¿Cómo “sabe” la electricidad la relación de la resistencia en un divisor de voltaje?

Hagamos otro experimento mental:

Imagina que acortamos gradualmente la conexión entre los dos resistores hasta que sea infinitamente pequeño. Ahora efectivamente tienes una resistencia con el punto divisor en algún lugar en el medio. Un extremo de esta resistencia está conectado a la tensión de alimentación, digamos 5 voltios. El otro extremo está conectado a tierra, lo que llamaremos 0 voltios porque lo usaremos como punto de referencia para nuestra medición de voltaje.

Nuevamente, imagine que movemos gradualmente el punto divisor hacia el extremo 5V o hacia abajo hacia el extremo 0V. ¿En qué ubicación a lo largo de esta resistencia combinada esperaría que el voltaje medido cayera de 5 voltios a 0 voltios?

¿Está claro que la tensión no tiene un cambio de paso en un punto, pero es proporcional a la fracción de la resistencia por debajo del punto divisor? La caída de voltaje es lineal a lo largo de la resistencia combinada .

Ahora imagine que restauramos gradualmente la longitud de esa conexión que estiramos en la primera visualización. E imagina que la conexión en sí misma no tiene resistencia - cero. (No es del todo cero, pero está tan cerca que podemos ignorarlo). ¿Está claro que la tensión no será diferente en ninguno de los dos extremos de la conexión a medida que la extienda de nuevo?

El voltaje total cae linealmente sobre la resistencia total , y el punto divisor "muestrea" ese voltaje en una parte específica del total.

La corriente no "importa" o "sabe" si fluye a través de muchas resistencias individuales o una continua; la tensión cae continuamente a lo largo de cada segmento de la ruta de resistencia. Las conexiones de "resistencia cero" simplemente no importan .

En lo que concierne a la corriente, no hay divisor, solo hay un camino que tiene cierta resistencia (total). Digamos que tiene una resistencia en serie de 1k \ $ \ Omega \ $ y una resistencia de 2k \ $ \ Omega \ $. Total: 3k \ $ \ Omega \ $, y si aplica 3V a través de él, obtendrá la Ley de Ohm

  

\ $ I = \ dfrac {V} {R} = \ dfrac {3V} {3k \ Omega} = 1mA \ $

Ahora la Ley de Ohm también se aplica a cualquier resistencia individual en la cadena. Para encontrar el voltaje en la resistencia 1k \ $ \ Omega \ $:

  

\ $ V = I \ cdot R = 1mA \ cdot 1k \ Omega = 1V \ $

Entonces, de hecho, obtienes una fracción de los 3V originales, por eso se llama divisor, cuya relación se define por la relación entre las resistencias. Pero para la corriente no hay diferencia entre una carga de 3k \ $ \ Omega \ $ y una compuesta de 1k \ $ \ Omega \ $ más una resistencia de 2k \ $ \ Omega \ $.

¿Qué hay de malo en pensar en la analogía del agua? Con una bomba que empuja el agua a través de un capilar, el medidor de presión debajo verá la presión total en el punto X, pero aproximadamente la mitad de la presión en el punto Y. El agua no "sabe" a qué presión está, simplemente encuentra menos resistencia a medida que baja el capilar y la presión se reduce proporcionalmente.

(Esto es, por cierto, cómo la válvula de derivación en un sistema de calefacción central doméstico controla el caudal a través de los radiadores).

La imagen es la siguiente: los electrones son empujados por una fuerza. La cantidad total de fuerza (tensión de alimentación) se divide entre la cantidad de resistencia en cada parte de la pista. El flujo de electrones se equilibra de tal manera que la suma de todos los voltajes en todos los elementos se suman al voltaje de suministro.

Explicación: la corriente es básicamente "todos los electrones en el cable que se mueven lentamente en una dirección". Imagina un montón de bolas en una manguera. Uno tiene que salir por el otro lado cuando presiona uno en su lado.

