¿Por qué la electricidad necesita cables para fluir?

Si dejas caer una pelota muy pesada, la energía potencial gravitacional de la pelota se convertirá en energía cinética.

Si colocas la misma bola en la piscina, la bola seguirá cayendo. Una gran cantidad de energía cinética se convertirá en energía térmica debido a la fricción, pero la energía potencial gravitacional aún se convertirá.

Del mismo modo, ¿por qué la electricidad no fluye sin un buen conductor? ¿Por qué los electrones no fluyen desde el terminal negativo al terminal positivo sin un cable que los conecte?

La electricidad fluye como una onda y los metales tienen electrones libres en la nube de electrones que permiten que la onda se propague o se propague. Pero cuando estos electrones libres no están disponibles para propagar la onda, ¿por qué los electrones simplemente no se "mueven" como la pelota? ¿Por qué los electrones simplemente no se "mueven" a través del aire hacia el terminal positivo?

Una velocidad de deriva lenta significa que lo más probable es que los electrones tarden mucho tiempo en propagar la onda de electricidad, pero aun así deberían llegar allí.

¡Tu analogía es buena! Pero, ¿por qué asumes que la bola "caerá" al suelo de la piscina? Dependiendo del material, la pelota también puede simplemente flotar sobre el agua o quedarse en algún lugar en el medio y sumergirse. Si aumenta el voltaje, entonces el aire se ionizará y también puede conducir electrones, por lo tanto, solo depende de las energías y los materiales involucrados, pero su analogía aún se mantiene en términos de un campo potencial. Incluso en el vacío, si la energía es lo suficientemente alta, puedes crear electrones y positrones (producción de pares).
El agua no es un buen aislante contra bolas pesadas. Si llenaste la piscina con arena u hormigón, podrías obtener resultados diferentes.
@Nathaniel "El agua no es un buen aislante contra las bolas pesadas" guardado :)

Respuestas (9)

Para continuar usando la analogía de la pelota, piense en la pelota como análoga al electrón. Ahora, ¿qué pasaría si la pelota estuviera unida a un punto por un resorte? ¿Seguiría cayendo? Puede oscilar alrededor de ese punto, pero no podría escapar por completo al efecto de restricción del resorte. Lo mismo ocurre con los electrones enlazados. Están más o menos unidos al átomo. Si el campo gravitacional es muy fuerte, puede romper el resorte y arrancar la bola del resorte. Esto sucede a veces también en la electricidad. En la descarga de un rayo, el campo eléctrico es tan alto que incluso los electrones unidos son arrancados de sus átomos, ionizando así el gas y creando lo que se conoce como plasma. Con un grupo de electrones libres e iones positivos, la corriente eléctrica ahora puede fluir libremente a través del plasma; no necesitaría cables. 10 6 V / metro - campos tan altos no pueden ser producidos por los voltajes domésticos de 100 - 250 V disponibles en la mayoría de los países) tendría que usar cables hechos de material conductor donde los electrones libres estén fácilmente disponibles si desea tener conducción eléctrica a voltajes normales.

Si define "electricidad" como portadores de carga en movimiento (lo que creo que es razonable), entonces necesita portadores de carga gratuitos , por lo que necesita algún tipo de medio desde el cual los portadores de carga puedan perderse.

El medio no tiene que ser cables de metal, pueden ser gases (como en el caso de las cámaras de deriva), líquidos (por ejemplo, un TPC de argón líquido o una batería de celda húmeda), plasma (obvio, espero) o sólidos.

Los átomos que componen el aire ordinario no se ionizan fácilmente y recuperan sus electrones muy rápidamente (debido a la fuerza electrostática). En los metales, los electrones del hombre están en o cerca de la "banda de conducción" y pueden perderse con bastante facilidad y no se recombinan de manera eficiente. Los electrones en la banda de conducción del metal son "libres" en el sentido de que pueden moverse fácilmente dentro del conductor, pero aun así se requiere energía para sacarlos del metal (haciéndolos "libres" en un sentido más general). Esa energía es la "función de trabajo" que encuentras en las descripciones del efecto fotoeléctrico.

La barrera potencial es probablemente el mayor contribuyente a la falta de flujo de electricidad a través de un circuito abierto.

Para explicar los aisladores en su ejemplo, extienda la metáfora para usar melaza fría en lugar de agua como medio. Si está dispuesto a esperar el tiempo suficiente, la pelota seguirá cayendo, pero será dolorosamente lenta y no obtendrá un trabajo útil apreciable de ella.

