¿Por qué una carga eléctrica no agota toda su energía potencial que viaja de terminal positivo a negativo?

Velocidad de los electrones

Todavía estás luchando con el concepto de carga y actual que se menciona en tu [pregunta anterior] ( Si un electrón tiene un potencial eléctrico de 0 después de pasar a través de una resistencia, ¿cómo fluye al otro terminal ? Vamos a tratar con su pregunta primero.

  

Por ejemplo, Una bola que se levanta sobre el suelo tiene energía potencial y toda la energía se convierte en energía cinética para moverse al suelo cuando se libera.

Esto no es una buena analogía para un actual . En el instante en que se lanza la bola, todavía tiene toda la energía potencial y la energía cinética cero. A medida que la bola acelera debido a la gravedad, la energía potencial disminuye (debido a la pérdida de altura) y la energía cinética aumenta (debido al aumento de la velocidad). Una analogía eléctrica de esto sería un haz de electrones en un tubo de vacío donde se puede considerar el efecto en un solo electrón y su aceleración desde el cátodo al ánodo.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Figura 1. Corriente de electrones en una válvula / tubo termoiónico.

Eche un vistazo al artículo de Wikipedia sobre velocidad de deriva . Muestra los cálculos para una corriente I = 3 amperios y un cable de 1 mm de diámetro y da como resultado que en este cable los electrones fluyen a una velocidad de −0.0000028 m / s . ¡A este ritmo, tomaría 99 horas para que un electrón viaje 1 m por ese cable! Si duplicamos la corriente, el tiempo empleado se reduce a la mitad.

A medida que los electrones se mueven a través del material resistivo, interactúan con los átomos en ese material y eso es lo que limita la corriente.

Velocidad de la electricidad

Con referencia a la Velocidad de la electricidad de Wikipedia :

  

La velocidad a la que la energía o las señales viajan por un cable es en realidad la velocidad de la onda electromagnética, no el movimiento de los electrones. La propagación de ondas electromagnéticas es rápida y depende de la constante dieléctrica del material. En el vacío, la onda viaja a la velocidad de la luz y casi tan rápido en el aire.

La velocidad de la corriente eléctrica estará entre el 50% y el 99% de c , la velocidad de la luz (\ $ 3 \ cdot 10 ^ 8 ~ m / s \ $). Consulte el factor de velocidad de Wikipedia para obtener más información.

El resultado final

La corriente eléctrica es un empuje muy lento de electrones a través del conductor. La propagación de la onda es muy rápida. Piense en una línea de canicas en una tubería. Si empujamos una canica en un extremo, una canica saltará hacia el otro extremo inmediatamente a pesar del hecho de que cada canica solo ha movido un diámetro de canica.

Deja de pensar en la carga. Empieza a pensar en la corriente.

En su analogía de caída de bola, no toda de la energía potencial de la bola se convierte permanentemente en energía cinética, moviendo la bola al suelo. En realidad, prácticamente nada de eso es.

1. Se lanza la bola, la energía potencial comienza a convertirse en energía cinética de la bola.
2. La bola golpea las moléculas de aire en el camino al piso / suelo, parte de la energía cinética de la bola se transfiere a la energía cinética del aire, & algunos se convierten al calor.
3. La bola golpea el piso / suelo, algo de la energía cinética de la pelota se transfiere al piso / suelo de la energía cinética, algunos se convierten de nuevo en energía cinética del vector opuesto en la bola, algunos se convierten en calor, & algunos se convierten a ondas de presión de sonido.
4. El rebote de la bola en el piso / suelo, repita el paso 2, convierte la energía cinética restante en energía potencial (pico de rebote), luego repite todos los pasos hasta que la energía de la bola se descarga completamente.

Ahora, con los electrones en un circuito cerrado, las transferencias son generalmente de voltaje (energía potencial) a corriente (energía cinética), y corriente a calor / luz / trabajo de salida (a través de una resistencia, ya sea cable, luz, transistor , motor, etc.), con la energía de rebote de bolas realmente evitada (normalmente en circuitos de CC), ya que la última energía restante en el electrón se gasta calentando la batería a medida que pasa a través de la ESR (resistencia en serie efectiva). / p>     

Estás mezclando convenciones aquí. Si asume que los portadores de carga son negativos (electrones), entonces el terminal negativo de la batería es el terminal de alto potencial. La carga eléctrica tiene un signo, no solo una magnitud. La gravedad solo tiene un tipo de "carga", ¡pero el electromagnetismo tiene dos! Los campos eléctricos empujan las cargas positivas en una dirección y las negativas en la dirección opuesta.

En la mayoría de las áreas de la ingeniería eléctrica, pretendemos que las cargas en movimiento en un circuito son siempre positivas y que la corriente sale de la terminal positiva de una batería. Esto se hace principalmente por razones históricas. En la mayoría de los casos, realmente son los electrones negativos los que se mueven, pero obtienes los mismos resultados de las matemáticas siempre que seas consistente.