Si, digamos, entran 3 cargas cada segundo, entonces también deben salir 3 cargas cada segundo para una corriente de estado estable.

• Si salen más personas de las que ingresan cada segundo, ¿de dónde provendrían los cargos de salida adicionales? Esto no es posible.
• Si salen menos de los que entran cada segundo, entonces algunas cargas se quedan atrás dentro del conductor. Con el tiempo, la carga neta en el conductor se acumula, aumenta y aumenta. Esto no es imposible, pero...

Recuerda que las cargas iguales se repelen. Una carga neta negativa cada vez mayor dentro del cable repelerá cada vez con más fuerza las nuevas cargas negativas entrantes (electrones, por ejemplo). Pronto, la carga neta es lo suficientemente grande y con una repulsión lo suficientemente grande como para equilibrar el voltaje de la batería. Entonces no entrarán más cargos y la corriente se detendrá por completo. Dado que esto no sucede en los cables en condiciones de estado estable en los circuitos de trabajo, ya que vemos claramente que la corriente no deja de fluir, entonces todas las cargas que ingresan también deben estar saliendo cada segundo. Esta es una parte de la ley actual de Kirchhoff .

Sin embargo, tiene razón en que las cargas pueden perder energía cinética en forma de calor mientras fluyen. Como resultado, de hecho disminuirán la velocidad.

• Los próximos cargos tendrán que "esperar". Se "pondrán en cola" detrás de las cargas ralentizadas. En una fracción de segundo, todas las cargas siguientes se habrán reducido a la misma velocidad (deriva).

• Delante de las cargas ralentizadas, podríamos imaginar que las cargas delanteras continúan adelante a mayor velocidad. Se formaría una brecha detrás de ellos y frente a las cargas ralentizadas. Pero estos cargos de salida ahora no "sienten" el mismo "empujón" desde atrás. Entonces, ¿qué los mantiene fluyendo a alta velocidad (deriva)? Cualquier perturbación que los ralentice los llevará a la misma velocidad más lenta que han alcanzado las cargas ralentizadas. Además, la "brecha" detrás de ellos será un punto de carga menos negativa, por lo tanto, un lugar al que se sentirán atraídos . Tal atracción desde atrás también los ralentizará. Por lo tanto, muchos factores eventualmente harán que cualquier carga líder que se mueva más rápido disminuya la velocidad y también iguale la velocidad.

Todo esto sucede en una fracción de segundo. Casi instantáneamente en la mayoría de los propósitos prácticos. En una fracción de segundo, todas las cargas se mueven a la misma velocidad. La corriente en todas las partes de un conductor es entonces la misma. Si apaga la corriente, agrega un componente de resistencia y enciende la corriente nuevamente, luego, en una fracción de segundo, la corriente se estabilizará por el mismo razonamiento en una nueva corriente de estado estable más baja que coincida con esta nueva resistencia. Así, cuando se haya alcanzado el estado estacionario (lo que sucede en una fracción de segundo en conductores regulares y solo se retrasa cuando intervienen ciertos componentes especialmente diseñados para ello, como los capacitores) siempre verás la misma corriente en todos los puntos.

Creo que su pregunta es sobre cómo una corriente puede permanecer constante después de pasar por un conductor. La analogía del agua presentada por Roger Vadim me recuerda otra explicación. Un niño le pregunta a HC Verma , un renombrado físico indio, ¿ Por qué la corriente no disminuye al pasar por una resistencia ?

La explicación de HC Verma es, en cierto sentido, un método de "Prueba por contradicción". Así que supongamos 2 cosas primero. En primer lugar, supongamos que el flujo de electrones en un conductor es análogo al flujo físico de agua en una tubería. En otras palabras,$I=\frac{q}{t}$es análogo al flujo de agua$f=\frac{V}{t}$dónde$q$es la carga que fluye a través de una sección transversal y$V$es el volumen de agua que fluye a través de una sección transversal. Suponga también que el agua es incompresible.

En segundo lugar. supongamos que la corriente de hecho disminuye cuando pasa a través de una resistencia. Esta va a ser la suposición que vamos a contradecir.

