Campo electromagnético y caída de tensión en un circuito.

• P1 Si hay una diferencia de potencial entre los cables de la batería, ¿por qué tiene que haber una caída de voltaje en algún lugar del circuito (cable, resistencia, carga, etc.) para que fluya la corriente? En un conductor perfecto, ¿no deberían estar acelerando constantemente los electrones, por lo tanto, con una corriente infinita? o al menos una corriente proporcional al número total de electrones disponibles en el cable?
• A1: Como sabes, tenemos la ley de Ohm ,$U = R \cdot I$. Ahora, tomamos el límite.$R \to 0\Omega$, mientras$U=const$. Ya ves, que la corriente$I$debe divergir,$I\to \infty$. Entonces, si asumimos que la batería es un suministro de voltaje perfecto, la corriente debe divergir. Alternativamente, podemos preguntar qué voltaje suministra la batería, si la corriente está limitada por algún valor$I_{max}$. ahora tenemos$U\to 0 V$si$R\to 0\Omega$. Entonces, de alguna manera, tenemos que decidir qué imagen nos gusta usar. Para mí, prefiero el primero, porque me gusta pensar en una batería como un suministro de voltaje perfecto.
• P2: ... No lo sé.
• P3: Tomo esto como su pregunta: ¿Qué estamos midiendo realmente cuando conectamos un voltímetro para medir el voltaje a través de la resistencia?
• A3: No solo hay un principio de funcionamiento, sino que existen muchos principios de funcionamiento. Echa un vistazo aquí . Creo que al menos algunos de sus nombres se explican por sí mismos. Así que solo los copio aquí: Voltímetro de bobina móvil de imán Parmanent, Voltímetro de hierro móvil, Voltímetro tipo electrodinamómetro, Voltímetro tipo rectificador, Voltímetro tipo inducción, Voltímetro tipo electrostático, Voltímetro digital.

P1: para una batería ideal con resistencia interna 0, cerrar el circuito con un cable perfectamente conductor dará como resultado una corriente infinita. Si la batería tiene una resistencia interna, como las reales, toda la caída de voltaje ocurrirá en esta resistencia interna y, por lo tanto, calentará la batería hasta que se arruine (esto podría incluso ser un riesgo de incendio). La razón por la que hay una caída de voltaje es porque hay un campo eléctrico a lo largo de cierta distancia. Dentro de un conductor perfecto, no hay campo y por lo tanto no hay caída de tensión. Q2: la misma corriente fluye a través de la resistencia que a través del cable perfectamente conductor. Las cargas pierden energía debido a las colisiones dentro de la resistencia, pero vuelven a acelerarse. P3: el voltímetro más simple permite que las cargas se acumulen en dos piezas de metal que luego se repelen contra alguna fuerza restauradora como la gravedad. Se repelen electrostáticamente, por lo que es el potencial eléctrico o el voltaje asociado con el campo eléctrico el que equilibra la diferencia de potencial asociada con la fuerza de recurso. Es decir, el voltaje provoca un aumento proporcional en la altura promedio de las piezas metálicas. Obviamente hay otros métodos y los equipos modernos son más avanzados.

No estoy seguro de que su discusión sobre lo que hacen los campos magnéticos sea completamente necesaria para la comprensión conceptual que parece estar buscando aquí, ya que no mencionó la inductancia. La inductancia está relacionada con la cantidad de impulso que se almacena en el campo magnético. Cambiar el impulso lleva tiempo, por lo que agregar inductancia a un circuito provoca un retraso después de un cambio en el voltaje mientras el campo magnético "gira" hasta su nuevo valor de equilibrio. Para circuitos ideales simples, la inductancia a menudo se desprecia siempre que sea posible y la corriente se trata como si alcanzara el equilibrio instantáneamente después de accionar el interruptor.

[P] Si hay una diferencia de potencial entre los cables de la batería, ¿por qué tiene que haber una caída de voltaje en algún lugar del circuito (cable, resistencia, carga, etc.) para que fluya la corriente?

¡Me encanta esta pregunta! Así es como se lo explico a mis estudiantes de primer año: imagina un "potencial" con el que estés más familiarizado: la gravedad. Cuando subes una escalera mecánica (que tiene una diferencia de potencial$mg\Delta h$), para volver al fondo, tienes que perder energía potencial$mg\Delta h$ de una forma u otra (normalmente bajando las escaleras). Tampoco mantienes toda esa energía como cinética una vez que llegas al fondo, ¿verdad? Tus zapatos y articulaciones crean fricción (análoga a una resistencia) arrojan la energía para que te acerques a la escalera mecánica a una velocidad de ~0 nuevamente.

Ahora, para un superconductor, con casi 0 resistencia, seguirá aumentando la corriente hasta que la pequeña resistencia represente la caída de voltaje. Imagine, tal vez, una escalera mecánica y un tobogán sin fricción que lo sigue acelerando hasta que la resistencia del aire le da la velocidad terminal.

Ahora, debido a que el electrón ha perdido algo de KE, va un poco más lento, por lo que habrá una acumulación de carga. Y debido a que va más lento, la intensidad del campo magnético debería disminuir, porque los efectos relativistas deberían tener un efecto menor en las cargas superficiales. Ahora, ¿qué sucede con la energía almacenada en el campo magnético? ¿Se transfiere al electrón para acelerarlo nuevamente y mantener constante la velocidad promedio o pasa la energía al campo eléctrico, que a su vez acelera al electrón y así sucesivamente?

No es que la corriente disminuya una vez que golpea una resistencia, imagine esto como un atasco de tráfico de parachoques a parachoques en una carretera de un solo carril. Todos pueden conducir rápido juntos, pero si algo frena a algunos de ellos, los frena a todos.

En el caso de que pudiera aumentar o disminuir la resistencia, sin duda si aumentara la resistencia rápidamente causaría un cambio en el campo magnético que induciría un campo eléctrico para acelerar las cargas como en la ley de Faraday. Pero esto es lo mismo para cualquier cambio en la corriente, no exclusivo para cambiar la resistencia.

De la electrostática sabemos que si llevamos una carga de prueba a una distancia d en un campo eléctrico uniforme, entonces su potencial será igual a qEd, y si la alejamos del campo tendrá menos energía potencial. Entonces, el voltaje (que es la diferencia en la energía potencial en estos puntos) es una función de la distancia, entonces una caída de voltaje significaría que las cargas de alguna manera se separaron más en el campo o que el campo se distorsionó, por lo que la densidad de flujo en un punto después la resistencia es menor...?

Los circuitos son realmente un caso especial que no se puede tratar con electrostática.$V = qEd$no funciona bien para describir circuitos porque los electrones no pueden moverse libremente entre sí, por lo que los efectos del electrón delante y detrás del que está mirando son realmente lo que determina el$\vec{E}$campo en ese punto. Pero esa es una forma desordenada e inútil de ver el caso especial de los circuitos eléctricos.

Creo que su malentendido en todos estos puntos proviene de la idea central de que la electricidad es el flujo de electrones. Cuando se desarrollaron las teorías del electromagnetismo en la década de 1800, el electrón aún no se había descubierto, por lo que debe tener eso en cuenta cuando intente explicar estas ideas con el electrón.

Al tratar de aplicar una explicación simplista de la electricidad dada en la escuela secundaria a la mecánica cuántica, terminas encontrando algunos problemas en los que la conceptualización no coincide con la vida real.

La comprensión adecuada de la electricidad y el electromagnetismo no se puede lograr simplemente pensando en el electrón, así que comience leyendo sobre el potencial eléctrico y algo de historia sobre el electromagnetismo.