¿Cómo puede haber una corriente y un campo eléctrico en un alambre idealizado sin caída de voltaje?

No se requiere necesariamente un campo eléctrico para mantener una corriente. Recuerde que la carga eléctrica es acelerada por un campo eléctrico.

En el caso de un conductor ideal, que se supone que conecta la fuente a la resistencia, la corriente puede tener cualquier valor y el voltaje a través del conductor es idénticamente cero.

Esto no es una contradicción. Considere el movimiento de un objeto en ausencia de fricción. No se requiere fuerza para sostener ese movimiento (solo para cambiarlo ).

Análogamente, en ausencia de resistencia en el conductor ideal, no se requiere campo eléctrico para mantener una corriente a través.

Si ayuda, considere un conductor no ideal con alguna resistencia total R. El voltaje a través para sostener una corriente$I$a través es:

Ahora deja$R$ir a cero y ver que, para cualquier valor de$I$, el voltaje a través es cero.

Agrego esto de mala gana porque, después de un poco de discusión en los comentarios, creo que hay cierta confusión sobre el significado y el propósito de la teoría del circuito ideal.

Cuando el OP abre la pregunta con "En un circuito ideal", establece el contexto como teoría del circuito ideal, que es una rama de la ingeniería eléctrica bien conocida, bien entendida y ampliamente utilizada. Quizás el OP no esté al tanto de este contexto. Quizás algunos de los que respondieron y/o comentaron no lo saben. Así, esta adenda.

Lo que debe quedar claro es que los circuitos y elementos de circuitos ideales se utilizan para modelar circuitos físicos y elementos de circuitos físicos. Los elementos ideales del circuito están destinados a corresponder a términos matemáticos en las ecuaciones para la solución del circuito. No representan componentes de circuitos eléctricos físicamente realizables .

Por lo tanto, cualquier respuesta en la línea de "no hay circuitos ideales" pierde por completo el punto .

Y, cualquier queja en la línea de " debe haber un voltaje debido a la Ley de Ohm" pierde por completo el punto.

Creo que la confusión radica en la distinción entre un esquema físico o, por así decirlo, un "diagrama de cableado", y un esquema de circuito ideal.

¿Cual es la diferencia?

El primero representa los componentes físicos y sus conexiones. Útil para técnicos, ingenieros de pruebas, etc. etc. pero no para cálculos y/o simulaciones.

Para eso, se usa un esquema de circuito ideal ya sea explícita o implícitamente para traducir el circuito físico en un modelo matemático que se puede usar para calcular y simular.

Por ejemplo, aquí está el símbolo esquemático de un transformador ideal con el secundario conectado a una carga:

A diferencia de un transformador real, es decir, físico, el transformador ideal no tiene pérdidas y tiene un ancho de banda infinito . ¿Cómo se calcularía o simularía un transformador real? Aumentando el esquema del circuito ideal con elementos adicionales del circuito ideal que modelan las características no ideales.

Por ejemplo, un modelo de circuito ideal de un transformador real se ve así:

Tenga en cuenta que cada elemento del circuito en ese diagrama es ideal y, por lo tanto, no es físicamente realizable, pero todo el circuito ideal corresponde a un buen modelo matemático de un transformador real que se puede usar para cálculos y simulaciones.

Para llevar aún más este punto a casa, consideremos el esquema de OP como un diagrama de "cableado" para una batería física conectada con cables a una resistencia física.

Dado que este es un circuito de CC, un modelo simple de una batería es una fuente de voltaje ideal en serie con una resistencia ideal de valor pequeño. Un modelo simple de un cable físico es una resistencia ideal de pequeño valor. De este modo:

Pero, una vez más, cada elemento del circuito anterior es ideal, incluidos los cables que conectan los elementos del circuito ideal .

Y, nuevamente, para el cable ideal, no hay voltaje para ningún valor de corriente a través de . Esto define el cable ideal y eso es realmente todo lo que hay que decir al respecto.