Decir que una corriente disminuye después de pasar debido a la resistencia es como decir que el flujo de agua que pasa por una tubería disminuye debido a la fricción. Aquí, la resistencia y la fricción juegan el papel de oponerse al flujo de electrones y agua respectivamente. Pero esto genera un dilema. Si el flujo inicial es mayor que el flujo final, esto implica que el volumen de agua que ingresa a la tubería por segundo es mayor que el volumen de agua que sale de la tubería por segundo. ¿Dónde está desapareciendo el agua? ¿Se está atascando en algún lugar de la tubería? Bueno, si ese es el caso y si se acumularan trozos de agua dentro de la tubería, entonces la tubería explotaría... lo que no sucede en escenarios prácticos.

Lo que esto nos dice es que el volumen de agua que ingresa a la tubería por segundo debe ser igual al volumen de agua que sale de la tubería por segundo. Análogamente, la cantidad de carga que ingresa a la resistencia por segundo debe ser igual a la carga que sale de la resistencia por segundo. En otras palabras, la corriente inicial y la corriente final son ambas equivalentes.

Este razonamiento surge de la conservación de la carga que a menudo se expresa mediante la fórmula de continuidad dada por Roger Vadim. Los fluidos incompresibles, como el que usamos en nuestra analogía, también tienen una fórmula de continuidad dada por$A*v=m=$constante, donde$A$es el área,$v$es la velocidad y$m$es la masa, que en última instancia es la cantidad física conservada.

Tenga en cuenta que en el video, HC Verma habló sobre el flujo de agua en términos de velocidad, argumentando que permanece constante. Pero esto no es estrictamente cierto ya que depende del área de la sección transversal, como se muestra en la ecuación de continuidad. Menos área significa más velocidad. Puedes imaginarte esto fácilmente. Asimismo, la velocidad de los electrones (es decir, la velocidad de deriva) también es inversamente proporcional al área del conductor. Pero esa es una fórmula diferente que encontrarás más adelante.

Creo que su pregunta parece implicar que cree que las cargas en un extremo del cable se "disparan" a través del cable con algo de energía cinética inicial y la resistencia lo ralentiza.

El campo eléctrico dentro de un cable es constante, por lo que en cada punto del cable las cargas experimentan una fuerza Eq

las fuerzas resistivas dentro del alambre son proporcionales a la velocidad de la carga, normalmente en presencia de un campo eléctrico, las cargas quieren ACELERAR

Cuando la fuerza eléctrica es igual a la fuerza resistiva, las cargas se mueven a una velocidad constante. es la "velocidad terminal" de las cargas en el cable lo que hace constante la densidad de corriente en un punto.

si el campo E es constante en todo el cable, entonces podemos decir que la corriente en todas partes es constante

Busque el modelo druso de conductividad.

La ecuación de movimiento de un electrón:

$ma = Eq -(m/T) v$

inicialmente, el electrón en presencia de un campo eléctrico SE está acelerando y, por lo tanto, hay una densidad de corriente cambiante en un punto inicialmente. Sin embargo, muy rápidamente, las fuerzas resistivas igualan la fuerza eléctrica aplicada, de modo que "a" = 0

Significado$Eq-m/T v =0$

$v= (qT/m) E$

por definición J =$\rho v$o$J= nq v$donde n es alguna densidad numérica. Conectando de nuevo a nuestra ecuación

lo que significa que la densidad de corriente J en estado estacionario es proporcional al campo eléctrico en un punto. entonces, para un campo eléctrico constante, J en todas partes alcanzará algún valor constante

La conservación de la carga (a menudo expresada por la ecuación de continuidad,$\partial_t\rho + \nabla\cdot\mathbf{j}=0$significa que la diferencia entre la carga que ingresa al conductor y la carga que sale, se acumula como carga dentro de este conductor. Entonces, en su escenario, la carga del conductor debería crecer hasta el infinito.

Lo que es engañoso aquí es asociar la corriente con la velocidad instantánea del electrón/carga, en lugar de su velocidad promedio y la cantidad de carga. Los electrones se dispersan todo el tiempo contra las impurezas o fonones en el conductor, por lo que su velocidad cambia todo el tiempo, pero en promedio, la cantidad de electrones que pasan a través de cualquier sección transversal por período de tiempo es la misma (a menos que tengamos acumulación de carga mencionada al principio).

Una analogía buena y obvia aquí es un flujo de agua. Imagine una cascada: el agua de la cascada fluye mucho más rápido que el agua del río antes de llegar a la cascada o después de la cascada. Sin embargo, la cantidad de agua que entra y sale de la cascada sigue siendo la misma: en algunas partes acelera, en otras desacelera, pero la velocidad promedio se mantiene igual.