Pero, ¿no son los electrones los portadores de carga? ¿Por qué no pueden transportar la carga por el aire? (aunque sería extremadamente lento). En otras palabras, ¿por qué los electrones no pueden moverse por el aire como lo haría una pelota?
Supongo que lo que realmente estoy preguntando es si una pelota puede moverse por el aire, ¿por qué un electrón no puede?
La mayoría de los electrones no se pierden para actuar como portadores de carga en el aire. El campo interactúa con todo el átomo o molécula (neutral). Los metales a granel tienen una "banda de conducción" que permite que los electrones estén libres con mucha menos energía que en el aire. Las cámaras de deriva (una clase de detectores de partículas) funcionan moviendo electrones a través del gas, pero requieren que los átomos se ionicen primero (y usan campos altos porque los electrones se recombinarán en un tiempo relativamente corto).
En una celda galvánica, hay un montón de electrones libres en el terminal negativo. ¿Por qué los electrones no pueden moverse solos? ¿Por qué necesitan los electrones de las partículas del aire?
Tan pronto como salen de la terminal, la fuerza electrostática los atrae hacia atrás. Eso no es un problema en un cable porque hay electrones libres a lo largo del camino y en cada segmento del camino tan pronto como los electrones locales dejan su lugar, son tomados por los del segmento anterior al igual que toman el lugar de los del siguiente. segmento. Si hay un seguimiento ionizado que va desde el cátodo al ánodo, la corriente fluye a través del aire durante un breve período de tiempo: así es como funcionan los dosímetros de electroscopio de hoja.
¿Fuerza electrostática de lo que los atrae hacia atrás? los electrones están siendo atraídos con más fuerza por el terminal positivo que por el terminal negativo, eso es lo que los hace querer moverlos en primer lugar, entonces, ¿qué los atraería hacia atrás?
Los electrones están "libres" en el metal, lo que significa que están en la banda de conducción, pero aún están unidos al metal a granel (el grado de unión es la función de trabajo que aparece en un análisis del efecto fotoeléctrico, por cierto), y si bien podrían llegar a una energía más baja al llegar al ánodo, todavía se enfrentan a una barrera potencial en la superficie del metal.
Bueno, ¿no es esa función de trabajo la razón por la cual los electrones no salen del metal? ¿Qué sucede en un metal con función de trabajo muy baja? ¿Los electrones salen libremente del cable y fluyen a través del aire?
@ffred Sí. Pero decir "función de trabajo" realmente no lo explica. No es que haya hecho un muy buen trabajo al respecto . Sospecho que mi comprensión de las partes de estado sólido de estas preguntas es inestable e idiosincrásica.
Entonces, ¿significa que un buen conductor no se puede usar como cable eléctrico si tiene una función de trabajo baja? ¿Hay algún ejemplo de eso? Si puede, le sugiero que incluya en su respuesta una explicación de la función de trabajo en lugar de una diferencia de conductividad.
@fffred Creo que eres la única persona aquí que realmente entiende lo que estoy tratando de preguntar. ¿Te importaría publicar una respuesta?
¡Me gustaría, pero no sé la respuesta! Pensar en ello ...

Después de las discusiones sobre las respuestas de dmckee y Daniel, aquí está mi resumen.

El potencial eléctrico en un metal sólido no es 0 en todas partes. Lo sería si los electrones estuvieran localizados exactamente donde están los núcleos de los iones, de modo que el potencial eléctrico de los electrones y los núcleos se cancelen exactamente. Sin embargo, la mecánica cuántica dice que los electrones tienen una función de onda que se "esparce" (deslocaliza). El potencial eléctrico que crean es algo más amplio que el de los núcleos. La suma de ambas contribuciones, para un átomo, podría parecerse a la siguiente figura (esa es una visión muy cruda y probablemente poco realista).

Potencial de un electrón deslocalizado

Por cierto, eso permite que los metales se unan entre sí, y los electrones brindan el potencial para atraer al núcleo cercano.

Si suma estos potenciales de muchos de estos átomos igualmente espaciados, puede obtener el siguiente potencial.

Potencial de unos pocos átomos.

Otro ejemplo de tal potencial se muestra aquí . Los electrones se comportan como ondas en este potencial y rebotan en cada superficie. Por eso no escapan fácilmente del metal: tendrían que superar la pared de potencial en la superficie del metal. Por esta razón, los electrones siguen fluyendo en los cables metálicos.

Tenga en cuenta que si tiene electrones en exceso, se repelen entre sí hasta que estén en la superficie del metal, razón por la cual la carga adicional permanece en la superficie de los conductores.

