¿Cómo "sabe" la electricidad la relación de la resistencia en un divisor de voltaje?

Hagamos otro experimento mental:

Imagina que acortamos gradualmente la conexión entre las dos resistencias hasta que sea infinitesimalmente pequeña. Ahora tiene efectivamente una resistencia con el punto divisorio en algún lugar en el medio. Un extremo de esta resistencia está conectado a la tensión de alimentación, digamos 5 voltios. El otro extremo está conectado a tierra, lo que llamaremos 0 voltios porque lo usaremos como punto de referencia para nuestra medición de voltaje.

Nuevamente, imagine que movemos gradualmente el punto divisor hacia arriba, hacia el extremo de 5V o hacia abajo, hacia el extremo de 0V. ¿En qué lugar a lo largo de esta resistencia combinada esperaría que el voltaje medido cayera de 5 voltios a 0 voltios?

¿Está claro que el voltaje no tiene un cambio de paso en un punto, sino que es proporcional a la fracción de la resistencia debajo del punto divisor? La caída de voltaje es lineal a lo largo de la resistencia combinada .

Ahora imagine que restauramos gradualmente la longitud de esa conexión que estiramos en la primera visualización. E imagine que la conexión en sí no tiene resistencia: cero. (No es exactamente cero, pero está tan cerca que podemos ignorarlo). ¿Está claro que el voltaje no será diferente en ninguno de los extremos de la conexión cuando la vuelva a estirar?

El voltaje total cae linealmente sobre la resistencia total , y el punto divisor "muestra" ese voltaje en una parte específica del total.

A la corriente no le "importa" o "sabe" si está fluyendo a través de muchas resistencias individuales o una continua; el voltaje cae continuamente a lo largo de cada segmento de la ruta de resistencia. Las conexiones de "resistencia cero" simplemente no importan .

En lo que respecta a la corriente, no hay divisor, solo hay un camino que tiene una cierta resistencia (total). Digamos que tienes un 1k$\Omega$y un 2k$\Omega$resistencia en serie. Total: 3k$\Omega$, y si aplica 3V a través de él, obtiene, según la Ley de Ohm

$I = \dfrac{V}{R} = \dfrac{3V}{3k\Omega} = 1mA$

Ahora, la Ley de Ohm también se aplica a cualquier resistencia individual en la cadena. Para encontrar el voltaje a través del 1k$\Omega$resistor:

$V = I \cdot R = 1mA \cdot 1k\Omega = 1V$

Entonces, de hecho, obtienes una fracción de los 3V originales, por eso se llama divisor, cuya relación se define por la relación entre las resistencias. Pero para la corriente no hay diferencia entre una carga de 3k$\Omega$y uno compuesto por un 1k$\Omega$más 2k$\Omega$resistor.

¿Qué tiene de malo pensar en la analogía del agua? Con una bomba que empuja agua a través de un capilar, el manómetro de abajo verá la presión total en el punto X, pero aproximadamente la mitad de la presión en el punto Y. El agua no "sabe" a qué presión debe estar, simplemente encuentra menos resistencia. a medida que viaja por el capilar y la presión se reduce en proporción.

(Así es, dicho sea de paso, cómo la válvula de derivación en un sistema de calefacción central doméstico controla el caudal a través de los radiadores).

La imagen es esta: los electrones son empujados por una fuerza. La cantidad total de fuerza (voltaje de suministro) se divide entre la cantidad de resistencia en cada parte de la pista. El flujo de electrones se equilibra de manera que la suma de todos los voltajes en todos los elementos se suma al voltaje de suministro.

Explicación: la corriente es básicamente "todos los electrones en el cable moviéndose lentamente en una dirección". Imagina un montón de bolas en una manguera. Uno tiene que salir por el otro lado cuando presiona uno en su lado.

Para que se muevan, tienes que ejercer una fuerza. Esta es una fuerza eléctrica, que es cuando un campo eléctrico (un voltaje básicamente) actúa sobre cosas cargadas, los electrones en nuestro caso.

Para que se muevan más rápido, tienes que ejercer más fuerza. (o más bien, la misma fuerza más a menudo)

Cuánta fuerza se necesita en relación con la velocidad / corriente, depende de la resistencia del camino.

Todos los electrones en el camino se están moviendo. Lo que significa que todos, en la fuente de alimentación, los cables y las resistencias, todos los electrones, se mueven más o menos al unísono.

Ahora los electrones se están moviendo. Para cada parte infinitesimal del camino, hay una resistencia, que determina qué tan grande debe ser el voltaje para hacer que los electrones se muevan. Se mueven, porque hay una corriente. Están obligados a hacerlo.

Los voltajes de cada parte del camino suman el voltaje total.

Se trata de la ley de Ohm .

Un voltaje sobre las dos resistencias crea una corriente que fluye hacia ambos. Esta corriente será la misma para todas las resistencias, si están conectadas en serie, y vendrá dada por la ley de Ohm.

En cada resistencia, la corriente que fluye inducirá una caída de voltaje, nuevamente dada por la ley del Sr. O.

Puede encontrar las matemáticas en todas partes, pero primero comprenda esto y cómo funciona una resistencia. Dado que es un tema del que se abusa, preferiría sugerirle que lea wiki sobre la resistencia y la ley de Ohm . Una vez que comprenda ambos, el divisor de voltaje será mágicamente claro.

De todos modos:

¿Cómo “sabe” la electricidad la relación de la resistencia en un divisor de voltaje?

¿Cómo sabes que si saltas desde un puente, caes a cierta velocidad? Es solo por la física.

Bueno, lo primero es la vista con una resistencia. Veremos esto con una configuración de batería de automóvil y diremos que tenemos una conexión a tierra negativa y un voltaje de +12v.

