¿Por qué los electrones fluyen de una energía potencial más baja a una energía potencial más alta?

Usted está confundiendo el potencial (electrostático) (también conocido como voltaje) con la energía potencial.

Un electrón tiene una energía potencial alta cuando está en una ubicación asociada con un valor de potencial más negativo, y una energía potencial baja cuando está en una ubicación asociada con un potencial más positivo.

La razón es que la carga eléctrica tiene dos tipos: positiva y negativa que ejercen fuerzas atractivas entre sí, pero fuerzas repulsivas sobre sí mismas. Un potencial más positivo es producido por una acumulación de carga positiva (que atrae electrones cargados negativamente) y un potencial más negativo es producido por una acumulación de carga negativa (que repele a los electrones).

La elección de definir un tipo de carga como negativa y la otra como positiva se hizo de manera arbitraria, antes de que el electrón (con carga negativa) se identificara como el principal portador de corriente en los conductores metálicos. En el momento en que se descubrió, ya era demasiado tarde para volver atrás y redefinir las polaridades de carga para la comodidad de los ingenieros. En cualquier caso, la definición de polaridad "mezclada" debería ayudarlo a recordar que los electrones no son el único portador de carga y cuando otros portadores están presentes pueden comportarse de manera diferente a los electrones.

El flujo de electrones se reduce principalmente al hecho de que los opuestos se atraen y los gustos se repelen.

Entonces, si tienes más electrones que protones en un lugar, los electrones tienden a repelerse entre sí, y fluyen de ese lugar a otro lugar donde hay más protones, idealmente, serán atraídos a un lugar donde haya son más protones que electrones, pero incluso si no está disponible, un lugar donde haya menos de una abundancia excesiva de electrones será suficiente.

En cuanto a la velocidad de movimiento de los electrones: depende de lo que está hablando exactamente. Un electrón normalmente orbita el núcleo de un átomo a una velocidad bastante fija. El voltaje no afecta eso en ningún grado significativo.

Una señal que se propaga a través de un conductor normalmente viaja alrededor de 2/3 ^rds la velocidad de la luz. Lo que importa en este caso no es el voltaje o el conductor en sí mismo, es la constante dieléctrica del aislante que rodea al conductor (una constante dieléctrica más baja produce una propagación más rápida).

El voltaje es la capacidad de superar la resistencia eléctrica, para hacer que más electrones fluyan a través de un conductor, a pesar de una mayor resistencia eléctrica.

Para una analogía suelta, piense en una persona que empuja un peso pesado. Un voltaje más alto es equivalente a una persona que es más fuerte, por lo que puede empujar un peso más pesado. Ser capaz de empujar un peso pesado no significa necesariamente que pueda correr particularmente rápido.

Para comprender la electricidad, debes bajar al nivel atómico.

Elmodelosimplificadodeunátomoindicaquetieneunnúcleodeprotonesyneutronesqueestárodeadoporelectronesqueorbitanasualrededor.

Losprotonestienenunacargapositivayloselectronestienenunacarganegativa.Cuáleslapolaridadquesedescubriódespuésdequesecreóelconcepto/estándardevoltajespositivosynegativos.

Normalmentehayunnúmeroigualdeelectronesqueprotones.Deestemodo,loscargossecancelanynohaycargonetoenelátomoensuconjunto.

Sinembargo,loselectronessoloestánligeramenteunidosalátomoyesrelativamentefácilforzaraunátomofueradelaórbita.Cuandoestosucede,elátomotieneunacargapositivayseconvierteenunION.Elelectrónlibre,porsupuesto,tieneunacarganegativa.Comotal,ahorahayunafuerzaentreelIONyelelectrónlibrequelosunenuevamente.Estafuerzaeselpotencialeléctricoentrelosdos.

Conunabateríauotrafuentedealimentación,elmecanismodelabateríadelafuentedealimentación,obligaaungrannúmerodeelectronesadejarsusátomosyacumularseenelterminalnegativo,algoasícomosepararelmar.Estosignificaquehayunafuerzadetracciónentrelosdosquepodemosmedircomolatensiónatravésdelosterminales.Lacomposicióndeunabateríaofuentedealimentaciónestalqueloselectronessemantienenseparadosynopuedenvolveratravésdelafuente.

