Circuito de voltaje

¿El voltaje no se basa en la posición?

No. Cualquier punto en un cable conductor, es decir, tiene el mismo potencial (idealmente).

¿Cómo pueden las resistencias causar una caída en la energía potencial? Puedo entender que la resistencia cause una caída en la energía cinética que ralentiza los electrones, pero ¿cómo reduce el voltaje?

Si el potencial es análogo a la presión (y el voltaje, por lo tanto, a la diferencia de presión), entonces, para mover, por ejemplo, el agua a través de un filtro, debe agregar presión desde un lado. No del otro. Hay una diferencia de presión a través del filtro. De manera similar, hay una caída de voltaje en una resistencia porque se necesita un potencial mayor para empujar las cargas desde un lado.

la diferencia de voltaje en el cable después de la última resistencia y el terminal positivo sería cero, ¿verdad?

Sí. Nuevamente, porque el potencial en cualquier punto de un cable conductor es el mismo.

Por cierto, evite la palabra "diferencia de voltaje". "Voltaje" ya significa "diferencia de potencial".

Entonces, ¿cómo podrían los electrones regresar al terminal positivo? ¿No se detendrían simplemente?

¿Por qué se detendrían? ¿Qué los detiene? Si el cable es cien por ciento conductor (idealmente no tiene resistencia), entonces simplemente continúan sin obstáculos. Al igual que una nave espacial sigue a la deriva si nada la detiene.

No confundas movimiento con aceleración. Para iniciar o detener algo necesitamos una fuerza. Se requiere una fuerza eléctrica para vencer la fuerza de resistencia en la resistencia, de lo contrario, las cargas se detendrían allí. Pero no existe tal fuerza de resistencia en un alambre.

La mejor analogía que se me ocurre es un río que fluye cuesta abajo y hace girar una turbina. Pero en este caso la turbina no provoca una disminución de la energía potencial del agua. Solo toma parte de la energía cinética del agua.

Es una buena analogía, solo tenga en cuenta que la energía potencial gravitatoria es algo diferente a la energía potencial eléctrica. Hay energía potencial presente tanto en el agua que fluye corriente abajo como en los electrones que se mueven a través de un circuito.

El potencial eléctrico no es análogo a la energía potencial gravitacional en el escenario del agua, sino a la presión. Porque funcionan de la misma manera (la diferencia de presión significa que algo se empuja más de un lado, por lo que querrá moverse; la diferencia de potencial eléctrico significa de manera similar que la carga se repele más de un lado que del otro, por lo que querrá para mover.

Veamos... comencemos con la ley de Ohm: V=IxR
Ahora nos referiremos a un circuito en serie. Cualquier resistencia (o componente) tendrá una caída de voltaje, dada por la relación: Vdrop=IxR(R es la resistencia de ese componente). Tenga en cuenta que la intensidad será la misma en cualquier punto, por lo que si disminuye, lo hará globalmente (intensidad total). El voltaje puede disminuir localmente (solo en un punto determinado) o el voltaje total del circuito disminuirá. Esto se debe a la forma en que se comporta la resistencia de los componentes.

Y si el voltaje total es igual a la suma de los voltajes de los resistores, entonces la diferencia de voltaje en el cable después del último resistor y el terminal positivo sería cero, ¿verdad? Entonces, ¿cómo podrían los electrones regresar al terminal positivo? ¿No se detendrían simplemente?

En realidad, el cable también tiene una caída de voltaje. También la tiene cuando la fuente de voltaje está en cortocircuito, pero es demasiado pequeña y permite que pase mucha corriente.

Respuesta corta :

La resistencia en realidad no causa una "caída de voltaje", al menos no directamente. La diferencia de potencial a través de la resistencia se entiende mejor como una consecuencia natural del hecho de que los campos electromagnéticos distintos de cero deben estar presentes dentro de la resistencia para que la corriente fluya a través de ella.

Respuesta larga :

Considere un conductor metálico de carga neutra que contiene electrones libres , electrones que no están unidos a los átomos en la red metálica y, por lo tanto, se les permite moverse libremente alrededor del material. Denote la dimensión longitudinal del conductor como$L$y el área de la sección transversal se denotará como$A$, y por simplicidad, deje que ambos parámetros sean constantes. En equilibrio, los electrones libres experimentan un movimiento térmico que hace que colisionen con la red atómica que constituye la mayor parte del material, y el movimiento térmico general de los electrones libres es aleatorio, de modo que no hay tendencia a que un electrón dado se mueva. en una dirección específica. Por lo tanto, la velocidad promedio de cualquier electrón libre dado es$0$.

Sin embargo, aplicando una constante$\vec E$-campo en la dirección paralela a$L$introducirá una fuerza que acelera los electrones en la dirección opuesta a$\vec E$. Ahora que los electrones están en un estado de no equilibrio, la tasa de aceleración de los electrones disminuirá debido a las colisiones con la red atómica y otros efectos térmicos hasta que se logre un estado de equilibrio en el que la velocidad promedio de cualquier electrón sea constante y distinto de cero en la dirección opuesta a$\vec E$. Esta velocidad promedio se conoce como la velocidad de deriva de los electrones libres en el metal, y la deriva de estos electrones es la responsable de la observación macroscópica de una corriente positiva.$\vec I$fluyendo en la dirección de$\vec E$.

Lo que acabo de describir es el marco conceptual de lo que se conoce como modelo de Drude , un modelo clásico de conducción eléctrica en metales y otros materiales conductores basado en los principios del electromagnetismo clásico y la teoría cinética. Hay variaciones más generalizadas y modernas de este modelo que incorporan nuestra comprensión moderna de los fenómenos electromagnéticos, pero este modelo resulta ser suficiente para dar una justificación teórica de la Ley de Ohm, que en forma vectorial es:

dónde$\vec E$es el campo eléctrico aplicado dentro del conductor,$\vec J = \frac{\vec I}{A}$es la densidad de corriente (la cantidad de corriente por área que fluye a través del área de la sección transversal del conductor), y$\rho$es la resistividad del conductor, una propiedad intrínseca del material.

Ahora considere uno de los electrones libres moviéndose a lo largo del metal. La cantidad de trabajo por unidad de carga$W$realizado por el$\vec E$-campo en el electrón se define como la integral de línea de$\vec E$a lo largo del camino$C$que el electrón atraviesa el metal,

Juntando esta expresión para el trabajo y la Ley de Ohm, terminamos con

Pero el lado izquierdo de esta ecuación es exactamente la definición de una fuerza electromotriz$V_{EMF}$-- la cantidad de trabajo por unidad de carga realizada por el$\vec E$-campo a lo largo del camino que toma el electrón a través del metal -- y suponiendo que el electrón se mueve con velocidad de deriva constante$\vec v_d$, el camino$C$se puede suponer que el electrón atraviesa el metal es una línea recta con longitud L, y el lado derecho de la ecuación se reduce a

De este modo,

dónde

es la resistencia del conductor metálico con longitud$L$y área de la sección transversal$A$.