¿Los electrones desaceleran a través de una resistencia?

En un círculo, el voltaje cae a través de una resistencia. Esto significa que algunos electrones perdieron parte de su energía potencial electrostática. ¿Adónde va esa energía y cómo? Para que se pierda energía potencial, se debe realizar trabajo opuesto a la fuerza conservativa que genera la energía potencial. Esto implica que hay una aceleración, por lo que mi pregunta es: ¿los electrones se aceleran o se ralentizan debido a una resistencia?

Alternativamente, E = resistivity x current density, lo que significa que una mayor resistividad implica un campo eléctrico más fuerte. La diferencia en la fuerza del campo eléctrico resultante de la diferencia en las resistividades provoca una fuerza neta, lo que significa que hay una aceleración en breve, hasta que la fuerza de arrastre se iguala y se alcanza una nueva velocidad de deriva. La velocidad de deriva en una resistencia es mayor que en los cables circundantes.

Respuestas (4)

Los electrones dentro de los sólidos tienen un movimiento muy aleatorio. Siguen dando tumbos por aquí y por allá. ¿Qué sucede cuando pones una batería? El movimiento de estos electrones solo se ve ligeramente perturbado. Los electrones libres dentro del metal se mueven a grandes velocidades, una batería crea un campo eléctrico dentro del sólido que intenta empujar hacia un lado pero la aceleración provocada es muy baja. Esta es la razón por la que los electrones no se mueven como partículas uniformes, línea por línea una detrás de otra en una cola, sino que simplemente se desplazan ligeramente hacia un lado mientras siguen haciendo ese movimiento aleatorio. Esto significa que hay una gran cantidad de colisiones. La energía de los campos eléctricos No se trata de empujar por completo, pero se hace mucho para que choquen, esto genera calor y así es como se pierde energía y cae el potencial, se escapa como ENERGÍA CALORÍFICA. No podemos decir si los electrones se ralentizan o aceleran o si se mueven a velocidades aleatorias, pero definitivamente podemos decir que la velocidad a la que se mueven un poco uno al lado del otro a lo largo del sólido se vuelve menor. Esta tasa se llama VELOCIDAD DE DERIVA y se vuelve menor. Si una corriente de I amperios fluye a través de un resistor de resistencia R en voltaje V, entonces la cantidad de calor disipado o energía potencial perdida por segundo está dada por:

I 2 R = V 2 / R = V I
Para obtener más detalles, puede estudiar sobre estos en wikipedia:
->Velocidad de deriva
->Pérdida de calor en resistencias
También aquí hay un diagrama útil para entender el movimiento de los electrones $$ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces, ¿una resistencia reduce la velocidad de deriva a lo largo del circuito haciéndolo más difícil (mayor distancia para cubrir, más objetos en el camino, etc.) para que los electrones fluyan? Esta velocidad de deriva reducida luego se refleja en la corriente más pequeña
Bandoo: indirectamente sí, porque depende de la naturaleza de la resistencia, de cuánto une los electrones y el valor de la frecuencia de colisión, por lo que la reducción en la velocidad de deriva es causada por la resistencia.
Después de una discusión más detallada, parecía que la velocidad de deriva dentro de la resistencia debería ser mayor que en el exterior, porque I = eVNA y todo es constante excepto N y V cuando comparamos una sección transversal de un "cable" con una "resistencia". N es menor para un material con mayor resistividad, lo que significa que V es mayor para que I permanezca igual (conservación de la carga)
La ecuación a la que te refieres se deriva realmente de la velocidad de deriva. La relación entre V e I que describe su ecuación en realidad se deriva del concepto de velocidad de deriva. La ecuación fundamental de la que se deriva la velocidad de deriva es V= eEt/m donde t es el tiempo de relajación, es el tiempo medio entre dos colisiones sucesivas del electrón. Para la resistencia, este tiempo disminuye y, por lo tanto, su velocidad disminuye.
Este es un problema que incluso yo solía enfrentar. Debe comprender las reglas de ecuación más fundamentales, lógicas y axiomáticas. No es la corriente o la densidad del portador de carga (N) lo que gobierna la velocidad de deriva. Pero la velocidad de deriva más bien decide la corriente. La densidad de carga y la velocidad de deriva afectan la corriente, pero no se afectan entre sí porque es axiomáticamente incorrecto.
Con respecto al comentario anterior, me equivoqué. El mayor tiempo de relajación significa que hay una mayor cantidad de tiempo para que el campo eléctrico (resultante de la diferencia de potencial eléctrico de la batería) acelere el electrón, lo que significa una mayor velocidad de deriva. Ambas ecuaciones en realidad tienen la misma predicción. Borraré ese comentario porque es falso.

