¿Por qué la corriente permanece igual en un circuito?

Los electrones están presentes en todas partes en un circuito eléctrico. Cuando se aplica una diferencia de potencial al circuito, se establece un campo eléctrico en todo el circuito, casi con la velocidad de la luz. Los electrones en cada parte del circuito comienzan a desplazarse bajo la influencia de este campo eléctrico y una corriente comienza a fluir en el circuito inmediatamente.

Debe tener en cuenta aquí que si la diferencia de potencial que está aplicando es constante, como con una batería de CC, el campo eléctrico permanece constante y, por lo tanto, la corriente permanece constante.

Muy bien, esto se puede explicar bastante fácilmente sin demasiadas ecuaciones y solo una cosa a tener en cuenta: la carga no puede acumularse dentro de un metal .

En otras palabras, los electrones nunca se acumularán dentro de un cable. Si lo hicieran, incluso por una pequeña cantidad de tiempo, entonces se repelerían entre sí con mucha fuerza debido a la$1/r^2$dependencia de la fuerza eléctrica que los electrones ejercen entre sí, hasta que una vez más se distribuyeron de manera bastante uniforme por todo el metal.

Ahora bien, ¿qué implica esto? Si los electrones no pueden acumularse, significa que si tuviéramos que medir la tasa de electrones que fluyen a través de cualquier área de sección transversal de un cable o una resistencia en un circuito (asumo un circuito en serie aquí) , debe ser el mismo para todas las áreas transversales!

Pero, según la definición misma de corriente (la cantidad de carga que fluye a través de un área transversal de un metal por segundo) , eso significa que la corriente debe ser la misma en todas partes del circuito (en serie) . De lo contrario, los electrones se acumularían.

Ahora abordaré más directamente su confusión: la corriente a través de una bombilla.

¿Qué sucede en la bombilla?

Entonces, primero, sí, tiene razón sobre cómo funciona la bombilla incandescente. Dentro de una bombilla de vidrio, hay un filamento de tungsteno muy delgado, y cuando pasa una corriente a través de él, emite luz. Voy a explicar por qué:

El tungsteno tiene dos propiedades que lo convierten en el material perfecto para componer el filamento de una bombilla:

1. Tiene un punto de fusión extremadamente alto.
2. Es bastante conductor.

Ahora, al igual que en la forma en que el agua en una sola tubería con dos secciones de diferentes radios fluye con una velocidad más rápida a través de las secciones más delgadas de la tubería, si hacemos que el filamento de tungsteno sea súper delgado, los electrones deberán "fluir" ( deriva) más rápido a través del filamento que es más delgado que el resto del circuito para que no se acumule carga en ninguna parte del circuito. ¡Cuanto más delgado lo hagamos, mayor será la velocidad que tendrán los electrones al atravesarlo!

Desviarse, pero es por eso que hay una mayor caída de voltaje a través de resistencias más delgadas. Para que los electrones no se acumulen dentro del circuito, deben fluir más rápido a través de las partes delgadas, y para que fluyan (derivan) más rápido a través de las partes más delgadas, debe haber un campo eléctrico mayor que los empuje a través de las resistencias delgadas. . ¡Un mayor campo eléctrico significa una mayor caída de voltaje!

Ahora, dado que los electrones se mueven súper rápido a través del delgado filamento de tungsteno, también chocan con mayor frecuencia contra los átomos del filamento de tungsteno en comparación con los átomos de otras partes del circuito. Esto hace que los átomos de tungsteno comiencen a vibrar muy rápidamente, lo que calienta el filamento de tungsteno a temperaturas extremadamente altas (por eso era importante asegurarse de usar tungsteno u otro metal con un alto punto de fusión) .

¡¡Aaaay, cuando el tungsteno se calienta a una temperatura lo suficientemente alta, sus átomos comienzan a emitir luz!! (Aaaay podría profundizar más en por qué sucede esto si quieres, pero creo que está fuera del alcance de esta pregunta...)

¡Espero que haya ayudado!

El cartel original explicaba sin ambigüedades que la pregunta es sobre la dependencia espacial , no temporal, es decir, un caso parcial de la ley actual de Kirchhoff estaba interesado.

Los electrones diminutos no son elementos que proporcionen un alto nivel de integridad a los circuitos eléctricos; son sólo portadores de carga . Es una buena metáfora: cuando envías un correo, no te importan los transportistas y su velocidad; usted se preocupa por la integridad del correo y los términos de entrega. Para obtener una explicación de cómo se garantiza esta integridad a lo largo de un circuito sin ramificación, lea ¿Por qué la resistencia no es proporcional a la distancia al cuadrado?

Analiza la ley de corriente de Kirchoff .

Es simplemente conservación de carga. Si entra una corriente de 2 C/s, entonces deben salir 2 C/s. Porque la carga no se acumula en ningún lado. El flujo de entrada debe ser igual al flujo de salida en cada punto de un circuito estable. Matemáticamente:

• Cuando en un circuito en serie solo tiene un camino, entonces toda la corriente tiene que salir por este camino. Entonces, la corriente que ingresa al siguiente punto en el camino sigue siendo la corriente original. Por todo el circuito, la corriente es por lo tanto la misma en cualquier punto.
• En un circuito paralelo, una ruta puede dividirse en dos, por lo que la corriente entrante puede dividirse y cada ruta puede tomar porciones más pequeñas; en total, la suma debe ser cero en cualquier punto, por lo que ahora la corriente a lo largo de cada ruta no es necesariamente la misma. Así es como se puede controlar el flujo de corriente.

La corriente fluye en los cables de un circuito, transportada por el movimiento de electrones. En un momento determinado, si mide la corriente en dos lugares diferentes del mismo cable, obtendrá la misma lectura. Esta es la ley de corriente de Kirchhoff en acción: toda la corriente que entra en un punto de un circuito debe salir de ese punto. Cualquier punto en su cable puede verse como un 'nodo' con dos rutas de corriente saliendo de él.

Una forma de ver esto es pensar en el flujo de corriente a través de un cable similar al agua que fluye en una tubería. (De hecho, detesto esta analogía, pero es bastante simple). Si mide el flujo en dos puntos diferentes en la misma tubería, las lecturas serán las mismas, siempre que observe el volumen de agua que pasa por unidad de tiempo, en las unidades que quieras, metros cúbicos por segundo, por ejemplo. A menos que haya una fuga, el agua tiene que pasar por la tubería. Lo mismo ocurre con los electrones: a menos que haya una falla o un cortocircuito, los electrones tienen que atravesar el cable.

Se sugiere tanto en la conservación de la energía como en la ley de Kirchhoff que ambas establecen que cualquier forma de energía, incluida la corriente, no puede crearse ni destruirse. Si este es el caso, entonces la corriente debe permanecer igual, porque si aumenta, los electrones se acumularán, y si disminuye, habrá grandes espacios entre los diferentes electrones, lo que hará que el circuito se ralentice y eventualmente el circuito termine.

Esto se demuestra en la ecuación científica.$\sum I_{IN} = \sum I_{OUT}$.

Esto se debe simplemente a la conservación de la carga.