Para un campo electrostático, no debe haber trabajo realizado para un bucle que es,

Entonces, los electrones deben descargar la energía que reciben al partir de la celda, antes de regresar al mismo lugar que está en el sitio de la batería.

Veamos cómo las cargas descargan la energía que obtienen del sitio fem:

Entre las colisiones, las cargas ganan cierto impulso y, por lo tanto, cierto incremento de energía cinética a medida que se desplazan en la dirección del campo.

Debido a las colisiones, se redirigen a una dirección aleatoria sin que la energía cinética se restablezca al valor inicial. Entonces, las cargas tienen que transferir energía cinética a los obstáculos con los que chocan. Dado que las cargas, al ser electrones, tienen una masa despreciable en comparación con los otros átomos neutros, comienzan a adquirir energía adicional hasta que su pérdida promedio de energía en una colisión es igual a la cantidad ganada entre las colisiones.

De esta manera, el campo eléctrico, al conducir las cargas en la dirección del campo, primero ' calienta ' las cargas que finalmente pasan al resto del medio como energía cinética aleatoria de las colisiones.

Editar: ¿Cómo se propaga la energía en un circuito de corriente constante?

(Dedicado a RedGrittyBrick)

La energía no pasa por el cable, ni es como si cada electrón llevara energía y la volcara en la resistencia.

La energía interactúa con las cargas del campo electromagnético que rodea el cable.

Feynman lo explica así:

Nos preguntamos qué sucede en un trozo de alambre de resistencia cuando lleva una corriente. Dado que el alambre tiene resistencia, hay un campo eléctrico a lo largo de él, impulsando la corriente. Debido a que hay una caída de potencial a lo largo del alambre, también hay un campo eléctrico justo afuera del alambre, paralelo a la superficie. Hay, además, un campo magnético que gira alrededor del cable debido a la corriente. El$\bf E$y$\bf B$están en ángulo recto; por lo tanto, hay un vector de Poynting dirigido radialmente hacia adentro. Hay un flujo de energía en el cable por todas partes. Es, por supuesto, igual a la energía que se pierde en el alambre en forma de calor.Entonces, nuestra teoría "loca" dice que los electrones obtienen su energía para generar calor debido a la energía que fluye hacia el cable desde el campo exterior. La intuición parecería decirnos que los electrones obtienen su energía al ser empujados a lo largo del cable, por lo que la energía debería fluir hacia abajo (o hacia arriba) a lo largo del cable. Pero la teoría dice que los electrones en realidad están siendo empujados por un campo eléctrico, que proviene de algunas cargas muy lejanas, y que los electrones obtienen su energía para generar calor de estos campos. De alguna manera, la energía fluye desde las cargas distantes hacia una amplia área del espacio y luego hacia el interior del cable.

en circuito simple con lámpara. Entiendo que la energía se gasta en calefacción e iluminación. Pero, ¿cómo sucede exactamente? ¿Cuál es la diferencia entre el electrón que tiene energía y el que no la tiene?

Parece que estás diciendo que los electrones llevan energía al filamento de la lámpara y la descargan allí antes de continuar su viaje por el circuito.

Eso puede ser un concepto erróneo.

Algunos libros enseñan que, en un circuito simple de batería/bombilla, cada electrón lleva energía a la bombilla, deposita su energía en el filamento caliente y luego regresa a la batería donde se vuelve a llenar con energía. Esto está mal.

...

la energía eléctrica se compone de ondas que viajan a lo largo de columnas de electrones dentro de los cables, y la energía misma está contenida en campos electromagnéticos conectados a esos electrones. Descubrimos que viaja como energía de onda, que existe solo fuera de los cables y, lo que es más importante, que viaja en un sentido a lo largo de ambos cables en su viaje desde la batería hasta la bombilla.

- CONCEPTOS ERRONEOS SOBRE LA "ELECTRICIDAD" EN LOS LIBROS DE TEXTO K-6", William J. Beaty

Flujo de energía, desde la batería a la izquierda hasta el filamento de la bombilla (o carga resistiva) a la derecha.

- "EN UN CIRCUITO SIMPLE, ¿DÓNDE FLUYE LA ENERGÍA?", William J. Beaty

- Electromagnetismo, Segunda edición, Kraus y Carver, McGraw-Hill

Por ejemplo en circuito simple con lámpara. Entiendo que la energía se gasta en calefacción e iluminación. Pero, ¿cómo sucede exactamente?