Hay mucho movimiento térmico aleatorio de cargas, pero en promedio su velocidad (velocidad de deriva) a través de una resistencia es constante. Alrededor de un circuito en serie dado, la corriente es constante con respecto a la posición, por lo que la velocidad promedio depende solo del producto del área de la sección transversal y la densidad de electrones libres. Dado que eso es constante a través de una resistencia, la velocidad de deriva también es constante con respecto a la posición.

Para que se pierda energía potencial, se debe realizar trabajo opuesto a la fuerza conservativa que genera la energía potencial. Esto implica que hay una aceleración

Esta es una lógica defectuosa. Supongamos que hay dos fuerzas, la fuerza conservativa del campo eléctrico F mi y fuerza resistiva no conservativa F R . Dado que, como dices, en promedio el trabajo realizado por F R es igual y opuesta a la realizada por F mi tenemos:

F R d = − F mi d
F R = − F mi
Entonces, en promedio, las fuerzas son iguales y opuestas, lo que significa que la aceleración promedio es 0.

La velocidad de deriva viene dada por:

V d = I mi norte A
por lo que es posible que la velocidad de deriva cambie alrededor de un circuito incluso con una corriente fija I , pero no se debe a cambios en la resistividad. Se debe a cambios en el área de la sección transversal. A o la densidad de portadores de carga norte . Ambos A y norte son independientes de la resistividad. Está claro que A es independiente, pero un examen de tablas de resistividad y densidad de portadores de carga muestra que norte también es independiente de la resistividad. Por ejemplo, Mercurio tiene una resistividad relativamente alta y una temperatura moderada. norte , mientras que el aluminio tiene un alto norte pero de baja resistividad.

No había considerado el caso de que las fuerzas sean opuestas e iguales. Esto es lo mismo que levantar un peso hacia arriba a una velocidad constante. Pero incluso en ese caso, el peso inicialmente estaba en reposo y luego comenzó a moverse, lo que implica una pequeña aceleración. Esa aceleración es de lo que estoy hablando; las fuerzas no se anulan instantáneamente.
@Bandoo Ese tipo de aceleración breve solo ocurre en lugares donde cambia el grosor del cable. En otros lugares la velocidad es constante con respecto a la posición
Sí, esto sucede si los electrones viajan a través de una región con diferente grosor de alambre, pero también sucede en una región con diferente resistividad, ¿no? También entiendo que la velocidad de deriva es la misma, pero la frecuencia de las colisiones con los iones de la red es diferente (si cambian los factores de resistencia). La velocidad de deriva no cambia con respecto al tiempo: los propios electrones se mueven más rápido en diferentes regiones pero cubren el mismo desplazamiento en el mismo tiempo debido a los factores que aumentan la resistencia.
@Bandoo no, no lo hace. Si el espesor es constante pero la resistividad cambia, entonces no hay aceleración promedio.
Si cambiamos el área de la sección transversal, cambiamos la velocidad de deriva de modo que I permanece igual que en I = eNVA. Pero si aumentamos la resistividad, la velocidad de deriva también debe disminuir. ¿Significa esto que el término "N" aumenta?
@Bandoo dijo "si aumentamos la resistividad, la velocidad de deriva también debe disminuir". No, esto no sigue. Si el área es constante, entonces el campo eléctrico aumenta en la misma cantidad que aumenta la resistividad. Entonces no hay cambio en la velocidad en promedio. Tanto las fuerzas de aceleración como las de retardo aumentan juntas.
Ups. Me di cuenta de que había cometido un error. Olvidé incluir la densidad de electrones libres. Es el producto del área y la densidad de electrones libres lo que importa. Actualizaré mi respuesta en breve.
Esta discusión debe terminar como entiendo el problema. Considere I=eNVA. Si I es constante, entonces V (velocidad de deriva) debe ser mayor para una resistencia ya que N es más pequeña, al contrario de lo que dije anteriormente. La mayor velocidad también está relacionada con los electrones que chocan con los iones de la red menos veces, lo que les permite pasar. más rápido. Para responder a la pregunta en la discusión, la velocidad de deriva dentro de la resistencia es MAYOR que fuera de la resistencia. Esto provoca la aceleración que estoy pidiendo en la pregunta principal. ¿Es teóricamente correcto decir que hay aceleración a través de una resistencia?
Otro razonamiento igualmente válido (desde mi punto de vista, con suerte correcto) es E = resistividad x densidad de corriente, lo que significa que una mayor resistividad implica un campo eléctrico más fuerte. La diferencia en la fuerza del campo eléctrico resultante de la diferencia en las resistividades provoca una fuerza neta, lo que significa que hay una aceleración en breve, hasta que la fuerza de arrastre se iguala y se alcanza una nueva velocidad de deriva.
De nuevo. El campo E aumentado va en conjunto con la fuerza de resistencia aumentada, por lo tanto, no hay cambio en la fuerza neta. La resistividad no produce aceleración ni desaceleración. Parece que no está interesado en aprender cómo funcionan las cosas, sino que solo quiere que las cosas funcionen de acuerdo con sus ideas preconcebidas, así que buena suerte. He terminado con este intercambio.
Justifiqué mi razonamiento usando ecuaciones y modelos científicos. No entiendo por qué dices que quiero que las cosas funcionen según mis ideas preconcebidas. Las ecuaciones indican claramente que la velocidad de deriva dentro de la resistencia es mayor que en el exterior... ese cambio en la velocidad de deriva es lo que quiero decir con aceleración. Y creo que ambos estamos de acuerdo en que los electrones se aceleran, luego se detienen, luego aceleran y así sucesivamente. Es solo que en una resistencia hay más "tiempo de relajación" y un "campo eléctrico" más fuerte que también se encuentra con una "fuerza de retardo" más fuerte. También hay una mayor "velocidad de deriva"

