Circuit produce una peculiar contradicción entre KCL, KVL y la ley de Faraday

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No sé si este circuito / bucle en particular está cubierto en otra pregunta, pero me topé con un video donde ocurre una consecuencia peculiar para el siguiente circuito:

ParaelcircuitodecircuitoanteriordeacuerdoconlaleydeinduccióndeFaradaysepuedeescribir:

EMF=-dΦ/dt

Yapartirdelateoríabásicadelcircuitoeléctricoparalacorrientetambiénsepuedeescribir:

I=EMF/(R1+R2)

Perocomolamismacorrientepasaatravésdelasresistencias(KCL),aquíocurrealgopeculiar.

ImaginaqueelflujomagnéticoΦcomienzaaaumentarconunapendienteconstante(loquesignificaqueEMF=-dΦ/dtesunaconstante);yduranteestetiempo,siobservamoslatensiónV1enR1porunalcanceentreelpuntoAyB,deacuerdoconlalógica,latensiónenlospuntosAyBseríacorrienteporlaresistenciaqueesI×1kVolt.

Porotrolado,siobservamoselvoltajeV2atravésdeR2porotroalcanceentreelpuntoAyB,deacuerdoconlalógica,elvoltajeenlospuntosAyBseríanuevamentelostiemposactuales.laresistenciaqueesI×100kVoltconpolaridadinversadebidoaladireccióndecorrienteinversa.

Queproduce:|V1|≠|V2|quesemidenentrelosmismospuntosAyBalmismotiempo.

¿Cómopodríaexplicarseestacontradicción?

Editar:

UnprofesordefísicadelMITdemuestraquelaleydeFaradaynosecumpleenestasituaciónylomásinteresanteesquemuestramedianteunexperimentoenelvideoquelosvoltajesmedidosenlosmismosnodossondiferentes.Enesta grabación de video desde 38:36 hasta el final, él pasa por todo esto. Pero también me he encontrado con otras fuentes de que su experimento está mal. También me pregunto si experimentamos esto, ¿qué observaríamos? ¿Cómo se puede modelar esto como un circuito concentrado (tal vez usando una fuente de corriente)?

Edición 2:

Supongo que el siguiente circuito puede ser equivalente a lo que dice el profesor (?):

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

Solo en este caso lo que tiene sentido ... El observador 1 y el observador 2 observarán voltajes muy diferentes a través de los mismos nodos A y B al mismo tiempo. No pude encontrar otro modelo para que encajara en su explicación. Como una fuente actual que también es un componente corto (porque en la realidad no hay una fuente actual, los dos nodos A anteriores son los mismos puntos físicamente en este caso).

    
pregunta user16307

6 respuestas

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La suposición errónea es que cualquier punto en los cables 'A' y 'B' son equivalentes y que constituyen "nodos" discretos.

Si tiene un segmento de cable recto en un campo magnético cambiante, habrá un gradiente de voltaje a lo largo del cable. Esto no da como resultado un flujo de corriente, ya que el campo electromagnético del campo magnético "retiene" las cargas y evita que se redistribuyan para equilibrar el voltaje.

Básicamente, las formas simples de KVL solo se aplican cuando no hay EMF.

En realidad, puede ver el mismo problema con un circuito aún más simple:

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

El EMF induce una corriente, y la corriente genera una caída de voltaje en R1, ¡pero son el mismo nodo! Nuevamente, hay un gradiente de voltaje a través del cable que conecta los dos terminales de R1 para que todo funcione correctamente.

    
respondido por el Evan
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Creo que su pregunta básicamente se reduce a esto: ¿Cómo podemos obtener valores diferentes para la emf entre dos puntos a lo largo de diferentes rutas.

Recuerde que emf es el trabajo realizado por unidad de carga.
En su situación, está recorriendo diferentes caminos (A-R1-B, A-R2-B) y obteniendo diferentes valores para el trabajo realizado. Esto solo puede significar una cosa: fuerzas no conservadoras están actuando en su circuito. Las fuerzas electrostáticas son conservadoras, las fuerzas magnéticas no lo son. Ya que hay una bobina cerca del circuito, no debe esperar ver el mismo valor para trabajar en diferentes caminos. Consulte esto .

Como ejemplo rápido, la fricción no es conservadora porque el trabajo realizado depende de la ruta tomada, no simplemente de los puntos finales.

    
respondido por el Hiiii
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No es una contracdicción en absoluto.
KVL y KCL no son leyes muy fundamentales de la física; siguen de Ecuaciones de Maxwell más generales y más fundamentales solo si se dan ciertas condiciones previas .

Una de esas condiciones previas es

  

\ $ \ frac {d \ Phi} {dt} = 0 \ $ fuera de los elementos del circuito

Es parte de la abstracción del circuito agrupado , que debe cumplirse si desea utilizar KVL o KCL.

Dado que esta condición no se cumple en su caso, no hay absolutamente ninguna razón para suponer, por ejemplo. que la suma de voltajes en el bucle debe ser 0.

Si desea analizar un circuito que no satisface el modelo de circuito concentrado, debe volver a las leyes más fundamentales dadas por las ecuaciones de Maxwell.

    
respondido por el Curd
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¿Cómo podría explicarse esta contradicción?

