¿Corriente constante en un circuito?

En los circuitos eléctricos, la velocidad es prácticamente la corriente (Coulombs / sec). La energía cinética es proporcional a la velocidad al cuadrado (1/2 * m * v ^ 2), lo que significa que si tienes una corriente constante, tienes en promedio una energía cinética constante.

Por lo tanto, ya que todo el cable está lleno de electrones (virtualmente sin espacios); Todos los electrones deben tener la misma velocidad (la misma corriente), por lo que la energía cinética es igual en todas partes.

Analogía, donde las moléculas de agua = electrones. Puede ver que las moléculas al comienzo de la bomba no tienen una velocidad mayor (corriente).

Otra analogía más débil es que un tren. Imagine el motor (batería) como el mecanismo que aplica la fuerza (voltaje / emf) al resto de los carros (electrones). Todos los carros en el tren tendrán la misma velocidad.

Aquí hay algunas respuestas buenas, teóricamente correctas. Déjame intentar explicar desde un punto de vista diferente:

Tiendo a pensar en los electrones que fluyen a través de los cables, ya que esto implica que su masa y su impulso es lo que está causando la transferencia de poder. A menudo escuchas que deberías imaginar un tubo de pelotas de ping-pong. ¡Pero esto también puede ser engañoso! En su lugar, imagine un tubo de 8 pies de diámetro lleno de arena. Forzas un poco de arena en un extremo, y algunos saldrán por el otro extremo, pero la velocidad, la masa y el impulso no influyen mucho en ella.

La transferencia de energía ocurre debido a un frente de onda de electrones excitados que empujan (a través de campos eléctricos) a todos los otros electrones que los rodean. No debido a la masa de electrones que imparte el impulso newtoniano. ¡La deriva de electrones real en un conductor de cobre de 1 mm de espesor es del orden de un milímetro por segundo!

De hecho, ese es uno de los grandes lugares donde se rompe la analogía del agua. ¡No hay impulso eléctrico basado en la masa! (Esa es una declaración fuerte, y no es del todo correcta, pero le servirá bien)

Si desea "agregar" impulso a su circuito, usará un inductor. Esto hace que la analogía del agua sea útil de nuevo :)

Hay un excelente ejemplo de este análogo. Echa un vistazo a este Youtube de una bomba Ram: enlace . Es una tecnología antigua y ordenada que muchas personas nunca han visto. ¡Resulta que es exactamente lo mismo que un convertidor boost! Si aún no ha visto convertidores de impulso, pronto lo hará. Se utilizan en todo el lugar en circuitos eléctricos.

La bomba Ram funciona según el impulso. Para que funcione en la electrónica, ¡utiliza un inductor para impartir un impulso analógico! ¡Es impresionante! Use un diodo para la válvula de una vía y un condensador para la cámara de presión.

Te estás embarcando en una aventura divertida, todo esto relacionado con la ingeniería / física :)

Buena suerte.

¿Por qué la constante actual está en todas partes?

Bueno, en realidad no lo es. Esto es lo que falta en su analogía: si la diferencia en el potencial gravitatorio desde la parte superior a la parte inferior del edificio es análoga a la diferencia en el potencial eléctrico (voltaje) de la batería, y la bola representa una carga eléctrica (por ejemplo, un electrón) , lo que te falta es todos los otros cargos en el cable.

Todos los conductores están llenos de carga eléctrica móvil, como una tubería llena de agua. Si pones algo de carga en un extremo, creas una "presión" más alta en ese extremo. Luego, una onda de fuerza se propaga a través del fluido con el resultado final de igualar la presión en todas partes. En el agua, estas ondas se mueven a la velocidad del sonido. En un cable, se mueven a la velocidad de la luz. ¹

Debido a que estas ondas eventualmente se propagarán a lo largo de todo el circuito, si el voltaje de la batería no cambia, finalmente alcanzará el equilibrio y la corriente será la misma en todas partes. Cuando el tamaño del circuito es pequeño, la luz es tan rápida que es una suposición simplificadora razonable de que estas ondas se propagan "instantáneamente", por lo que la corriente es la misma en todo el bucle.

Cuando este no es el caso, y el tiempo que demora en propagarse los cambios se vuelve significativo, es probable que el circuito se modele con una línea de transmisión y probablemente esté ingresando a la disciplina de ingeniería de RF .

Probablemente tampoco deberías pensar en los electrones que se mueven desde el terminal negativo al terminal positivo. Se confundirá porque todo estará al revés (porque los electrones tienen una carga negativa ), y también se olvidará de aproximadamente la mitad de la carga en el universo: protones y otra positiva cargar Rara vez el movimiento de los electrones individuales es relevante, y en muchos circuitos (y ciertamente en cualquier circuito con una batería), los electrones no son los únicos portadores de carga. Por lo general, nos preocupan las fuerzas transmitidas por los portadores de carga, no los portadores de carga. Ver:

• ¿Cómo puede el agua salada conducir la carga eléctrica entre dos cables?
• ¿Qué componentes cotidianos implican flujos de carga que no son electrones?
• ¿Flujo de corriente en las baterías?