En estado estacionario, la corriente a lo largo de todo el circuito es la misma, debido a la conservación de la carga. En pocas palabras, tome cualquier región diminuta del circuito y, en un momento dado, en el estado estacionario, la cantidad de electrones que entran y salen de esa región debe ser la misma.

Extendiendo esto a todo el circuito, la intensidad es la misma en todas partes, por lo que para cables de la misma sección transversal, sin importar la resistividad del material, la velocidad de deriva debe permanecer igual.

Esto significa que no hay aceleración de deriva neta dentro de una resistencia. Si lo hubiera, los electrones se acumularían en su interior, porque entrarían más de los que saldrían, y se cargarían como lo haría un condensador, pero puedes comprobar que eso no sucede.

La diferencia de energía potencial a través de una resistencia se convierte macroscópicamente en calor y no se gasta en acelerar los propios electrones.

Entiendo que la diferencia de energía potencial termina en calor, sin embargo, mi pregunta es ¿cómo? Porque si la energía potencial se convirtiera en energía cinética, eso significaría esencialmente que la partícula tuvo un aumento en la velocidad (¿o en la masa?), lo que significa que hubo alguna forma de aceleración. De todos modos, el calor del que hablas se refleja a través de un cambio de temperatura, que es la energía cinética promedio. Para que para aumentar la velocidad debe.
Uno de los primeros modelos de movimiento electrónico en metales es el modelo Drude. Modela el movimiento electrónico diciendo que cada cierta cantidad de tiempo, los electrones chocan contra los iones de la red y luego son acelerados por el campo eléctrico, solo para volver a chocar un tiempo después. El tiempo entre colisiones en este modelo depende de la resistividad del material en cuestión. Estas interacciones entre los electrones y los iones de la red crean calor. Por supuesto, los modelos mecánicos cuánticos son mucho mejores para usar, pero el modelo de Drude puede ser bueno para una comprensión inicial e intuitiva del asunto en cuestión.
¿Es razonable decir que una resistencia disminuye la velocidad de deriva en todo el circuito, razón por la cual un circuito con alta resistencia tiene menos corriente dada una diferencia de potencial constante? la velocidad de deriva es igual al pequeño desplazamiento neto dividido por el tiempo entre colisiones. Si este tiempo es mayor para un material de alta resistividad, entonces tiene sentido concluir que la velocidad de deriva es menor y también significa menos colisiones contra los iones de la red, lo que significa menos energía disipada por unidad de tiempo, razón por la cual los cortocircuitos son peligrosos. .
En efecto. Podría pensar intuitivamente en las resistencias como cuellos de botella electrónicos. Limitan la corriente a lo largo del circuito y, por lo tanto, la velocidad de deriva. Lo importante es que este efecto no sólo se produce en el interior de la resistencia, sino a lo largo de todo el circuito, por conservación de la carga. Y, de hecho, cuanto más corriente, más colisiones contra los iones de la red, lo que genera más calor.
Finalmente, ¿es una conclusión válida que los electrones entren en la resistencia con algo de energía potencial? En consecuencia, chocan tantas veces dentro de la resistencia y estas colisiones, más que dentro de los cables. Estas colisiones aceleran y desaceleran constantemente los electrones. Estas colisiones transfieren la energía potencial de los electrones a la energía cinética de los iones de la red, que puede verse macroscópicamente como calor. Finalmente, los electrones abandonan la resistencia y continúan las colisiones a través del cable, aunque a una velocidad mucho más baja, lo que lleva a una caída de potencial minúscula.
Sí, esto es más o menos lo que sucede según el modelo de conducción de Drude. Las cargas son aceleradas por el campo eléctrico causado por la diferencia de potencial aplicada al material, y le dan energía a la red al chocar contra ella, calentando así el material.
De otros puntos de discusión en los comentarios, existe cierto consenso de que la velocidad de deriva es diferente dentro y fuera de una resistencia ya que el tiempo de relajación es diferente como discutimos (o porque la cantidad de portadores de carga es diferente). Esto significa que la velocidad de deriva cambia dentro y fuera de la resistencia, lo que significa que hay algo de aceleración a través de una resistencia. ¿Está de acuerdo en que esta pregunta debe cerrarse según lo que se ha dicho (Sí a la pregunta, los electrones aceleran/desaceleran dentro y fuera de la resistencia)?

