Algunas preguntas relacionadas con los circuitos y el flujo de electrones

Has hecho algunas preguntas realmente buenas aquí. Antes de comenzar, primero quiero mencionar que a la imagen tradicional de partículas moviéndose a través de un cable en electrostática le falta algo de física; por ejemplo, ignora la naturaleza mecánica cuántica de los electrones. La razón por la que aún enseñamos este modelo es porque captura los efectos principales (el fenómeno de la corriente) sin tratar con detalles microscópicos, pero quería advertirle que algunas de las respuestas involucrarán física que probablemente no esté contenida en sus lecturas de electrostática. .

Para poner las cosas en perspectiva, ahora sabemos que la física newtoniana es "incorrecta" (o quizás más exactamente, incompleta), y no da las respuestas correctas si, por ejemplo, un objeto es muy pequeño o se mueve muy rápido. Pero aún enseñamos física newtoniana porque es "suficientemente buena" para describir objetos macroscópicos como autos y pelotas de béisbol.

Ahora, para responder a sus preguntas,

Cuando los electrones comienzan a moverse a través del cable hacia la terminal positiva, ¿se mueven todos a la vez? ¿Porque de lo contrario, mientras se mueven, seguirán ejerciendo fuerzas repulsivas entre sí? ¿Esta fuerza repulsiva afecta su movimiento?

La imagen microscópica de un metal es (crudamente) una colección de cargas negativas, también conocidas como electrones, moviéndose a través de una red de iones positivos. De hecho, habrá una atracción entre estos iones y los electrones, y una repulsión entre dos electrones cualesquiera. Sorprendentemente, también existe una fuerza de atracción entre los electrones. El origen de esta fuerza de atracción es que los electrones atraen cargas positivas a su alrededor, pudiendo en algunos casos dar lugar a la formación de un estado ligado llamado par de Cooper, que son relevantes para explicar el fenómeno de la superconductividad, una fase de los metales. donde la resistencia es exactamente cero. Tenga en cuenta que esto requiere que la mecánica cuántica funcione correctamente y es extremadamente sutil.

¿No deberían permanecer algunos de los electrones en el propio cable? Si, en algún punto del cable, no hay suficiente fuerza repulsiva presente, ¿se detendrán o llegarán a la terminal positiva?

Nuevamente, necesitamos un modelo más refinado, en este caso, mecánica estadística. Antes de conectar los terminales, todos los electrones tienen una distribución aleatoria de energía que se manifiesta como temperatura. La presencia de un campo electrostático provoca un flujo neto de carga, pero a nivel micro, los electrones chocan y se mueven en una variedad de direcciones. A menudo, verá que los libros de electrostática hablan de la velocidad de deriva de los electrones, que es una representación estadística del flujo neto. Un solo electrón probablemente se mueve mucho más rápido que la velocidad de deriva, incluso quizás en la dirección opuesta al flujo de corriente, debido a la energía térmica aleatoria y las colisiones entre partículas.

¿La forma afectará el movimiento de la corriente? ¿Tiene algún efecto sobre el campo eléctrico?

En electrostática no, pero en realidad sí. En mecánica, uno tiene estática y dinámica. En electromagnetismo, uno tiene electroestática y electrodinámica .. Si sigues aprendiendo sobre electromagnetismo, pronto te encontrarás con otro campo, el campo magnético, y aprenderás que los campos eléctricos y los campos magnéticos están entrelazados de tal manera que te llevarán a reconsiderar los dos campos como componentes de una sola entidad ( de ahí, "electromagnetismo"). En particular, aprenderá que los cables que transportan corriente producen campos magnéticos (Ley de Ampère) y que los campos magnéticos cambiantes pueden producir EMF (Ley de Faraday). Esta es una preocupación legítima para construir circuitos del mundo real, y la cantidad asociada con este efecto se llama impedancia. La impedancia se mide en ohmios, como la resistencia, y depende de la geometría del circuito.

¿La longitud del cable afectará la velocidad del flujo de cargas? Si tenemos una longitud infinita de cable, ¿fluirán las cargas?

Definitivamente estás en algo aquí. La resistencia del alambre es proporcional a la longitud del alambre. Por la Ley de Ohm, la corriente es inversamente proporcional. La corriente es proporcional a la velocidad de deriva, por lo que la corriente es inversamente proporcional a la longitud del cable . Ver http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html#c1 para una derivación.

1.) Cuando cierra un circuito por primera vez, hay un período de tiempo muy breve en el que los electrones se empujan entre sí "uno por uno", por así decirlo. Este período de tiempo muy breve es probablemente del orden de nanosegundos, por lo que generalmente lo ignoramos. Después de eso, se establece una condición de estado estacionario y los electrones se mueven todos a la vez... más o menos. No olvide que los electrones chocan constantemente con las impurezas y las vibraciones de la red.

2.) Entonces tu segunda pregunta es discutible.

3.) La forma puede tener un efecto. La resistencia es mayor donde hay dobleces en el cable, y todos los circuitos tienen capacitancias e inductancias parásitas que pueden afectar la operación. A menudo (¿normalmente?) estos efectos son pequeños e insignificantes. A veces se introducen intencionalmente.

4.) La longitud afectará la velocidad. Para un voltaje aplicado dado, un cable más largo tendrá un voltaje por metro (campo eléctrico) más bajo y la resistencia del cable aumentará. Eventualmente, se alcanzará una longitud en la que la corriente generada sea inconmensurablemente pequeña, más baja que la corriente producida por las fluctuaciones térmicas. En ese punto, la corriente se ha detenido efectivamente.