¿Cómo cambia la velocidad de los electrones alrededor de un circuito?

Si no hubiera nada en el camino, un electrón que sale del ánodo de una batería de 4 voltios tendría una energía cinética de 4 electronvoltios cuando llegara al cátodo.

Sin embargo, el camino libre medio de los electrones en los cables metálicos es extremadamente corto, por lo que los electrones nunca acumulan una velocidad como esta. El resultado final es que las velocidades de los electrones son aleatorias pero con una velocidad promedio pequeña desde el ánodo hasta el cátodo llamada velocidad de deriva . Para darle una idea de la diferencia, la velocidad del electrón correspondiente a 4eV es de aproximadamente un millón de m/s, pero las velocidades de deriva suelen ser de alrededor de 1 m/s.

Para hacer una analogía, suponga que está parado en una agradable brisa de un m/seg. Según la distribución de Maxwell-Boltzmann, la velocidad de las moléculas de aire a temperatura ambiente es de 300 a 400 m/s, pero sus direcciones son aleatorias y se anulan. Lo que queda es un movimiento neto del aire de 1 m/s, que es análogo a la velocidad de deriva de los electrones en un circuito.

La mejor manera de enseñar electrónica a los principiantes es usar la analogía hidráulica . Aunque pueda parecer torpe a primera vista, la analogía hidráulica es notablemente útil. Incluso puede modelar elementos de circuitos como condensadores.

Para empezar, cuando hablamos de voltaje como energía por unidad de carga, ¿esta energía se manifiesta simplemente como la energía cinética del electrón?

El voltaje es energía potencial por unidad de carga. Una analogía: el voltaje es a la carga como la altitud (como en la superficie de la Tierra) es a la masa.

Entonces, si levanta una roca de 1 kg del suelo a una altura de 1 m, ha agregado algo de potencial gravitatorio a esa roca. ¿Se manifiesta como energía cinética?

Bueno, si lo dejas caer en un entorno sin fricción, tal vez. Pero cualquier cantidad de otras cosas podrían suceder. El espacio dentro del metro donde cae el objeto podría estar lleno de una sustancia viscosa. En ese caso, la mayor parte de la energía potencial gravitatoria se convierte en calor por medio de la fricción. O bien, podríamos diseñar un aparato para hacer girar un generador a medida que cae la masa, convirtiendo su energía potencial gravitatoria en algún tipo de energía eléctrica. Tal vez cargamos una batería y se convierte en energía química.

Y, por supuesto, en la parte inferior de la caída probablemente golpea el suelo, transfiriendo impulso a la Tierra y enviando energía en forma de sonido, entre otras cosas. No permanece como energía cinética por mucho tiempo, sino en la mayoría de las situaciones reales.

Y lo mismo ocurre con la electricidad, también. Probablemente no encontrará nada análogo a un lugar sin fricción para "dejar caer" la carga eléctrica. Si la corriente pasa por una resistencia, entonces se convierte en calor. Si pasa por un motor, entonces se convierte en energía mecánica.

Hay dispositivos que lanzan electrones en condiciones esencialmente sin pérdidas (tubos de vacío, CRT), pero la mayoría de estos dispositivos tienen algo al final en el que los electrones golpean para hacer otra cosa (en el caso del CRT, producir luz visible). En estos casos, la energía cinética de los electrones inmediatamente antes del impacto sería proporcional al voltaje a través del cual han caído, pero no sospecho que esto sea especialmente revelador para la enseñanza de la electrónica en general. En todo caso, demuestra que incluso si la corriente es constante en un circuito en serie, la velocidad de los electrones no lo es necesariamente.

Para saber qué pasa con la energía potencial eléctrica, necesitas saber qué pasó con la carga cuando cayó.

No equiparar potencial con energía cinética. La rapidez con que fluyen los electrones en un conductor tiene muy poco que ver con su potencial. Debe considerar la corriente y la densidad del portador de carga para eso. Dependiendo del material, puede tener algunos electrones rápidos o muchos más lentos. En los semiconductores, la velocidad de la portadora será mayor, razón por la cual el efecto Hall aparece más, por ejemplo.

Los electrones (portadores de carga) pierden energía a medida que son dispersados ​​por el material por el que viajan. Esto se experimenta como resistencia. La cantidad de corriente que fluye es una función del voltaje y la resistencia, por lo que sí, cuando duplica el voltaje y todo lo demás es igual, la velocidad de deriva promedio de los portadores de carga se duplica (la misma cantidad de portadores viajan el doble de rápido). Pero esta velocidad es sorprendentemente baja para un buen director. Te recomiendo que intentes calcularla para convencerte.

Para empezar, cuando hablamos de voltaje como energía por unidad de carga, ¿esta energía se manifiesta simplemente como la energía cinética del electrón?

No, en absoluto.

Recuerde que, especialmente en los circuitos eléctricos, el voltaje no se mide en un punto (en general, el potencial en un punto no es físicamente significativo; solo la diferencia de potencial de dos puntos es físicamente significativa).

Hablamos del voltaje a través (o entre) dos terminales o nodos en un circuito.

Por ejemplo, no decimos que el terminal positivo de una batería tiene un voltaje de 1,5 V, decimos que el voltaje entre (entre) los terminales positivo y negativo de la batería es de 1,5 V.

Ahora, como usted señala, el voltio es joules por coulomb. ¿Cómo interpretar esto?

En el caso de la batería anterior, la batería (ideal) hace 1 joule de trabajo moviendo 1 culombio de carga desde el terminal negativo (potencial más bajo) al terminal positivo (potencial más alto) de la batería.

Si la batería está conectada a una resistencia, la energía ganada por el culombio de carga se convierte en calor en la resistencia.

La velocidad a la que se realiza el trabajo es la potencia y está dada por el producto del voltaje a través y la corriente (tasa de flujo de carga eléctrica) a través.

Tenga en cuenta que la energía cinética no se ha mencionado. La batería (idealmente) realiza la misma cantidad de trabajo "bombeando" 1 coulomb de carga de negativo a positivo , independientemente de la velocidad a la que se realice.

Además, ¿no implica esto que los electrones casi se detienen cuando llegan al terminal positivo de la batería?

Imagine, por ejemplo, una batería de 1,5 voltios conectada a través de un conductor uniforme con una resistencia total de 1 ohm. La corriente a través del conductor es, según la ley de Ohm, de 1,5 amperios y, dado que el conductor es uniforme, la cantidad de carga que fluye a través de cualquier sección transversal en cualquier parte del conductor es de 1,5 culombios por segundo .

Los electrones cerca del extremo positivo de la batería tienen menos energía que los electrones cerca del extremo negativo de la batería, pero eso se debe a su posición en el campo eléctrico, es decir, su diferencia de energía potencial.

Esta pregunta se dio en las Olimpiadas marroquíes:

Dijeron: Si tenemos el mismo circuito: En el primer caso la corriente eléctrica medida es$I_1=1A$y el segundo caso lo tenemos$I_2=2A$. ¿Cambiará la velocidad de los electrones? dar una explicación matemática.

Voy a usar física simple: (Nivel de secundaria)

Lo sabemos :$I=\frac{Q}{\delta t}$

Y la velocidad viene dada por:$v=\frac{\delta d}{\delta t}$

Entonces podemos escribir la velocidad:$v=\frac{I.\delta d}{Q}$

Sabemos que observamos que la velocidad se puede cambiar, el factor aquí es la corriente eléctrica.

Veo que es lo mismo que tu pregunta, usé lo que dieron en la solución final.