En su caso particular, cuando la batería se conecta por primera vez, los electrones son atraídos hacia el terminal positivo y repelen desde el terminal negativo. La corriente comienza a fluir en los terminales ambos de la batería, y luego la onda de fuerza se propaga a través del cable hasta que la corriente fluye en todas partes y el circuito alcanza el equilibrio.

Probablemente también encuentre este esclarecedor: ¿Cómo sabe la corriente cuánto fluye, antes de haber visto la resistencia?

^{1: La velocidad de la luz en materiales particulares difiere, al igual que la velocidad del sonido. Consulte factor de velocidad y la genial Radiación de Cherenkov , algo así como el análogo de la luz de un boom sónico.}

La energía cinética de la deriva de electrones es mínima. Podemos ver su efecto en circuitos superconductores y en frecuencias cercanas a la luz del día, donde aparece como una especie de inductancia , Pero no es significativo en los circuitos ordinarios.

Electrones en un cable deriva muy lentamente, metros por hora. Eso representa una corriente sustancial porque hay muchos de ellos.

Recuerde que la corriente es el flujo de carga (cuantificado como tanta carga por electrón) por unidad de tiempo, nada que ver con la energía cinética, solo la cantidad de electrones que pasan por un "divisor" dado por segundo.

Los electrones que se mueven en un cable no son como bolas que se caen.

Cuando sueltas una bola desde un edificio, no tiene mucha parada hasta que toca el suelo. Solo hay aire en el camino, lo que representa una influencia muy pequeña sobre la pelota en las condiciones que uno podría imaginar en este experimento mental.

Los circuitos eléctricos no son así. La masa de los electrones en comparación con la masa de todo lo demás (protones, neutrones) en el cable es muy pequeña. Pero lo más importante es que el cable está lleno de electrones. No puedes "soltar" un electrón: simplemente golpeará a otros electrones. No pienses en una bola: piensa en un mar de bolas. Las bolas individuales no son realmente tan relevantes: por lo general, lo que nos importa es cómo podemos explotar este "fluido" invisible para hacer el trabajo.

El circuito que has dibujado, por cierto, no puede existir. En un esquema, las líneas representan "cables" ideales que son infinitamente conductores, lo que significa que el voltaje es el mismo en todas partes. Hay muchas maneras de explicar esto, pero aquí hay una: tomar la ley de Ohm:

$$ V = IR $$

Nuestro cable ideal "infinitamente conductor" significa "resistencia cero". Entonces:

$$ V = I \ cdot 0 \ Omega $$

¿El voltaje (\ $ V \ $) puede ser cualquier cosa menos cero voltios?

Mientras tanto, la batería mantiene idealmente una constante de 9 V entre sus terminales. Si llamamos al potencial en el terminal positivo \ $ V _ + \ $ y al potencial en el terminal negativo \ $ V _- \ $, entonces la batería introduce la restricción:

$$ V_ + - V_- = 9 \ mathrm V $$

El cable esquemático que conecta los terminales de la batería también comparte los mismos terminales de la batería y, como se mencionó anteriormente, el voltaje a través de este cable debe ser de 0 V, por definición. Así que tenemos este sistema de ecuaciones:

$$ \ begin {cases} V_ + - V_- = 9 \ mathrm V \\ V_ + - V_- = I \ cdot 0 \ Omega \ end {cases} $$

¿Hay alguna solución para este sistema de ecuaciones? No hay. Este circuito no puede existir.

Si intentas construir este circuito con un cable real, ese cable tendrá alguna resistencia pequeña . Digamos que es \ $ 1 \ Omega \ $. La mayoría de los cables cortos serán menos, pero esto facilitará los cálculos. Ahora las ecuaciones son:

$$ \ begin {cases} V_ + - V_- = 9 \ mathrm V \\ V_ + - V_- = I \ cdot 1 \ Omega \ end {cases} $$

Ahora está claro que la corriente será de 9A.

Esto debería aclarar su experimento mental: en cualquier circuito real , debe haber alguna resistencia ¹ entre los terminales de la batería. Si quiere hacer una analogía con fenómenos físicos más familiares, la resistencia es como una fricción que actúa sobre la carga eléctrica. Aquí es donde va la energía de mover la carga de un potencial alto (terminal positivo) a un potencial más bajo (terminal negativo): se convierte en calor en la resistencia.

^{1: los superconductores no tienen resistencia, pero sí tienen inductancia. Siempre que la batería pueda continuar suministrando energía, no hay límite en cuanto a cuán alta puede llegar a ser la corriente, pero la corriente crece a un ritmo finito, por lo que una corriente infinita requeriría una fuente de energía infinita.}