El proyecto MIT Teal tiene un excelente video corto que se puede usar como un diagrama animado del proceso (física clásica) dentro de una resistencia como un filamento de tungsteno.

En el video a continuación, imagine que las líneas de campo verticales se extienden desde los extremos de la resistencia ubicada muy arriba y abajo. Este campo se estableció cuando la batería cargó eléctricamente los dos cables de conexión, lo que provocó que los extremos del filamento de tungsteno se cargaran pos y neg, y produjera un campo electrónico dentro del tungsteno.

El video muestra uno de los electrones móviles del metal siendo acelerado hacia abajo. Cuando esto ocurre, el flujo de campo electrónico neto se vuelve menor, colapsando ligeramente hacia adentro. En otras palabras, el electrón toma energía del campo electrónico general y usa esta energía para acelerar. En esta situación, el flujo de campo electrónico es la energía eléctrica almacenada; energía que antes había sido enviada al filamento desde la batería. Estamos viendo disminuir la energía eléctrica y aumentar la velocidad del electrón.

Campo electrónico paralelo dentro de la resistencia, con portador de carga acelerado hacia abajo

No se muestra la colisión posterior, donde el electrón interactúa con un átomo de tungsteno de manera inelástica, se detiene parcial o totalmente y deja al átomo de tungsteno vibrando. (Bueno, en realidad interactúa con una gran parte de la red cristalina de tungsteno, y no con un solo átomo.) A continuación, imagine que esto sucede una y otra vez: el electrón acelera, golpea un átomo y se detiene, solo para ser acelerado todavía. de nuevo. Imagina muchos electrones haciendo esto.

Durante el proceso, el campo electrónico general se vuelve cada vez más débil a medida que muchos electrones se mueven hacia abajo, arrastrando el flujo con ellos a medida que avanzan. Sin embargo, la batería (al ser una fuente de voltaje constante) detectará esto como una disminución del voltaje en los dos extremos del tungsteno. En respuesta, produce una corriente en ambos cables de conexión que nuevamente aumenta el desequilibrio de carga en los extremos del filamento. Se restablece el voltaje del filamento.

Si este proceso de deposición de energía estuviera en el video, veríamos más flujo de campo electrónico proveniente de los lados, comprimiendo el flujo que ya estaba allí y restableciéndolo al valor que tenía antes de que los electrones se movieran hacia abajo. ¡Ja! ¡El proyecto Teal tiene un video apropiado! A continuación vemos un electrón solitario sentado en el filamento de tungsteno, pero sin batería conectada. Luego aplicamos el voltaje de la batería al filamento y, en una fracción de nanosegundo, el campo eléctrico proporcionado por la batería llega desde el exterior del metal, comprimiendo el patrón de flujo del electrón...

El campo electrónico adicional invade desde fuera del tungsteno

Esto demuestra que, aunque los electrones se mueven dentro del metal, la energía eléctrica que los impulsa proviene del espacio exterior al metal.

(Tenga en cuenta que estos dos videos contienen un ciclo repetitivo, donde todo se invierte. Solo queremos la parte del video donde el electrón va hacia abajo y el campo se debilita. Y, en el video 2, la parte donde entra el campo electrónico adicional. desde los lados, aumentando el flujo general. Ignore las partes al revés de ambos videos).

Podemos imaginar el flujo de corriente como el flujo de electrones a través del conductor, cuyo movimiento es direccional e inherentemente diferente del movimiento browniano de los electrones.

Ahora, casi todos los materiales, que sepamos, siempre intentan oponerse al flujo libre de estos electrones. Algunos materiales como el cobre se oponen menos, mientras que otros como el papel se oponen más.

En la bombilla eléctrica, la parte que brilla intensamente se llama filamento. Esa es en realidad la parte de la bombilla que se opone al flujo de corriente.

¿Cómo podemos pensar exactamente en esto a escala atómica?

Una buena imagen sería tratar de imaginar los electrones como bolas chocando con las moléculas del filamento. Cuanto más golpean los átomos, más pierden energía. Ahora bien, esta energía es absorbida por el átomo en el filamento, lo que provoca la excitación de sus electrones acotados.

Dado que la energía de los electrones está cuantizada, los electrones entran en un estado excitado. Ahora bien, el estado excitado del electrón no es muy estable y prefiere volver a su estado original. Entonces, pierde parte de su energía en forma de fotones que vemos como luz.