¿Cómo "sabe" una resistencia que debe aumentar la diferencia de potencial entre sus extremos?

Mi libro dice que la corriente debe ser constante a lo largo de un circuito eléctrico en serie simple que consta de cables, una celda y algunas resistencias, y por lo tanto, las resistencias tienen una mayor diferencia de potencial entre ellas que el resto del cable con menor resistencia.

¿Cómo "sabe" el circuito que tiene que mantener una corriente constante? ¿Cómo sabe que tiene que aumentar la diferencia de potencial a través de él? Sé que la diferencia de potencial en un circuito es la energía disipada en la resistencia, y a mayor resistencia, mayor es la diferencia de potencial debida a la Ley de Ohm. Pero, ¿por qué la corriente no solo fluye a través de la resistencia, experimenta la misma diferencia de potencial que otros dos puntos en el circuito con menor resistencia, lo que significa que tendrá menos corriente fluyendo a través de él?

@JunSeo-Creo que una celda es una fuente de voltaje. Estoy hablando de un simple circuito eléctrico en serie.
@JunSeo-No entendiste bien, estoy preguntando cómo sabe la resistencia que tiene que tener un voltaje más alto entre sus extremos que el cable al que está conectado, el cual (el cable) tiene un voltaje más bajo debido a una menor resistencia. Vuelva a leer mi pregunta correctamente, sé que la corriente cae en el circuito total debido a resistencias equivalentes y otras cosas.
¿Cómo "sabe" una vela que debe incendiarse cuando le acercas una cerilla? ¿Cómo "sabe" un huevo que también se cocina cuando lo pones en una sartén caliente? ¿Cómo "sabe" una roca que debe caer al suelo cuando la sueltas? Ninguna de estas cosas es el resultado de una decisión consciente.
¿Cómo sabe una cascada que debe bajar el agua?
¿Cómo "sabe" su grifo que está vertiendo el mismo volumen de agua que entra desde el suministro?
Una resistencia no "sabe" nada sobre el voltaje, es decir, la energía eléctrica. La resistencia R es una propiedad física de los elementos y los compuestos minerales y la ley de Ohm es muy engañosa a este respecto, por ejemplo, 1 E=IXR si asume que I es constante como R-> infinito V tiene que acercarse al infinito 2 I=E/R pero eq 2 estados a medida que R se acerca al infinito I va a cero, por lo que no se puede suponer que I es constante. No es necesario que sepa nada sobre la Ley de Maxwell (que son ecuaciones diferenciales acopladas de física de nivel universitario) para comprender la LEY de Ohm = álgebra simple de la escuela secundaria.

Respuestas (5)

(a) "¿Cómo "sabe" el circuito que tiene que mantener una corriente constante?"

Si la corriente (tasa de flujo de carga) no fuera la misma en todo el circuito, entonces la carga eléctrica se acumularía en algún punto o puntos. Esto no podía seguir ocurriendo por mucho tiempo porque la carga acumulada (negativa, digamos) evitaría (por repulsión) que más carga se uniera a la pila. En muy poco tiempo después de completar el circuito, la corriente será la misma en todo el circuito, por lo que la carga que entra en un segmento de conductor por segundo será la misma que la carga que sale.

Esta corriente de estado estable estará determinada por la pd proporcionada por la fuente de alimentación y la resistencia del circuito. [Pareces estar feliz con esto.]

(b) "¿Cómo sabe [el circuito] que tiene que aumentar la diferencia de potencial a través de [un componente con mayor resistencia]?

En mi opinión, esta es una pregunta bastante profunda, si no quiere simplemente que le digan que V = I R . Yo creo que la respuesta es así... Cuando hablé en (a) de amontonamiento de carga, no dije que los amontonamientos desaparecieran, solo que se autolimitaban. Creo que las cargas (superficiales) en el conductor son responsables de las diferentes pd en los diferentes componentes. Pero estamos en un territorio en el que pocos se aventuran, y menos aún los escritores de libros de texto.

