Aplicación de la ley de Ohm / Conservación de la energía

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Estoy tomando mi primera clase de Ingeniería Electrónica, Circuitos de Ingeniería I. Parece que lo estoy entendiendo, pero este ejemplo me confunde un poco.

La manifestación más simple de la Ley de Ohm ( V=IR ), el circuito que consta de un solo bucle con una carga y una fuente de voltaje fijo, tiene sentido vagamente dado que no he tenido una explicación química / cuántica de las acciones de los electrones.

Sin embargo, al principio suponía que los electrones provenientes de una batería de 12 voltios tienen más energía potencial que una batería de 6 voltios , por ejemplo, porque el voltaje se define como julios per columb - y una columb es un número fijo de electrones.

Entonces tuvimos este problema. Matemáticamente, con la ley de Kirchoff, tiene mucho sentido.

simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab

El problema es determinar el voltaje total que sale de la batería, con la resistencia interna de .1 ohmios. Debido a que la batería / alternador forman una superficie cerrada, se aplica la ley de Kirchhoff y tenemos: $$ V = 12+ [(i_b) .1 Ω] $$

Pero no sabemos nada sobre la energía potencial de los electrones que salen del Alternador, por lo que esto sugiere que mi "teoría" podría estar equivocada.

¿Podría alguien ser lo suficientemente amable para explicar esto?

    
pregunta user1833028

3 respuestas

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Por mi comprensión del problema, te estás haciendo más difícil pensando en una manifestación física ...

Entre las abstracciones que hacemos en el análisis de circuitos están las fuentes ideales e independientes. En el esquema que ha publicado, el alternador se considera una fuente ideal de 35A actual. Esto significa que, independientemente de lo que esté conectado, entregará 35A pase lo que pase. Como tal, una fuente de corriente que no forma parte de un circuito cerrado es una contradicción (porque ninguna corriente puede fluir a través de un circuito abierto).

De manera similar, esa fuente de voltaje de 12V es una fuente de voltaje ideal, que siempre tendrá 12V en sus terminales. Similar a una fuente de corriente sin un bucle entre sus terminales, una fuente de voltaje con sus terminales en cortocircuito es una contradicción (ya que cualquier cosa conectada entre dos extremos de un cable en un esquema se supone que tiene el mismo potencial).

Dicho esto, no es particularmente "correcto" pensar que los electrones que salen de la fuente de corriente tienen una energía potencial específica. Pierdes mucho del mundo físico cuando abstraes un circuito a un esquema simple como el publicado.

En el esquema publicado, y asumiendo que las fuentes son ideales, dado que la carga tiene 30A pasando a través de él, entonces hay 5A que pasan a través de la batería (la fuente de 12 V y la resistencia interna de 100 m \ $ \ Omega \ $) desde KCL debe estar satisfecho Dado que la potencia entregada / absorbida por un dispositivo se define como el producto del voltaje y la corriente, debe quedar claro que para una corriente dada, diferentes voltajes resultarán en diferentes potencias. En este caso, el voltaje total de la batería es 12V + (100m \ $ \ Omega \ $) (5A) = 12.5V. Por lo tanto, la batería está, en este caso, absorbiendo potencia positiva con un valor de (12.5V) \ $ * \ $ (5A) = 62.5W.

Con una batería de 6V, asumiendo las mismas condiciones (lo que significa que la carga aún está tirando de 30A y la resistencia interna de la batería es idéntica a la batería de 12V, lo que significa que la carga debe ser diferente, por cierto), puede vea cómo la potencia absorbida por la batería sería menor.

Para mayor reflexión ... considere un bucle simple que consiste en una fuente de voltaje y una fuente de corriente, cualquier valor para cualquiera (por ejemplo, digamos 1V y 1A, respectivamente), y ambos se conectaron siguiendo la convención de signos pasivos ( fuente de corriente que apunta desde (-) a (+) en la fuente de voltaje). Por las definiciones puestas en su lugar en el análisis del circuito, debe haber 1A fluyendo a través del bucle, por lo que la fuente de 1V está absorbiendo 1W de potencia, mientras que la fuente de 1A está entregando 1A de potencia. Cambie la fuente de 1V a, digamos, una fuente de 5kV, y la potencia absorbida / entregada será mayor en un factor de 5000. Tenga en cuenta que los electrones que salen de la fuente de corriente ahora deben tener 5000 veces el potencial (por definición, ya que La fuente de voltaje tiene 5000 veces el potencial a través de ella, pero la fuente de corriente no ha cambiado. Naturalmente, si la fuente de corriente de 1A era no ideal, es posible que no pueda suministrar una batería de 1A a 5kV, pero en el análisis de circuitos, estas fuentes ideales se definen para entregar sus especificaciones nominales, independientemente de la circuito del que forman parte (sin contradicciones).

    
respondido por el Shamtam
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Creo que su confusión podría provenir de esta declaración:

  

el voltaje se define como julios por columna, y una columna es un número fijo de electrones.

En este caso, el alternador y la carga establecen el número de Coulumbs que fluyen a través del conductor (corriente = Coulumbs / segundo).

No estoy seguro si esto responde a tu pregunta ...

    
respondido por el shoul25
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Simplemente tenemos que tomar el esquema como valor nominal. El alternador está modelado como una fuente de corriente ideal, conectado a los puntos a y b . Hay un poco de voltaje concreto en a y b para que podamos resolverlo. Ese voltaje nos dice, si estamos interesados, la energía potencial que pierden los electrones a medida que salen del alternador y vuelven a entrar.

Los

puntos a y b , como saben, son los terminales de la batería, ya que la resistencia de 0,1 ohmios es interna.

Por lo tanto, el potencial en el alternador es el mismo que en los terminales de la batería. Los puntos a y b son nodos en el circuito, y observamos los voltajes entre nodos sin tener en cuenta qué dispositivos están conectados a ellos. Para cualquier electrón dado en el punto b , no importa si fue inyectado allí por la batería o por el alternador.

    
respondido por el Kaz

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