiar su velocidad (su corriente).

Punto clave: al igual que con las tuberías, la corriente eléctrica es proporcional a la velocidad de las partículas. Alta corriente es electrones rápidos. La corriente cero es solo electrones detenidos. Y AC es como una correa de transmisión oscilante, donde las cargas se menean a medida que las ondas de energía se propagan. En los circuitos, la energía es siempre ondas EM, y los electrones en los conductores son el "medio" para la propagación de la onda. Las largas columnas de electrones no son como una correa de transmisión. En realidad, son una correa de transmisión, no una analogía. Son conducidos a moverse muy lentamente en un círculo. Al mismo tiempo, entregan energía instantáneamente a todas las partes de ese círculo. Esa es la función de las correas de transmisión, ya sea hechas de goma visible o hechas del "mar de electrones" invisible dentro de un bucle de metal.