     

Si experimentamos esto, ¿qué observaremos?

El FEM inducido está en serie con R1 y R2 y no \ $ V_ {AB} \ $ como se muestra en su imagen.

El voltaje se induce en el bucle en serie con el bucle y no a través de los terminales extremos (a menos que esos terminales estén en circuito abierto). Esto forzará una corriente a través de las resistencias, pero también debe tener en cuenta que el bucle tiene inductancia y formará una impedancia adicional en serie con esas resistencias y reducirá la corriente un poco más.

La inductancia es difícil de calcular porque depende de la "cosa" que genera el flujo (quizás otra bobina) y de cuán cerca se unen esas bobinas. De todos modos, ignorando los efectos de inductancia, ya que son algo triviales, aquí está el panorama más amplio: -

El error en la pregunta es que se supone que \ $ V_ {AB} \ $ es el voltaje inducido (pero no lo es).

    
respondido por el Andy aka
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El cable entre las resistencias actúa como una fuente de voltaje. Si mantiene la fuente de voltaje en la ecuación KVL, se mantendrá perfectamente unida. Si ignora la fuente y simplemente agrega el voltaje a través de las resistencias, puede parecer que KVL falla, pero en realidad no lo está aplicando correctamente.

El siguiente circuito es el equivalente a su circuito de dos resistencias cuando se aplica un campo magnético cambiante.

Si agrega VM1, VM2, VM3 y VM4, agregarán hasta cero.

¡RIP Kirchhoff!

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

    
respondido por el Abdullah Baig
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Las Leyes de Kirchhoff son un subconjunto de la Ley de Faraday , por lo que cuando examinamos esquemas con solo elementos agrupados con conexiones lógicas, no representan conexiones físicas ni muestran ningún campo eléctrico o magnético radiado externo.

Por lo tanto, también debemos aprender sobre EMC para compatibilidad y diseño para evitar estos efectos. Pero eso no niega la utilidad de KVL y KCL para situaciones benignas. Solo debemos considerar EMC * más para entornos difíciles.

Estos campos EMF y MMF generados externamente son energía inútil en las resistencias mostradas en cada bucle, no pueden recuperarse y, por lo tanto, son potencias "no conservadas", también conocidas como "campos no conservadores", que generalmente llamamos EMF generados externamente o "desviación externa" "campos o ruido generado externamente.

(excepción en términos, "no conservador")

Pero si estos campos externos tienen un buen uso como la resonancia inalámbrica y eliminan las corrientes resistivas para cargar la batería de un móvil inalámbrico sin un cable, técnicamente estamos realizando WPT o transferencia de energía inalámbrica, pero no es tan eficiente, pero es hecho por conveniencia. Pero desde el punto de vista de KVL y KCL podemos decir que es interno a nuestro "sistema" , por lo que estamos tratando de conservar energía ". Algunos incluso pueden intentar cosechar energía" no conservadora "desperdiciada en la transmisión celular. (megavatios solo por conveniencia de alta cobertura) Pero si está lo suficientemente cerca para obtener energía útil, personalmente, puede estar demasiado cerca.

Por lo tanto, en ese Experimento de Lectura con esta tasa de cambio de campo magnético generada externamente, se inducen cargas durante el evento con un voltaje diferente en cada bucle debido a la diferente trayectoria del bucle alrededor del flujo en movimiento, aún conectado a los mismos dos puntos llamados en ese video "A y D".

Por lo tanto, debemos tener en cuenta la trayectoria del bucle de la corriente dinámica generada por los bucles para evitar perturbaciones que irradian voltajes en otros circuitos, así como conocer otras fuentes que puedan afectar las altas impedancias en su circuito.

comentarios sobre EMC *:

En un laboratorio silencioso, protegido o alejado de soldadores de arco o tormentas eléctricas o motores de trenes masivos, o haciendo clic en los soldadores Weller , no esperamos demasiado ruido, pero puede haber. Es posible que se sorprenda al ver más de 5uA de corriente conducida por su dedo a la sonda de alcance 10M en un bucle alrededor del instrumento al no tocar el clip de conexión a tierra. Eso es alrededor de 50V. Pero es de muy baja energía e inofensivo. (250 μW = 50V² / 10MΩ) Luego desaparece y luego se acorta el bucle tocando el suelo del marco o el suelo de la sonda.

Por lo tanto, siempre debemos ser conscientes del entorno donde existe este circuito físico y de lo cerca que está de las perturbaciones de la energía externa o, en otras palabras, del "ruido irradiado". Estos campos generados externamente hacen que las Leyes de Kirchoff de KVL y KCL fallen solo si ignoramos lo que puede causar estas perturbaciones naturales en señales de grandes corrientes generadas externamente, cerca del circuito de interés.

El EMF es el voltaje creado por las fuerzas sobre las cargas y el MMF es la corriente inducida por las fuerzas magnéticas en movimiento. Estas propiedades son recíprocas de internas a externas muy sensibles por el radio de proximidad o \ $ \ frac {1} {r ^ 2} \ $

Esta interferencia es natural, al igual que ocurre con las ondas de sonido y la contaminación acústica o las fuentes de luz de TV y la contaminación del techo o la luz solar que afectan las relaciones de contraste.

    
respondido por el Tony EE rocketscientist

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