Hay un límite en cuanto a cómo se puede usar un "modelo ideal". En realidad, fue una broma no intencionada: a veces es necesario considerar cómo se comporta un modelo ideal en el límite, no en el límite.

Entonces, considere una fuente de voltaje con$V = \epsilon$con resistencia interna cero y observe el flujo de corriente a través de una resistencia como la resistencia$R$se aproxima a cero. La corriente aumenta sin límite.

A continuación, ¿cuál es la corriente como ambos$V$y$R$acercarse a cero? La respuesta es, por supuesto, "depende" de cómo se acerquen a cero.

Su pregunta es difícil de responder exactamente debido a las suposiciones que debe hacer para el caso ideal. En el mundo real, no puede fluir corriente sin un campo eléctrico debido a la Ley de Ohm, donde$\mathbf{J} = \sigma \mathbf{E}$.

Puedes intentar argumentar en un conductor perfecto$\sigma \rightarrow \infty$así que no importa qué$\mathbf{E}$es, pero este es solo el tipo de movimiento de manos con el que puede salirse con la suya solo cuando está hablando de "ideales". Cuando preguntas:

¿Cómo puede haber una corriente entre los puntos a y b, cuando no hay diferencia de potencial y, por lo tanto, no hay campo eléctrico entre a y b?

Hay una sutileza en su pregunta que creo que es importante entender conceptualmente al aprender circuitos. Y, de hecho, tiene razón al cuestionarlo porque la corriente no podría fluir sin un campo, este es un requisito. Sin embargo, para simplificar el modelo, a menudo lo ignoramos y esta suposición funciona bastante bien en la mayoría de los casos; sin embargo, también puede dar lugar a graves malentendidos sobre la conductividad en situaciones más complejas.

Es importante comprender que los conductores ideales no existen y que las líneas dibujadas entre los elementos pueden tener un profundo impacto en el funcionamiento de un circuito. Hay 4 condiciones principales donde la mentalidad de un "cable ideal" quema a las personas porque ignoran los campos:

• Cuando la longitud de onda se acerca a 0,1 * tamaño del circuito o menor.
• Cuando la irrupción de corriente es muy grande
• Cuando ocurren transitorios grandes o rápidos
• Cuando el cable es significativamente largo en relación con su carga actual.

superconductores

¿Y qué pasa con esos anillos superconductores que no pierden su corriente circulante durante más de 3 años en el laboratorio y no lo harán hasta mucho después de la edad del Universo? A menudo, la gente se confunde por el hecho de que los superconductores pueden conducir corriente sin un campo eléctrico. Esto no está relacionado con la idea de un conductor ideal. En un conductor ideal basado en la ley de ohmios, un superconductor nunca podría hacer esto. Así que tenemos que buscar otro mecanismo. Este es el efecto Meissner que solo ocurre en un caso especial de superconductividad mientras el material está expuesto a un campo magnético durante la transición de superconductividad:

Cualquier conductor perfecto evitará cualquier cambio en el flujo magnético que pasa a través de su superficie debido a la inducción electromagnética ordinaria con resistencia cero. El efecto Meissner es distinto de esto: cuando un conductor ordinario se enfría para que haga la transición a un estado superconductor en presencia de un campo magnético aplicado constante, el flujo magnético se expulsa durante la transición. Este efecto no puede explicarse solo por la conductividad infinita.

La resistencia cero implicaría que si intentara magnetizar un superconductor, se generarían bucles de corriente para cancelar exactamente el campo impuesto (ley de Lenz). Pero si el material ya tenía un campo magnético constante cuando se enfrió a través de la transición superconductora, se esperaría que el campo magnético permaneciera. Si no hubiera cambios en el campo magnético aplicado, no se generaría voltaje (ley de Faraday) para generar corrientes, incluso en un conductor perfecto. Por lo tanto, la exclusión activa del campo magnético debe considerarse como un efecto distinto de la resistencia cero.

Hay una pequeña diferencia de potencial entre a y b, porque los conductores siempre tienen una resistencia distinta de cero (a temperatura ambiente).