Los electrones no son bolas de billar. No son partículas aisladas que rebotan en el alambre. Interactúan entre sí a través de fuerzas electrostáticas. Si pones dos electrones en un área, se repelen entre sí.

Si empuja electrones hacia un conductor (desde una batería) sin dejarlos salir, las fuerzas electrostáticas empujarán los electrones para separarlos. Esto significa que tendrá que poner más y más potencial en el circuito (batería más fuerte) para introducir más electrones. Esta fuerza electrostática se acumulará hasta que impida que su batería ponga más electrones. Una vez que se le haya dado un camino a un potencial más bajo ( como el otro terminal de la batería), fluirán de esa manera naturalmente porque se aplica menos fuerza electrostática en este lado.

La analogía típica para esto es el agua que fluye a través de una manguera. El agua es incompresible y las mangueras son bastante rígidas. Si trata de meter más agua mientras evita que el agua se vaya, las fuerzas que lo empujan crecen rápidamente hasta niveles insuperables.

Ahora hay un caso transitorio, justo cuando conectas la batería donde este modelo se descompone. Justo cuando conectas la batería, los electrones fluyen hacia el circuito más de lo que salen. Sin embargo, esto es increíblemente corto. Los electrones pueden tardar picosegundos (billonésimas de segundo) en moverse y llegar a un equilibrio estable en el que las fuerzas electrostáticas están equilibradas.

¿Por qué no sucede eso en su conductor? Estás aprendiendo sobre los conductores ideales . Están simplificados para que sean más fáciles de aprender. Si está modelando estos efectos ultrarrápidos, incluirá otras propiedades como la capacitancia y la inductancia para hacer un conductor que actúe como un conductor real. Si está desarrollando equipos modernos de redes de alta velocidad, estas cosas le interesan. Pero por ahora, no te preocupes por ellos. Solo sepa que el modelo ideal sobre el que está aprendiendo notienen sus límites y se centran en cómo se comportan los sistemas una vez que están en "estado estable", donde las fuerzas electrostáticas están en equilibrio y los electrones que fluyen hacia un conductor son iguales en número a los electrones que fluyen hacia afuera. Más tarde, después de que aprenda sobre capacitores e inductores, puede revisar estos conductores no ideales.

Collar de cuentas

Esta idea de que las cargas entran en una resistencia moviéndose más rápido que las cargas que salen tiene sentido si el grupo de cargas entrantes y salientes no están directamente conectados... como un río que fluye hacia un canal angosto, que luego desemboca en el océano. Esto sería como la carga de una nube que viaja a través del aire hacia el suelo en un relámpago.

Sin embargo, un circuito electrónico no es como ninguna de esas cosas. La fuente y el sumidero están conectados , y esto es lo que lo cambia todo. En lugar de imaginar los electrones como objetos independientes, debe pensar en ellos como cuentas en un collar que se mueven todos juntos. No puedes mover una cuenta sin mover todas las cuentas.

Ahora, el voltaje es como la fuerza que empuja las cuentas en movimiento alrededor del collar. La corriente es como la velocidad a la que se mueven las cuentas a lo largo del collar. La resistencia sería como poner la mano sobre las cuentas para ralentizarlas. En este punto, debería ser intuitivamente claro lo que está sucediendo: no solo ralentizas las cuentas que vienen detrás de tu mano. De hecho, ralentizas todas las cuentas, porque están conectadas . El acto de reducir la velocidad de una cuenta provoca una reacción en cadena que continúa alrededor del circuito hasta el comienzo de su mano.

Debido a que pensamos de forma lineal, tendemos a analizar los sistemas de forma reduccionista, observando cada componente de forma aislada. Una de las partes más difíciles de comprender los circuitos electrónicos es que todo sucede a la vez . Algo que ocurre en una parte del circuito afecta lo que ocurre en el otro lado debido a la forma en que los efectos viajan a través de la corriente. Pero si recuerda que todos están conectados como cuentas en un collar, eso debería aclarar al menos algunos de los conceptos erróneos.

Aplicar frenos

Para decirlo de otra manera, esta pregunta es un poco como preguntar: "Cuando aplicas un freno a una rueda, ¿por qué la parte de la rueda después del freno no se ralentiza a una velocidad menor que la parte anterior al freno?" Técnicamente, lo hace, a nivel microscópico, pero solo debido a la velocidad del sonido en el material de la rueda.