Cuando preguntas: "¿por qué los electrones simplemente no se "mueven" como la pelota? ¿Por qué los electrones simplemente no se "mueven" a través del aire hacia la terminal positiva". Creo que debes tener en cuenta que la bola está formada por átomos neutros que a su vez están formados por electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente. Los electrones son atraídos por la terminal positiva, pero los protones son igualmente repelidos. Por lo tanto, la pelota en su conjunto no se mueve. Eso responde una parte de tu pregunta. Entonces podría preguntarse por qué los electrones no se mueven solos hacia el terminal positivo. Y la respuesta es que pueden hacerlo si el voltaje es lo suficientemente alto como para vencer la atracción de los electrones hacia los protones a los que están unidos en la bola. Los rayos son un buen ejemplo de esto, al igual que las descargas estáticas.

Pero, ¿por qué el voltaje debe ser alto para que los electrones se muevan solos? Sí, necesitan superar la atracción de los protones, pero esto se contrarresta con la repulsión de los electrones. ¿no es así?
@dfg, la atracción hacia los otros núcleos es superada en gran medida por sus electrones vecinos, sí. Pero la atracción hacia su propio núcleo aún puede ser bastante fuerte. Estás preguntando el equivalente de por qué algo con cinta pegada no se cae. Hay múltiples fuerzas en juego, y gana la atractiva.
Los electrones están unidos a los núcleos de los átomos de los que forman parte por su atracción a los protones en los núcleos. Recuerde que los protones están empaquetados en un núcleo muy denso, mientras que los electrones están dispersos. Un electrón ligado en un material sentirá una fuerte atracción hacia su núcleo más cercano y una repulsión difusa proveniente de todas las direcciones debido a los otros electrones. La atracción hacia el núcleo está protegida por los otros electrones y esto debilita la fuerza de atracción y reduce el voltaje requerido para eliminarlo, pero la atracción sigue ahí.
@DanielKnapp Lo que no entiendo es por qué las partículas de aire tienen que desempeñar un papel. ¿Por qué los electrones no pueden fluir independientemente de los electrones en los átomos de aire? Si tomo, digamos, un millón de electrones (que NO son parte de un átomo) y los coloco en el terminal negativo, ¿por qué no pueden moverse sin la ayuda de los electrones en los átomos que lo rodean?
No dije nada sobre necesitar partículas de aire. No tienen que desempeñar ningún papel y los electrones se moverán solos si una fuerza desequilibrada actúa sobre ellos.
@DanielKnapp ¿Pero la fuerza electromagnética del terminal positivo no es una fuerza desequilibrada? Básicamente, tiene un montón de electrones libres ( no unidos a los átomos) en la terminal negativa y una fuerza desequilibrada de la terminal positiva tirando de ellos. Entonces, ¿por qué los electrones libres que tienen una fuerza desequilibrada que actúa sobre ellos no se mueven a través del aire?
No me queda claro lo que estás preguntando aquí.
Dfg dice que no debe haber enlaces con los átomos. Por ejemplo, los átomos del terminal pueden ser ya neutros. Los electrones libres pueden ser electrones "extra" sin enlaces con los átomos. En ese caso, no deberían sentir ninguna fuerza de equilibrio y deberían caer libremente por el aire.
Los electrones pueden moverse libremente a través del aire. No hay razón por la que no puedan moverse como partículas libres. Sin embargo, por supuesto, están cargados y la fuerza de Coulomb es muy poderosa, por lo que tenderán a interactuar fuertemente con cualquier otra partícula a su alrededor.
Para volver a su pregunta original, la electricidad viaja más libremente a través de los cables porque los cables son muy densos y contienen una gran cantidad de electrones altamente móviles. La electricidad no se mueve fácilmente a través del aire porque el aire es muy escaso y porque los electrones en el aire tienden a unirse a las moléculas que forman el aire.
@fffred ¡Sí, exactamente! ¿Sabes por qué?
@DanielKnapp Entonces, ¿la razón por la que la electricidad no puede fluir como partículas libres es por la fuerza de coulumb? Pero la fuerza de culombio ejercida sobre los electrones libres por los protones, ¿no es anulada por la fuerza ejercida por los electrones en los átomos?
Por favor vea mi comentario arriba. La electricidad puede fluir como partículas libres.
@DanielKnapp Pero si la electricidad puede moverse por el aire, ¿por qué las baterías no se agotan sin un cable que conecte los terminales? ¿Por qué los electrones no fluyen constantemente?
Las baterías se agotan con el tiempo, incluso si no se usan en un cajón. Creo que la razón de esto es la ionización (principalmente de los rayos cósmicos). Nuevamente, ese comportamiento se explota en dosímetros electroscópicos.
Creo que ahora entiendo la explicación de Daniel. Debido a que los electrones están deslocalizados, no compensan exactamente el potencial de los iones. En realidad lo hacen en promedio, pero no localmente. El potencial general se ve, en 2D, como una caja de huevos de espuma. Los electrones en exceso sentirán este potencial, y cuando cruzan un límite, tienen que superar la última "colina" de potencial, que es más alta debido al efecto de superficie (al igual que la tensión superficial del agua). Esta es la interpretación microscópica del punto de @dmckee sobre la "función de trabajo". ¿Estoy en lo correcto?
@fffred Así es como lo entiendo, pero como he dicho, soy débil en estado sólido.