A pesar de la redacción antropomórfica, creo que las preguntas del tipo "¿Cómo sabe el objeto X qué hacer?" puede ser estimulante. Otro de mis favoritos es "¿Cómo sabe un peso que cuelga de un punto de una regla balanceada sobre un fulcro qué tan lejos está el otro peso?"
En mi opinión, si aceptamos que los objetos inanimados pueden hacer cómputos y cálculos (si estás leyendo esto, lo más probable es que ya lo estés aceptando), no creo que el salto esté lejos de aceptar que pueden "saber" cómo hacerlo. hacer las cosas "bien". "Quiero" (como en, digamos, los sistemas dinámicos quieren estar en el estado de energía más bajo) es peor, pero todavía no tengo grandes problemas con eso. Siempre que se entienda (implícita o explícitamente) que se trata de un antropomorfismo.
@PhilipWood Estoy de acuerdo con tu comentario. Sin embargo, uno puede perder la cabeza si pregunta cómo el agua encuentra el punto más bajo. La tendencia del universo de asegurarse de que todo lo que contiene odia la energía y desea que se minimice es una lección que debe interiorizarse. Al final, es la flecha del tiempo y la entropía.
Algo así como la forma en que el agua en un recipiente "sabe" que tiene el mismo nivel en todos los lugares. Es simplemente la configuración más estable.
@StianYttervik Sí, no es tanto que el universo odie la energía. Es que la entropía tiende a aumentar y hay más formas de distribuir la energía en el ambiente (un gran reservorio) que en nuestro jarrito de agua. Entonces, al menos a baja temperatura (para kT << energía de las ondulaciones del agua), nuestro sistema vuelca cualquier energía disponible en el depósito.
@WaterMolecule Son las cosas en el universo las que odian la energía. Me gusta esta simplificación, funciona en casi todas las situaciones. ¿Cómo evolucionará el futuro? las cosas intentarán minimizar su energía, si pueden. Ya sea eléctrica, gravitatoria, cinética o química. Que el atributo termodinámico correspondiente se llame entropía es solo nomenclatura.
@StianYttervik "las cosas intentarán minimizar su energía, si pueden" y ¿así nació la mecánica hamiltoniana?
@StianYttervik La entropía no es lo mismo que la energía. Masa-Energía es una cantidad conservada, como un montón de otras cantidades; mientras tanto, Entropy parece ser información teórica y no se conserva. La flecha del tiempo parece ser entrópica casi entera; esta flecha entrópica hace que la energía se "esparza" progresivamente a menudo (como el calor). Las ecuaciones de energía en física son simétricas en el tiempo; Las ecuaciones de entropía no lo son. Así que no entiendo tus afirmaciones. Es plausible que entiendas la física mejor que yo, ¿qué estás tratando de decir?
La redacción "entonces la carga eléctrica se acumularía en algún punto o puntos" es agradable, pero el escritor escribe sobre la carga eléctrica, que la gente no puede ver y, por lo tanto, es difícil de comprender. Imagine un canal de agua largo, para este ejemplo uno circular, donde el agua va debido a la bomba (fuente), en segmentos igualmente anchos, la velocidad del agua es la misma. Canal más ancho, corriente más lenta, canal más estrecho, corriente más rápida. ¿Cómo la cascada (segmento vertical del canal) "sabe" para proporcionar una diferencia de potencial? Es una cascada, está en su naturaleza proporcionar una diferencia mayor que el segmento/canal horizontal.
@Barmar, PhilipWood, para sistemas mecánicos, la forma en que el sistema "sabe" dónde alcanzar el equilibrio es simplemente que en cualquier posición de no equilibrio hay una fuerza neta (y/o momento neto), que empuja el sistema hacia el equilibrio (y cómo precisamente lo que sucede es la dinámica). Como tú sabes.

Creo que tienes la pregunta del título al revés y estás ignorando la definición de resistencia. Examinemos primero la resistencia.

La resistencia de un resistor simple es una relación entre la absorción de energía por carga y la tasa de flujo de carga, es decir, la diferencia de potencial/corriente. Pero sabes que. La diferencia conceptual, sin embargo, es que la resistencia no "sabe" nada. Absorbe energía, y cuanto más rápido empujas la carga a través de él, más energía por carga consume. Además, las resistencias no pueden consumir más energía de la que la celda fuente pone en el campo.