En nuestro primer circuito, movemos 12 voltios a través de 12 ohmios de resistencia y movemos 1 amperio por 12 vatios a través de nuestra carga. Eso es todo lo que se puede mover allí. La diferencia relativa entre el suministro y el extremo receptor es la misma.

Podría ver esto también como un +6v caliente y -6v de tierra y el circuito actuaría exactamente igual. Aumentar su suministro (caliente) o bajar su sumidero (tierra) creará una diferencia de potencial (voltaje).

Ahora, cambiemos nuestra carga: dos resistencias de 6 ohmios cada una. Nuestra resistencia total ahora es de 12 ohmios nuevamente, por lo que seguiremos consumiendo 1 amperio. Cada carga ahora consume la mitad de eso: 6 vatios. Para consumir 6 vatios a través de una resistencia de 6 ohmios con 1 amperio de potencia, debe perder 6 voltios. Recuerde, la corriente permanece constante en un circuito donde sea que la mida. Es por eso que un fusible es efectivo en cualquier parte de un circuito en serie. Recuerde que el amperaje es básicamente flujo (galones por minuto) y la potencia derivada es una combinación de flujo y presión (voltaje). Por lo tanto, voltaje * amperaje == vatios (potencia motriz).

Así que esa es la parte eléctrica. Para usar una analogía con el agua, debe pensar en el sistema de plomería de manera un poco diferente. El "sumidero" donde fluye el agua ahora debe considerarse presurizado, por lo que proporciona algo de contrapresión. Las cargas son turbinas en la tubería. Si nuestro suministro es de 100 psi y nuestro sumidero es de 50 psi, obtendremos flujo.

La diferencia de presión entre dos puntos en la tubería que está después de la carga será insignificantemente pequeña. Todavía tendrá presión contra el mundo exterior, pero la presión relativa cuando se haga referencia a nuestro tanque de fregadero de 50 psi será muy baja. Agregar una división con muchas tuberías después de la última carga no lo cambiará.

Si colocamos una tubería antes de la primera carga y la conectamos después de la última carga, veremos 100 psi en ella... o 50 psi en relación con nuestros dos tanques. Si golpeamos en el medio de esas dos turbinas iguales a nuestro fregadero, veremos 25 psi de presión. El agua tuvo que gastar algo de energía para atravesar la primera turbina.

Siempre que tengamos suficiente presión (voltaje) para hacer girar una turbina (impulsar una carga), veremos una caída en esa turbina igual a la diferencia de presión en cada lado. Si colocamos varias turbinas allí, veremos una caída de presión que es proporcional a la cantidad de esfuerzo necesario para hacer girar la turbina.

Recuerde que tanto el voltaje como la presión se relacionan con una referencia relativa. Después de todo, 0 psi en el suelo generalmente se mide relativamente y en realidad es 14.7 psi (absoluto). Por lo tanto, simule por un segundo que su circuito de suministro tiene una tensión de +24 V a una tierra de +12 V, y posiblemente tenga más sentido porque visualizará algo de contrapresión en su cabeza y realmente se concentrará en el hecho de que la presión relativa es lo que conduce. punto.

Creamos más consumo de energía a través de nuestras turbinas al usar tuberías más grandes y turbinas más grandes con la misma presión, o podemos aumentar la presión en las tuberías actuales. Sin embargo, la caída de presión en nuestras turbinas siempre permanecerá en proporción mientras el agua pueda fluir.

Todo está en el campo eléctrico. Entonces, si tenemos un circuito con dos resistencias y conectamos una batería, aparece un campo eléctrico que va de un extremo de la batería al otro extremo a través de las dos resistencias. Esta es la parte que viaja a la velocidad de la luz (en el material). Este campo se ve afectado por el material del alambre y de la resistencia, y también por el ancho del camino, etc. Por lo tanto, la intensidad del campo en diferentes puntos está controlada por la resistencia. Los electrones en el material luego reaccionan al campo. La velocidad a la que se mueven está controlada por la fuerza del campo, y esto lo establecen los valores de las resistencias. Entonces, los electrones se mueven a la velocidad predicha porque el campo que los controla está controlado por las resistencias.

Espero que esto sea lo que estabas buscando,

También me gusta pensar en ello en una analogía con el agua, pero más fácil. Funciona así:

Piense en una tubería, donde los diámetros de las diferentes secciones son diferentes. Cuanto mayor sea el diámetro, más agua puede fluir. Las resistencias de mayor valor funcionarán como tuberías de menor diámetro, dejando que fluya menos agua.

Digamos que tienes 2 resistencias: 1k y 2k. El "tubo" de resistencia de 2k tiene aproximadamente la mitad del diámetro del "tubo" de resistencia de 1k. Si proporciona un buen escape para el agua entre ellos (es decir, la línea de voltaje dividido), pasará mucha agua, pero no toda. Parte del agua aún pasará por la "tubería" de 1k, ya que hay espacio en ella si está vacía. ¿Cuánto cuesta? aproximadamente 1/3 del agua podrá utilizar la tubería de 1k en el mismo tiempo que 2/3 se escapa por la tubería divisoria de voltaje. Entonces, en términos de potencial, tendrá aproximadamente 2/3 V pasando por el divisor. Todo depende de cuánta agua entre (debido a la primera resistencia) y cuánta agua pueda salir al suelo (debido a la segunda resistencia).

Terminará con todo el potencial en los dos extremos de todos modos, porque eso es obligatorio, pero en el medio tendrás el potencial que pudo escapar a través de esta ruta, que era mucho más tentadora que la otra ruta.

No estoy seguro de si la analogía es 100% precisa, pero este es un modelo mental... realmente no necesita ser preciso, solo expresivo :)