¿Por qué la corriente en un circuito es constante si hay un campo eléctrico constante?

Es una forma analógica útil para entender el circuito resistivo, en el sentido de que la expresión eléctrica$V = RI$tiene la misma forma que la mecanica$F = kv$, en un entorno donde la fuerza de arrastre es proporcional a la velocidad.

En el caso de un conductor, es importante notar que incluso sin ningún campo aplicado, los electrones libres tienen momento en todas las direcciones y de diferentes magnitudes. Pero no hay flujo neto sin un campo E. El efecto del campo E es aumentar la fracción de electrones en una dirección y disminuir la fracción en la opuesta. La dispersión con la red limita ese flujo neto y es responsable del efecto Joule de la resistencia eléctrica.

Exactamente como dice @Claudio Saspinski. Estaba a punto de escribir una respuesta en esos mismos términos cuando vi su excelente respuesta. Piense en el metal como un "fluido" extraordinariamente denso en el que las partículas en movimiento (electrones) adquieren casi inmediatamente su velocidad límite. Cuanto más rápido quieren ir, más resistencia encuentran, en proporción a su propia velocidad.$\dot{x}=\textrm{const.}$es una solución a la ecuación,

una diferencia de potencial creada por una batería hace que los portadores de carga fluyan debido a una fuerza eléctrica, que se puede representar teniendo un campo eléctrico en todo el circuito.

Una diferencia de potencial creada por una batería solo hace que los portadores de carga fluyan si hay una carga conectada a los terminales de la batería. Si no hay carga conectada, hay una diferencia de potencial entre los terminales de la batería pero no hay flujo de portadores de carga.

Entonces, mi pregunta es esta: si los portadores de carga en un circuito están motivados por una fuerza eléctrica, ¿cómo puede la corriente ser un valor constante? Estoy asumiendo que la corriente es una medida de cuánta carga cruza un área de sección transversal perpendicular a la dirección del flujo, por tiempo; además, ¿no deberían aumentar las componentes de velocidad de los portadores de carga en la dirección del flujo, que es proporcional a la corriente, debido a la fuerza eléctrica que los motiva en esa dirección?

La fuerza del campo eléctrico hace que fluya la energía cinética de los portadores de carga, pero las colisiones entre los portadores de carga y los átomos/moléculas de resistencia eléctrica en el circuito quitan esa energía cinética y la disipan como calor. Es un proceso continuo en el que el campo eléctrico proporciona energía cinética a las cargas y las colisiones quitan la energía cinética, lo que mantiene constante la velocidad de los portadores de carga (es decir, la velocidad de deriva) y, por lo tanto, la corriente. El resultado final es que la energía potencial eléctrica dada por los portadores de carga de la batería se convierte en calor en resistencia o se almacena como energía potencial en los campos eléctricos de capacitancia o energía cinética en los campos magnéticos de inductancia.

Al pensar en esta pregunta, me llevaron a una posible explicación relacionada con la Ley de Ohm: mi libro de texto compara la resistencia con una fuerza de fricción, causada por la acumulación de colisiones sufridas por un portador de carga (que dan como resultado cambios en la velocidad contra la dirección del flujo).

Y esa es de hecho una buena analogía mecánica. Digamos que empujas una caja a velocidad constante sobre un piso con fricción una distancia d. La fuerza que aplicas es análoga a la fuerza del campo eléctrico. La caja es análoga a la carga. Y la fricción del piso es análoga a la resistencia eléctrica. La caja que se mueve a velocidad constante es análoga a la corriente constante. El trabajo que haces (Fxd) dividido por la masa m es análogo a la caída de voltaje (trabajo por unidad de carga).

Continuando, asumiría que con un voltaje dado y una resistencia dada, la corriente cambia para que los dos ejerzan fuerzas efectivas iguales en los portadores de carga; esto implica que una resistencia solo podría aplicar una cantidad específica de fuerza total (trabajo) a la vez, y por lo tanto, la carga por tiempo debe cambiarse para garantizar que el trabajo por carga sea equivalente al voltaje (este último bit me parece el más cuestionable).

Tengo un pequeño problema para seguirte. Pero debe entender que la diferencia de potencial, o voltaje, entre las terminales de una resistencia es igual al trabajo requerido, por unidad de carga, o julios/culombio, para mover la carga entre las terminales de la resistencia. Entonces, dado que la corriente en la resistencia es la carga por unidad de tiempo, culombios por segundo, moviéndose a través de cualquier punto de la resistencia, entonces la potencia disipada en la resistencia como calor es el voltaje multiplicado por la corriente, o julios/culombio x culombios/ Seg = julios/seg = vatios.

Además, cuando dijo "la diferencia de potencial, o voltaje, entre los terminales de una resistencia es igual al trabajo requerido, por unidad de carga... para mover la carga entre las terminales de la resistencia", para aclarar, si esto funciona por carga es una combinación de resistencia y corriente, y la corriente es carga por tiempo, ¿significa esto que la resistencia es trabajo por tiempo?

Primero, lo que dije es la definición de ingeniería eléctrica de diferencia de potencial o voltaje. En su ejemplo, representa el trabajo requerido por la batería, por unidad de carga, para mover la carga a través de la resistencia.

Segundo, la definición de voltaje es independiente de la corriente. Hay un voltaje entre los terminales de una batería cuando no está conectada a nada, es decir, cuando no hay corriente. Pero la relación entre la corriente y el voltaje a través de un resistor de resistencia constante está determinada por la ley de Ohm.

Tercero, la resistencia no es trabajo por unidad de tiempo. El trabajo por unidad de tiempo es la potencia disipada en la resistencia y es igual a$VI${Joules/Coul x Coul/seg = vatios).

Espero que esto ayude.

Creo que a todas las respuestas les falta el punto necesario. Una batería proporciona un campo eléctrico, pero la disposición de los electrones en la "piel" del conductor crea un campo eléctrico opuesto que cancela el campo eléctrico de la batería, lo que significa que la fuerza neta es 0 y los electrones no aceleran hacia el cátodo de la batería. Sin embargo, todavía hay un potencial eléctrico de la batería. Puede preguntar cómo es esto posible, ya que no acabo de decir que el campo eléctrico total es 0. Bueno, sí, pero el campo eléctrico es la primera derivada del voltaje, por lo que es nulo. ¡campo eléctrico significa un voltaje constante!.

En la teoría clásica, los electrones libres rebotan al azar en equilibrio térmico con los átomos de un conductor. Un campo eléctrico los acelera de modo que la trayectoria después de cada rebote se convierte en una curva. El desplazamiento promedio (resultante de esta curva) después de cada rebote determina la velocidad de "deriva" de las cargas libres. La continuidad del flujo requiere que la corriente sea la misma a lo largo de cualquier conductor individual. Si el conductor tiene una sección transversal uniforme y una densidad de carga libre, se requiere un campo eléctrico uniforme. Sin embargo, mantener un campo uniforme requiere un gradiente en la densidad de carga. Si se conecta un alambre uniforme a las terminales de una batería, habrá un exceso de electrones libres cerca de la terminal negativa y una menor densidad de electrones libres cerca de la terminal positiva.