¿La disminución de voltaje disminuye la velocidad de los electrones en un circuito en serie?

La explicación de Neil es buena, pero pensé en dar otra forma de verlo.

Tenías toda la razón al decir que la corriente es constante en todo el circuito. Digamos que tenemos una fuente de 5V y usamos cables para conectarla a una resistencia.

Creo que puede confundirse pensando que toda la energía que contiene la corriente está en su movimiento (energía cinética), mientras que casi toda es energía potencial (realmente no lo nota hasta que se conecta a una ubicación con un potencial diferente) que Por eso hay muchas referencias a la gravedad. Aquí hay otra imagen del problema:

Estás sosteniendo las canicas en la cima de una colina: tienen 5 V de energía potencial. Los dejas ir sobre este hielo -casi- perfectamente liso que tiene un gradiente muy pequeño - estos son los electrones que pasan a través del cable - pierden un poco de energía potencial. Luego llegas a una resistencia: este es un parche de hierba extremadamente áspero pero en una parte muy empinada de la colina. Las canicas mantienen su movimiento pero requiere una pérdida de mucha de su energía potencial moviéndose contra la hierba. Finalmente hay otra sección de un pequeño desnivel de hielo ligeramente rugoso del alambre al otro lado. En general, las canicas mantuvieron su movimiento en todo momento, pero a costa de diferentes energías potenciales en diferentes lugares.

En una nota diferente sobre cómo actúan realmente los electrones en los metales, que creo que puede resultarle interesante. Sin un voltaje aplicado, los electrones vuelan en ambas direcciones del cable, a aproximadamente un millón de km por hora, muy rápido pero en ambas direcciones, por lo que no hay un flujo de corriente general. Cuando se aplica un voltaje, todavía vuelan extremadamente rápido en ambas direcciones, pero ahora también hay una pequeña tendencia general de movimiento (esto se llama velocidad de deriva). Y cuando digo pequeño, me refiero a unos pocos metros por hora, ¡realmente pequeño! Es este movimiento de masa lo que describimos como el flujo de corriente.

Sin embargo, sigue haciendo este tipo de preguntas, ¡es bueno pensar!

Considere un circuito en serie como una cascada de pequeñas cascadas.

El agua llega por la parte superior con el mismo caudal que sale por la parte inferior, el caudal es equivalente a la corriente. Coloque una sección transversal en cualquier punto intermedio y seguirá teniendo el mismo volumen de agua cruzando ese plano. Podrías equiparar la velocidad promedio de los portadores de carga con la velocidad del agua, más alta a través de una tubería delgada, más lenta en un conductor ancho.

La altura del agua es equivalente al voltaje. Es la energía potencial que tiene el agua en ese punto, su capacidad para realizar trabajo. La caída total de arriba hacia abajo es igual a la suma de las gotas individuales en el camino hacia abajo. No importa si primero hay una caída grande y luego una caída pequeña, las alturas sumarán la altura total.

'Por qué' es algo más complicado de responder, solo se puede responder en el contexto de lo que crees que es obvio. Observamos que simplemente lo hace. Si persigues las explicaciones hasta el final, terminas en la mecánica cuántica, que no es obvia para nadie.

Pero cuando el componente consume la energía y crea una diferencia de potencial de 5V, la energía por unidad de carga disminuye, por lo tanto, ¿cambiará siempre la corriente en un circuito en serie después del componente?

La corriente en un circuito será constante. Lo que entra desde la fuente debe volver a la fuente.

¿O es que el cambio de tasa es demasiado insignificante y lo ignoramos?

No, no hay engaño ni trampa.

Por supuesto, la corriente en un circuito en serie es la misma en todas partes, si no, habría un 'atasco de tráfico' de electrones en el cable, lo cual es extraño. Entonces, ¿puedo saber por qué?

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Figura 1. Circuitos equivalentes.

Tal vez la Figura 1 ayude. Aquí su suministro de 5 V está alimentando una carga R1 y fluyen 50 mA. En el circuito equivalente hemos dividido la carga en cinco partes iguales. La caída de voltaje en cada parte ahora es 1/5 × 5 V = 1 V a través de 1/5 de la resistencia, por lo que la corriente sigue siendo la misma, 50 mA. Puede dividir R1 tantas veces como desee y el voltaje en cada elemento disminuirá proporcionalmente, pero la corriente permanecerá igual en todo el circuito.

Figura 2. Circuito cerrado de cadena de bicicleta. Fuente de la imagen: Estudiante de tecnología .

Puede ser útil pensar en el flujo de carga como una cadena de bicicleta. La rueda de la cadena del pedal es la fuente de energía y la rueda dentada trasera es la carga. Al pedalear, la parte superior está en tensión y la parte inferior está floja, pero ningún eslabón se consume o se pierde durante el viaje. La cadena fluye en un circuito cerrado y se une a la transmisión = eslabones que regresan de la transmisión.

Decidí darle otra oportunidad usando la fórmula de velocidad de deriva. I = nAvQ, donde n es el número de electrones/m^3, A es el área de la sección transversal del cable, v es la velocidad de deriva de los electrones, Q es la carga de un electrón. Para mantener la misma corriente en un circuito en serie cuando hay una caída de voltaje en la resistencia, uno de los valores debe aumentar ya que la velocidad de deriva disminuye. Creo que esto debería hacer que el material tenga una mayor densidad de electrones para entregar la misma corriente. Pero entonces la densidad de electrones es una constante. Corrígeme para que pueda eliminar la respuesta.

Sí, la velocidad de los electrones físicos disminuye cuando cae el voltaje, porque provoca una caída de corriente cuando la resistencia permanece sin cambios. Menos corriente (amperios), significa menos electrones (coulomb) viajando a través del cable.

Si el cable y las rutas permanecen iguales, entran y salen menos electrones del cable y los componentes del circuito. Por lo tanto, si la densidad de los electrones y el diámetro del cable permanecen sin cambios, tienen que moverse más lentamente recorriendo la misma trayectoria.

Por favor, eche un vistazo al artículo de Wikipedia sobre Drift Velocity ; El ejemplo numérico le dará algunas ideas adicionales.