Circuitos explicados sin analogías [cerrado]

1. Ver 2.

2. Una diferencia de potencial es muy parecida a la energía potencial en la mecánica: cuanto más alto estés, más "energía cinética" podrías tener .

Esto es lo mismo para los electrones. Sentirán una fuerza en presencia de un campo eléctrico, lo que podría hacer que ganen energía cinética:

$\vec{F} = q\cdot \vec{E}$

Del mismo modo, también sentirán una fuerza en presencia de un campo magnético. Aquí es donde las analogías suelen fallar con la mayoría de los intentos basados ​​en la mecánica. El Sr. Lorentz encontró la fuerza total sobre un electrón (fuerza de Lorentz):

$\vec{F} = q\cdot \vec{E} + q\cdot(\vec{v} \times\vec{B})$

El potencial se define de manera similar a la energía potencial en mecánica si no tomamos el campo magnético$\vec{B}$en cuenta.

$\Phi=-\int_C\vec{E}\cdot d\vec{l}$

(Compare esto con la energía potencial en mecánica:$U=-\int_C\vec{F}\cdot d\vec{r}$).

Un potencial de voltaje solo se puede calcular entre dos puntos en el espacio, por lo que solo puede ser una "diferencia". No hay "voltaje absoluto", solo diferencias de voltaje. Sin embargo, para facilitar las cosas, a menudo elegimos un punto en el espacio (en el circuito) al que llamamos tierra (0V).

3. Si desea discutir lo que realmente están haciendo, entonces está listo para un verdadero placer. Para discutir eso, necesitas sumergirte en el mundo de la física cuántica.

Una breve explicación podría ser que los electrones ganan y pierden energía todo el tiempo. El calor es solo una forma de perder energía (a través de fonones). ¡En LED, por ejemplo, la mayoría de los electrones perderán su energía a través de fotones! La forma en que los electrones pierden energía depende en gran medida del material. Para las resistencias, esto es prácticamente solo a través de fonones (ondas de sonido/movimientos o calor), que es una forma de radiación electromagnética.

4. Como se indicó en la primera y segunda respuesta, el potencial se define como la integración sobre una línea entre dos puntos:

$\Phi_{AB}=-\int_A^B\vec{E}\cdot d\vec{l}$

Si no hay un campo magnético variable , entonces no importa qué camino tome de A a B, el potencial permanecerá idéntico. Entonces, si A y B son el mismo punto, puede tomar un camino de longitud 0 que le dará un potencial 0. ¡Eso significa que tienes que terminar con 0, sin importar el camino que tomes! Si toma el camino a través de todas las resistencias, no importa lo que hagan los voltajes, tienen que sumar 0 para no violar las leyes de la física.

5. Dependiendo del material, varios electrones pueden atravesar los contactos. Esto depende, entre otras cosas, de cuántos electrones libres hay disponibles en el material. Para una pieza muy pequeña de material uniforme, la corriente se puede formular utilizando una densidad de corriente:

$\vec{J}=\sigma\cdot \vec{E}$

Para los metales, hay muchos electrones libres, por lo que no se necesita mucho campo eléctrico para mover estos electrones libres. Para los semiconductores, depende de cuántos portadores de carga libre haya, lo que a su vez depende del dopaje. Los aisladores conducirán prácticamente ninguna corriente porque tienen pocos o ningún electrón libre.

La ley de Ohm es exactamente la misma fórmula para una pieza más grande de material uniforme. Si se aplica el mismo voltaje a través de una pieza más larga de material, el campo eléctrico se hará más pequeño ($|\vec{E}|=V_R/l$) y también lo hará el actual. Si el material se hace más ancho, entonces puede pasar más corriente a través del área más grande ($I=A\cdot |\vec{J}|$).

No quieres analogías ya que he oído que esas analogías se rompen cuando llegamos a circuitos más complejos.

Sí, los modelos se desmoronan, al igual que la física newtoniana no funciona cuando llegas a la velocidad de la luz. Sin embargo, la mayoría de las cosas no funcionan a la velocidad de la luz, por lo que en el 99 % de los casos el modelo está bien.

Lo mismo vale para la electrónica. El 99,99% de las veces no utilizo las características de un transistor NPN. Todo lo que uso es una ganancia estimada y "comienza a conducir en algún lugar alrededor de Vbe = 0.6Volts".

Otro ejemplo: cuando era joven compré un costoso multímetro de 6,5 dígitos porque pensé que lo necesitaba. Hoy en día resuelvo 9 de cada 10 problemas con un multímetro de 3,5 dígitos de cinco dólares. (El otro 10% requiere un visor).

En pocas palabras: comienza a aprender lo básico. No necesitará la mecánica cuántica de cómo funcionan los semiconductores durante otros 10 años.

Esta va a ser una respuesta aburrida, pero todo es una analogía. Lo más cerca que se llega a "lo que realmente está pasando" son las matemáticas. E incluso eso es una analogía/descripción y no "la verdad".

Si realmente quiere evitar analogías, entonces su pregunta en sí es defectuosa. ¿ Quieres saber qué es exactamente una fuente de tensión ? Luego indique de qué fuente de voltaje está hablando: una batería de plomo-ácido, un panel solar, una dínamo, un alternador, una batería Lipo, ... Todos funcionan de manera fundamentalmente diferente, pero también se pueden representar con una sola analogía con respecto a la fuente de voltaje

Lo mismo ocurre si estás hablando de semiconductores o condensadores. Puede haber varios mecanismos diferentes (por ejemplo, MOSFET frente a BJT, condensador de cerámica frente a electrolito, por nombrar solo algunos).

¿Es este tu objetivo? ¿Realmente quiere aprender de abajo hacia arriba en este caso en lugar de tomar los fundamentos primero con un enfoque de arriba hacia abajo?

Además, las analogías y la abstracción realmente funcionan a tu favor si las aceptas. A modo de ejemplo: tanto los problemas térmicos como los mecánicos se pueden modelizar perfectamente con modelos electrónicos. Esto sucede en entornos profesionales a diario.