Los electrones fluyen sin un cable. Esto es exactamente lo que sucede en un tubo de rayos catódicos. Entonces, ¿por qué los electrones no fluyen de un conductor a otro a través del vacío o el aire si hay una diferencia de potencial? Se requiere una energía mínima de unos pocos eV para que un electrón salga de un metal conocido como función de trabajo. En un tubo de rayos catódicos, esta energía se minimiza seleccionando un material con una función de trabajo baja y calentando el ánodo.

Intente buscar bandas de conducción y valencia . La teoría explica en términos de energías por qué fluye la electricidad.

Imagen

No es como las bolas porque los electrones están atados por pozos de potencial, de los que tienen que salir para poder fluir.

¿Cómo responde la diferencia de conducción a la pregunta? ¿Las estructuras de bandas son válidas para el aire? ¿Por qué los electrones "extra" no fluirían a través del aislador?
El aire es un aislante y, como se ve arriba, los electrones no existirán en su banda conductora a menos que salgan de un pozo de potencial. Esto sucede alrededor de 15 k V / i norte de gradiente potencial donde hay arco.
Entonces, ¿qué sucede con los electrones cuando los fuerza en el aislante? ¿Son repelidos? ¿Rebotan en el aislador para regresar al conductor?
¿Cómo los "fuerzas" en un aislante?
Primer ejemplo: un capacitor que está bajo un potencial dado (los electrones en exceso de un lado serán atraídos al otro lado). Segundo ejemplo: un conductor esférico dentro de un aislador infinito con exceso de carga en la superficie del conductor (los electrones se repelen entre sí por lo que tienden a alejarse de la esfera).

Las respuestas publicadas por la CIA y dmckee son excelentes, y señalan correctamente que los libros de texto generalmente explican a mano por qué los electrones no abandonan fácilmente la superficie de los conductores, pero agregaría que los electrones en realidad pueden moverse por el aire, incluso si el eléctrico campo no es lo suficientemente fuerte para ionizar el aire y formar un plasma. Cualquiera que haya intentado hacer experimentos de electrostática cuantitativa sabe esto: coloque una carga estática en un conductor abierto al aire y vea cuánto tiempo permanece allí. Depende del material, pero generalmente no es tan largo, especialmente en un día húmedo. Por lo general, debe mantener una fuente de alimentación conectada si desea mantener una carga constante.

Además, deje una batería en el estante el tiempo suficiente y encontrará que ha perdido su carga. Esto es similar, aunque los iones se desplazan en lugar de los electrones y el movimiento se realiza a través del medio aislante interno de la batería en lugar del aire.

"Si define "electricidad" como portadores de carga en movimiento (lo que creo que es razonable), entonces necesita portadores de carga gratuitos ". Esta lógica de @dmckee parece algo restrictiva, ya que no es aplicable sin advertencias a la corriente alterna, que es probablemente la tipo de electricidad más utilizada. Puede usar cargos vinculados para corriente alterna. Por ejemplo, la corriente alterna puede fluir a través de capacitores. El OP pregunta: "¿por qué la electricidad no fluye sin un buen conductor?" Diría que sí, por ejemplo, en guías de ondas dieléctricas circulares , que son simplemente varillas dieléctricas. La fibra óptica es un ejemplo extremo de tales fenómenos, y no creo que se pueda discutir que hay "portadores de carga en movimiento" en la fibra óptica,

Sucintamente: el flujo de electricidad ocurre fácilmente en los rayos catódicos en los famosos tubos de vacío y los rayos cósmicos fluyen muy bien en el espacio exterior y los iones fluyen fácilmente en soluciones iónicas. Así que no se necesitan cables. El problema es introducir cargas en el espacio o el aire, ya que a los electrones les gusta permanecer dentro de un material o metal, ya que son atraídos por los iones de la red positiva. Déles suficiente energía para salir (función de trabajo del efecto fotoeléctrico) y luego acelerarán y fluirán fácilmente en cualquier campo eléctrico o diferencia de potencial. Hay una barrera de energía para sacarlos. Incluso una bola de metal cargada no arroja su exceso de carga en el vacío a menos que la carga sea tan alta como para crear un campo de superficie grande para extraer electrones del metal. El calor o la luz ultravioleta pueden ayudar a sacar los electrones.

¿Por qué la electricidad necesita cables para fluir?
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