Para hacer que se muevan, tienes que ejercer una fuerza. Esta es una fuerza eléctrica, que es cuando un campo eléctrico (un Voltaje básicamente) actúa sobre cosas cargadas, los electrones en nuestro caso.

Para hacer que se muevan más rápido, debes ejercer más fuerza. (o más bien, la misma fuerza más a menudo)

La cantidad de fuerza necesaria en relación con la velocidad / corriente, depende de la resistencia de la trayectoria.

Todos los electrones en el camino se mueven a lo largo. Es decir, en la fuente de alimentación, los cables y las resistencias, todos los electrones, se mueven más o menos al unísono.

Ahora los electrones se están moviendo. Para cada parte infinitesimal del camino, hay una resistencia, que determina cuán grande debe estar presente un voltaje para hacer que los electrones se muevan a lo largo. Se mueven a lo largo, porque hay una corriente. Se ven obligados a hacerlo.

Los voltajes de cada parte de la ruta se suman al voltaje total.

Se trata de la ley de Ohm .

Un voltaje sobre las dos resistencias crea una corriente que fluye en ambas. Esta corriente será la misma para todas las resistencias, si están conectadas en serie, y estará dada por la ley de Ohm.

En cada resistencia, la corriente que fluye inducirá una caída de voltaje, nuevamente dada por la ley del señor O.

Puedes encontrar las matemáticas en todas partes, pero primero entiende esto y cómo funciona una resistencia. Como es un tema abusado, preferiría sugerirle que lea el wiki sobre el resistor y Ley de Ohm . Una vez que entiendas ambos, el divisor de voltaje quedará mágicamente limpio.

De todos modos:

  

¿Cómo sabe la electricidad la relación de la resistencia en un divisor de voltaje?

¿Cómo sabes que si saltas desde un puente, caes a una cierta velocidad? Es solo debido a la física.

Bueno, primero que nada es la vista con una resistencia. Lo veremos con la configuración de la batería de un automóvil y le diremos que tenemos un terreno negativo y un + 12v de calor.

En nuestro primer circuito, movemos 12 voltios a través de 12 ohmios de resistencia y movemos 1 amperio por 12 vatios a través de nuestra carga. Eso es todo lo que puede moverse allí. La diferencia relativa entre el suministro y el extremo receptor es la misma.

También podría ver esto como una conexión a tierra de +6v caliente y -6v y el circuito actuaría exactamente igual. Subir el suministro (en caliente) o bajar el fregadero (tierra) creará una diferencia en el potencial (voltaje).

Ahora, cambiemos nuestra carga: dos resistencias de 6 ohmios cada una. Nuestra resistencia total es ahora de 12 ohmios de nuevo, por lo que aún usaremos 1 amperio. Cada carga consume ahora la mitad de eso: 6 vatios. Para consumir 6 vatios en una resistencia de 6 ohmios con 1 amperio de potencia, debe perder 6 voltios. Recuerda, la corriente permanece constante en un circuito donde sea que lo midas. Es por eso que un fusible es efectivo en cualquier parte de un circuito en serie. Recuerde que el amperaje es básicamente flujo (galones por minuto), y la potencia derivada es una combinación de flujo y presión (voltaje). Por lo tanto, voltaje * amperaje == vatios (potencia motriz).

Así que esa es la parte eléctrica. Para utilizar una analogía con el agua, hay que pensar un poco diferente en el sistema de tuberías. El "sumidero" al que fluye el agua hasta ahora debe considerarse presurizado, por lo que se suministra cierta contrapresión. Las cargas son turbinas en la tubería. Si nuestro suministro es de 100 psi y nuestro sumidero es de 50 psi, obtendremos flujo.

La diferencia de presión entre dos puntos en la tubería que está después de la carga será insignificante. Todavía tendrá presión contra el mundo exterior, pero la presión relativa cuando se hace referencia contra nuestro tanque de fregadero de 50 psi será muy baja. Agregar una división con muchos tubos después de la última carga no lo cambiará.