Ahora, la pregunta que haces después es mejor, pero el circuito tampoco "sabe". Es simplemente una cuestión de cómo funciona el universo físico. Las corrientes iguales a través de cada resistencia en serie se deben a la conservación de la carga , debido a la invariancia de calibre del campo electromagnético que impulsa el circuito. Básicamente, la ecuación de continuidad de carga,

∂ ρ ∂ t + ∇ ⋅ j → = 0 ,
nos dice que si no hay acumulación de carga (un cambio en el tiempo de la densidad de carga, ρ ) la derivada espacial de la densidad de corriente debe ser 0. Dado que las resistencias no almacenan carga, la corriente a través de las resistencias en serie debe ser la misma. Puede desarrollar la ecuación de continuidad a partir de las ecuaciones de Maxwell.

Cuando cambia el voltaje sobre un circuito, el cambio se propagará a través del circuito. Durante muy poco tiempo, los voltajes y las corrientes fluctuarán, y la corriente puede incluso diferir a lo largo de un conductor. Pero rápidamente los voltajes y corrientes encontrarán un equilibrio de acuerdo a los diferentes parámetros del circuito (como resistencias y voltajes de las fuentes de energía). En eso se cumplen las leyes de la electricidad (leyes de Kirchhoff y de Ohm).

Te refieres a los efectos de la línea de transmisión. Cosas como reflejos, oscilaciones, timbres y picos de voltaje que ocurren cada vez que hay cambios/transitorios en el circuito. Esto incluye cosas como conectar la alimentación a un circuito de estado estable de CC.

Estas señales de estado inestable que rebotan de un lado a otro entre los componentes del circuito son efectivamente diferentes partes del circuito que se comunican entre sí para alcanzar un equilibrio.

¿Cómo "sabe" el circuito que tiene que mantener una corriente constante?

Cuando los libros de texto de física hablan sobre cómo funciona la electricidad, generalmente se refieren a cómo funciona la electricidad en estado estacionario, aunque a menudo no establecen explícitamente esa suposición. Todos los componentes electrónicos del mundo real tienen cierta capacitancia, por lo que cuando cambia el voltaje habrá diferencias en la corriente, pero esas diferencias durarán milisegundos. Una vez que se alcanza el equilibrio, la corriente será la misma en todo el circuito porque, de lo contrario, se acumularía carga.

Recuerde que la corriente que sale de un bit del circuito es la corriente que entra en el siguiente bit. Si sale menos corriente de la resistencia, entonces la parte del circuito después de la resistencia tendrá que tener menos corriente (a menos que previamente haya acumulado una carga que se esté descargando). Una analogía para la electricidad es el agua. La cantidad de agua que fluye a través de una sección de tuberías tiene que ser igual al flujo a través de la siguiente. No puedes hacer que el agua aparezca de la nada.

¿Cómo sabe que tiene que aumentar la diferencia de potencial a través de él? [...] y a mayor resistencia, mayor es la diferencia de potencial debida a la Ley de Ohm

Puedes escribir la ley de Ohm como V = I R , pero eso es algo engañoso, ya que el voltaje no es causado por la resistencia o la corriente. La corriente es causada por el voltaje, y la resistencia determina cuánto. Lo estás expresando como si más resistencia causara más voltaje. Ese no es el caso. La resistencia no aumenta la diferencia de potencial a través de ella, sino que reacciona a la diferencia de potencial que crea el EMF. Escribiendo la ley de Ohm como I = V / R es en muchos sentidos una forma menos engañosa, ya que representa mejor la dirección causal. Por ejemplo, en un circuito impulsado por una batería, la batería proporciona una diferencia de voltaje. Eso hace que haya una diferencia de voltaje en la resistencia, y cuanto mayor sea la resistencia, menos corriente fluye. No se puede reducir el voltaje reduciendo la corriente.

¿Cómo "sabe" una resistencia que debe aumentar la diferencia de potencial entre sus extremos?
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