Está olvidando que hay una fuerza impulsora detrás de la corriente: en un estado estable, la fuerza que causa el movimiento de (por ejemplo) los electrones debe ser la misma que la fuerza que resiste su movimiento. Esta fuerza está relacionada con la carga. Si un electrón individual se ralentizara, se acercaría a otras cargas similares, aumentando la fuerza que los repele entre sí (mientras que adelante, la carga ahora es más positiva, atrayendo al electrón). El electrón no puede reducir la velocidad, porque hay más electrones empujando desde atrás y más "agujeros" tirando desde adelante.

Si desea una imagen que quizás sea más fácil de captar, considere una flecha disparada desde un arco. Se necesita mucha energía para que la flecha se mueva rápido, porque la flecha tiene una masa significativa. ¿Por qué la punta de la flecha no sale disparada a una velocidad increíble mientras deja atrás el eje? Porque están conectados. Es muy parecido a los electrones en un cable.

Por el contrario, considere hacer una línea de bolas de billar perfectamente alineadas. Golpear la primera (en el ángulo correcto) hará que la última bola en la fila se lance con la misma energía que le diste a la primera bola; no hará que todas las bolas se lancen a una velocidad correspondientemente más baja.

Si la corriente funcionara de la misma manera, su imagen sería correcta: la corriente sería la más alta cerca de la batería y disminuiría con la distancia. Pero no es así, porque las bolas están conectadas: o todas se mueven o ninguna (en el estado estacionario). La corriente será menor debido a la resistencia, pero tendrá el mismo valor en todas las partes del circuito conectadas en serie.

Imagine un largo tramo de carretera, con un límite de velocidad que cambia de 80 a 60 en el medio. 5 carros por segundo entran a 80. ¿Cuántos carros por segundo salen a 60? Todavía 5. Simplemente están más juntos.

En realidad, esa no es la situación con los electrones en el conductor: en realidad están más juntos en la entrada, pero muestra que las diferencias de velocidad entre la entrada y la salida no tienen nada que ver con ninguna diferencia en la corriente.

Cualquier diferencia en la corriente entre la entrada y la salida sería la velocidad a la que se acumulan los electrones en el interior, pero la fuerza electrostática es tan increíblemente fuerte que la cantidad de electrones en el conductor es efectivamente constante y siempre casi igual a la cantidad de protones.

Tal vez esto ayude. Después de todas las matemáticas, todo se reduce a un aumento de compensación en la energía que compensa la energía perdida por la resistencia, por lo que el resultado neto no es un cambio en el otro extremo. Creo que eso es lo que estabas preguntando.

Una celda tiene dos terminales: una terminal negativa y otra positiva. El terminal negativo tiene un exceso de electrones mientras que el terminal positivo tiene una deficiencia de electrones. Tomemos el terminal positivo como A y el potencial eléctrico en A viene dado por V(A). De manera similar, la terminal negativa es B y el potencial eléctrico en B viene dado por V(B). La corriente eléctrica fluye de A a B y, por lo tanto, V(A) > V(B).

La diferencia de potencial entre A y B está dada por

V = V(A) – V(B) > 0

Matemáticamente, la corriente eléctrica se define como la tasa de flujo de carga a través de la sección transversal de un conductor.

Por lo tanto, viene dado por I = ∆Q/ ∆t donde I es la corriente eléctrica y ∆Q es la cantidad de carga eléctrica que fluye a través de un punto en el tiempo ∆t.

La energía potencial de la carga Q en A es QV(A) y en B es QV(B). Entonces el cambio en la energía potencial está dado por

∆Upot = Energía potencial final – Energía potencial inicial

= ∆Q [(V (B) – V (A)] = –∆QV

= –IV∆t (Ya que I = ∆Q/ ∆t)

Si tenemos en cuenta la energía cinética del sistema, también cambiaría si las cargas dentro del conductor se movieran sin colisionar. Esto es para mantener la energía total del sistema sin cambios. Así, por conservación de la energía total, tenemos:

∆K = –∆Upot

O ∆K = IV∆t > 0

Por tanto, en el campo eléctrico, si las cargas se mueven libremente a través del conductor, habrá un aumento en la energía cinética a medida que se mueven.

Cuando las cargas chocan, la energía ganada por ellas se comparte entre los átomos. En consecuencia, la vibración de los átomos aumenta y el conductor se calienta. Por lo tanto, cierta cantidad de energía se disipa en forma de calor en un conductor real.