Si colocamos una tubería antes de la primera carga y la conectamos después de la última carga, veremos 100 psi ... o 50 psi en relación con nuestros dos tanques. Si giramos en medio de esas dos turbinas iguales a nuestro fregadero, veremos 25 psi de presión. El agua tuvo que gastar algo de energía para atravesar la primera turbina.

Mientras tengamos suficiente presión (voltaje) para hacer girar una turbina (conducir una carga), veremos una caída en esa turbina igual a la diferencia de presión en cada lado. Si colocamos múltiples turbinas allí, veremos una caída de presión que es proporcional a la cantidad de esfuerzo que llevó a hacer girar la turbina.

Recuerde que tanto el voltaje como la presión se relacionan con la referencia relativa. Después de todo, 0psi en el suelo generalmente se mide relativamente, y en realidad es de 14.7 psi (absoluto). Entonces, pretenda por un segundo que tu circuito de suministro está a + 24v caliente en un terreno de + 12v, y posiblemente tenga más sentido porque visualizarás algo de presión en la cabeza y realmente te centrarás en el hecho de que la presión relativa es lo principal. punto.

Creamos un mayor consumo de energía en nuestras turbinas utilizando tuberías más grandes y turbinas más grandes con la misma presión, o podemos aumentar la presión sobre las tuberías actuales. Sin embargo, la caída de presión en nuestras turbinas siempre será proporcional mientras el agua pueda fluir.

Todo está en el campo eléctrico. Entonces, si tenemos un circuito con dos resistencias y conectamos una batería, entonces aparece un campo eléctrico que va desde un extremo de la batería al otro extremo a través de los dos resistores. Esta es la parte que viaja a la velocidad de la luz (en el material). Este campo se ve afectado por el material del cable y de la resistencia, y también por el ancho de la trayectoria, etc. Por lo tanto, la resistencia del campo en diferentes puntos está controlada por la resistencia. Los electrones en el material reaccionan entonces al campo. La velocidad a la que se mueven está controlada por la fuerza del campo, y esto se establece por los valores de las resistencias. Así que los electrones se mueven a la velocidad predicha porque el campo que los controla está controlado por las resistencias. Y el campo se ve afectado por las resistencias casi instantáneamente, ya que se mueve a la velocidad de la luz, a diferencia de los electrones de movimiento lento.

Espero que esto sea lo que estabas buscando,

También me gusta pensarlo en una analogía del agua, pero más fácil. Funciona así:

Piense en una tubería, donde los diámetros de las diferentes secciones son diferentes. Cuanto mayor sea el diámetro, más agua puede fluir. Las resistencias de mayor valor funcionarán como tuberías de menor diámetro, lo que permitirá que fluya menos agua.

Digamos que tienes 2 resistencias: 1k y 2k. El "tubo" de resistencia 2k tiene aproximadamente la mitad del diámetro del "tubo" de resistencia 1k. Si proporciona un buen escape para el agua entre ellos (es decir, la línea de voltaje dividida), pasará mucha agua, pero no toda. Parte del agua aún pasará por la "tubería" de 1k, ya que hay espacio si está vacía. ¿Cuánto cuesta? aproximadamente 1/3 del agua podrá usar la tubería de 1k en el mismo período de tiempo en que 2/3 está escapando a través de la tubería de división de voltaje. Entonces, en términos de potencial, tendrá aproximadamente 2 / 3V pasando por el divisor. Todo depende de la cantidad de agua que entra (debido a la primera resistencia) y de la cantidad de agua que puede llegar al suelo (debido a la segunda resistencia).

De todos modos, terminará teniendo un potencial completo en los dos extremos, porque eso es obligatorio, pero en el medio tendrá el potencial que pudo escapar a través de esta ruta, que fue mucho más tentador que la otra ruta.

No estoy seguro de si la analogía es 100% precisa, pero este es un modelo mental ... realmente no necesita ser preciso, solo expresivo :)