La respuesta a las preguntas anteriores es que la velocidad de deriva de los electrones debe cambiar para que la corriente permanezca igual si cambian otros factores. Por ejemplo, si el cable de repente se vuelve más delgado, como un cuello de botella, entonces la A en

I = mi norte V d A
se vuelve más pequeño y por lo tanto V d debe aumentar La velocidad de deriva también es proporcional al tiempo de relajación, por lo que si eso cambia, la velocidad de deriva también debe cambiar, todo lo demás igual. En conclusión, la velocidad de deriva dentro de un circuito cambiará dependiendo de los componentes del circuito. Debido a que los electrones cambian su velocidad de deriva, es plausible concluir que existe cierta aceleración/desaceleración neta a través de los componentes del circuito, todo para mantener constante la corriente en todo el circuito, ya que la carga DEBE conservarse. Axiomáticamente, la afirmación importante es que I es constante antes y después de la resistencia.

¿Dónde está la resistencia o la resistividad en su ecuación?
Tanto la velocidad de deriva como la resistividad dependen del tiempo de relajación. Puedo hacerlo explícito si quieres.
mi = ρ j
mi = ρ norte mi v d
mi = ρ norte mi 2 mi metro τ
ρ = metro norte mi 2 τ
Para obtener la resistividad en esa ecuación, resolvería el tiempo de relajación en términos de la resistividad de arriba y luego usaría la relación V d = a τ para sustituir la velocidad de deriva
ρ y τ no son independientes. Esta ecuación no te dice lo que crees que es.
Esta ecuación establece que un menor tiempo de relajación conduce a una mayor resistividad, lo cual tiene sentido: los electrones chocan con los iones de la red con mayor frecuencia y, por lo tanto, son más lentos (menos velocidad de deriva).
v d = mi norte mi ρ
También,
I = mi A ρ
continuación También,
I = mi A ρ
Para que la corriente sea la misma, si aumentamos la resistividad manteniendo constante el área, el campo eléctrico debe aumentar en el mismo factor. Ese cambio en el campo eléctrico es la aceleración en la discusión: ese nuevo campo eléctrico da como resultado una velocidad de deriva diferente.
Solo estás lanzando fórmulas al azar sin pensar. Necesita un sitio orientado a la discusión para que pueda tener una conversación prolongada. Recomiendo los foros de física. Sus conceptos erróneos no se pueden corregir en los comentarios en un sitio de preguntas y respuestas.
@Dale, ¿puede aclarar el concepto erróneo? Simplemente estoy afirmando que la velocidad de deriva puede cambiar en un circuito. ¿Qué hay de malo con eso? Dentro de una resistencia, la velocidad de deriva tiene que ser menor, pero la corriente es la misma.
La pregunta es "¿Los electrones se aceleran o se ralentizan debido a una resistencia?" Lo que significa "¿La velocidad de deriva es una función de la resistencia o la resistividad?" La respuesta es no. Hay cosas que pueden cambiar la velocidad de deriva, específicamente el área y la densidad de los portadores de carga, pero no son la resistencia ni la resistividad. Si la velocidad de deriva cambia será porque A o N cambiaron, no porque ρ cambió. De todos modos, accedo al sitio a través de un dispositivo móvil y el chat es doloroso en un móvil. Si desea más información, vaya a los foros de física.
En una resistencia, N cambiará. Además, podría expresar la velocidad de deriva como una función de la resistividad. yo lo hice
dijo "En una resistencia, N cambiará" eso es falso. Simplemente mire las tablas de N y resistividad para ver los materiales reales. He terminado aquí. Buena suerte. Estaré encantado de ayudar en un foro de discusión.
¿Los electrones desaceleran a través de una resistencia?
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