Cuandoconectasuncable,ocarga,atravésdelosterminales,proporcionasuncaminoparaqueloselectronesvuelvanasuestadonaturalenlosiones.

Sinembargo,noestansimplecomoeso.

Enelcableentrehaymásátomosconsuselectroneszumbandoalrededordeellos.Cuandolacorrientefluye,loquerealmentesucedeesqueloselectronessaltandeunátomoaotroenunaespeciedecadenalarga,similaraunabrigadadecubetas.Amedidaquecadaelectrónsaltahaciadelante,dejauniónqueloatraeyatraeunelectróndelátomoanteriorysigueysigueporelcable.

Larapidezconquesemuevenloselectronesdependerásolounpocodelvoltajeatravésdelosterminales.Cuántosdeellossemuevenalavezdependedelatensión.Enrealidad,individualmente,semuevenmuylentamente.

Escomoestaspersonascaminandoenelpuente.

Todoscaminancasialamismavelocidad,perohaymuchasmáspersonasqueluchanporcruzarenlapartesuperiorquela"corriente" total de cuerpos es grande. El pobre hombre de blanco en la viga está solo, la "corriente" en ese camino es pequeña.

Para campos conservadores, como el campo eléctrico (electrostático), la fuerza en una partícula cargada con carga \ $ q \ $ debido al campo eléctrico viene dada por: $$ F = -q \ frac {dV} {dx} $$ Por la Ley de Newton, sabemos que cualquier partícula se moverá en la dirección de la fuerza neta que se le aplica. En ausencia de cualquier otra fuerza, solo se aplicará la fuerza electrostática a la partícula (dada por la ecuación anterior). Y queda claro a partir de la ecuación que la fuerza está en la dirección de disminuir V (porque la negativa \ $ dV \ $ hace que el lado derecho sea positivo). Por lo tanto, cualquier partícula cargada se moverá de una región de mayor potencial a una inferior si se actúa solo con la fuerza electrostática.

Todos han respondido muy bien. Déjame explicarlo de otra manera:

Considere dos puntos A y B. Deje que A tenga un potencial más alto (cargas más positivas) y B esté en un potencial más bajo (cargas menos positivas). La dirección del campo eléctrico neto es siempre de mayor potencial a menor potencial (es decir, de A a B). Ahora fuerza, F con un cargo q en este campo eléctrico E viene dado por: $$ F = q.E $$ donde F y E son vectores.

ahora sabemos que aquí q es negativo para un electrón. Así que es obvio a partir de la ecuación que la fuerza en los electrones está en la dirección opuesta al campo eléctrico. Por lo tanto, los electrones se moverán de B a A. es decir, de un potencial más bajo a un potencial más alto.

Lo tienes al revés.

Cuando tenemos una batería, y conectamos un conductor entre los terminales, notamos que fluye una corriente. Notamos que esta corriente deposita calor en el conductor.

Si hacemos experimentos cuidadosos, medimos la corriente, medimos la potencia, encontramos que su relación se comporta bien y podemos identificarla con el voltaje de la batería. Si ponemos las baterías en serie, sus voltajes se suman, y todo funciona.

En cuanto a por qué todo esto sucede, nadie lo sabe.

Hay todo tipo de "explicaciones", que en realidad son formas de hacer sumas para predecir lo que sucede, en varios niveles. Con voltios y amperios, estamos haciendo sumas con la teoría de circuitos. Con carga de electrones y campos, es física electrónica. Con fotones y QED, es mecánica cuántica.

Puede usar cualquiera de ellos para explicar lo que está sucediendo, si da por sentado la validez de las suposiciones subyacentes. Si le preguntas a por qué , entonces te encuentras yendo más y más profundo por el agujero del conejo, y la respuesta definitiva es 'porque así es como funciona el universo'.