Si dejas caer una pelota muy pesada, la energía potencial gravitacional de la pelota se convertirá en energía cinética.
Si colocas la misma bola en la piscina, la bola seguirá cayendo. Una gran cantidad de energía cinética se convertirá en energía térmica debido a la fricción, pero la energía potencial gravitacional aún se convertirá.
Del mismo modo, ¿por qué la electricidad no fluye sin un buen conductor? ¿Por qué los electrones no fluyen desde el terminal negativo al terminal positivo sin un cable que los conecte?
La electricidad fluye como una onda y los metales tienen electrones libres en la nube de electrones que permiten que la onda se propague o se propague. Pero cuando estos electrones libres no están disponibles para propagar la onda, ¿por qué los electrones simplemente no se "mueven" como la pelota? ¿Por qué los electrones simplemente no se "mueven" a través del aire hacia el terminal positivo?
Una velocidad de deriva lenta significa que lo más probable es que los electrones tarden mucho tiempo en propagar la onda de electricidad, pero aun así deberían llegar allí.
Para continuar usando la analogía de la pelota, piense en la pelota como análoga al electrón. Ahora, ¿qué pasaría si la pelota estuviera unida a un punto por un resorte? ¿Seguiría cayendo? Puede oscilar alrededor de ese punto, pero no podría escapar por completo al efecto de restricción del resorte. Lo mismo ocurre con los electrones enlazados. Están más o menos unidos al átomo. Si el campo gravitacional es muy fuerte, puede romper el resorte y arrancar la bola del resorte. Esto sucede a veces también en la electricidad. En la descarga de un rayo, el campo eléctrico es tan alto que incluso los electrones unidos son arrancados de sus átomos, ionizando así el gas y creando lo que se conoce como plasma. Con un grupo de electrones libres e iones positivos, la corriente eléctrica ahora puede fluir libremente a través del plasma; no necesitaría cables. - campos tan altos no pueden ser producidos por los voltajes domésticos de 100 - 250 V disponibles en la mayoría de los países) tendría que usar cables hechos de material conductor donde los electrones libres estén fácilmente disponibles si desea tener conducción eléctrica a voltajes normales.
Si define "electricidad" como portadores de carga en movimiento (lo que creo que es razonable), entonces necesita portadores de carga gratuitos , por lo que necesita algún tipo de medio desde el cual los portadores de carga puedan perderse.
El medio no tiene que ser cables de metal, pueden ser gases (como en el caso de las cámaras de deriva), líquidos (por ejemplo, un TPC de argón líquido o una batería de celda húmeda), plasma (obvio, espero) o sólidos.
Los átomos que componen el aire ordinario no se ionizan fácilmente y recuperan sus electrones muy rápidamente (debido a la fuerza electrostática). En los metales, los electrones del hombre están en o cerca de la "banda de conducción" y pueden perderse con bastante facilidad y no se recombinan de manera eficiente. Los electrones en la banda de conducción del metal son "libres" en el sentido de que pueden moverse fácilmente dentro del conductor, pero aun así se requiere energía para sacarlos del metal (haciéndolos "libres" en un sentido más general). Esa energía es la "función de trabajo" que encuentras en las descripciones del efecto fotoeléctrico.
La barrera potencial es probablemente el mayor contribuyente a la falta de flujo de electricidad a través de un circuito abierto.
Para explicar los aisladores en su ejemplo, extienda la metáfora para usar melaza fría en lugar de agua como medio. Si está dispuesto a esperar el tiempo suficiente, la pelota seguirá cayendo, pero será dolorosamente lenta y no obtendrá un trabajo útil apreciable de ella.
Después de las discusiones sobre las respuestas de dmckee y Daniel, aquí está mi resumen.
El potencial eléctrico en un metal sólido no es 0 en todas partes. Lo sería si los electrones estuvieran localizados exactamente donde están los núcleos de los iones, de modo que el potencial eléctrico de los electrones y los núcleos se cancelen exactamente. Sin embargo, la mecánica cuántica dice que los electrones tienen una función de onda que se "esparce" (deslocaliza). El potencial eléctrico que crean es algo más amplio que el de los núcleos. La suma de ambas contribuciones, para un átomo, podría parecerse a la siguiente figura (esa es una visión muy cruda y probablemente poco realista).
Por cierto, eso permite que los metales se unan entre sí, y los electrones brindan el potencial para atraer al núcleo cercano.
Si suma estos potenciales de muchos de estos átomos igualmente espaciados, puede obtener el siguiente potencial.
Otro ejemplo de tal potencial se muestra aquí . Los electrones se comportan como ondas en este potencial y rebotan en cada superficie. Por eso no escapan fácilmente del metal: tendrían que superar la pared de potencial en la superficie del metal. Por esta razón, los electrones siguen fluyendo en los cables metálicos.
Tenga en cuenta que si tiene electrones en exceso, se repelen entre sí hasta que estén en la superficie del metal, razón por la cual la carga adicional permanece en la superficie de los conductores.
Cuando preguntas: "¿por qué los electrones simplemente no se "mueven" como la pelota? ¿Por qué los electrones simplemente no se "mueven" a través del aire hacia la terminal positiva". Creo que debes tener en cuenta que la bola está formada por átomos neutros que a su vez están formados por electrones cargados negativamente y protones cargados positivamente. Los electrones son atraídos por la terminal positiva, pero los protones son igualmente repelidos. Por lo tanto, la pelota en su conjunto no se mueve. Eso responde una parte de tu pregunta. Entonces podría preguntarse por qué los electrones no se mueven solos hacia el terminal positivo. Y la respuesta es que pueden hacerlo si el voltaje es lo suficientemente alto como para vencer la atracción de los electrones hacia los protones a los que están unidos en la bola. Los rayos son un buen ejemplo de esto, al igual que las descargas estáticas.
Los electrones fluyen sin un cable. Esto es exactamente lo que sucede en un tubo de rayos catódicos. Entonces, ¿por qué los electrones no fluyen de un conductor a otro a través del vacío o el aire si hay una diferencia de potencial? Se requiere una energía mínima de unos pocos eV para que un electrón salga de un metal conocido como función de trabajo. En un tubo de rayos catódicos, esta energía se minimiza seleccionando un material con una función de trabajo baja y calentando el ánodo.
Intente buscar bandas de conducción y valencia . La teoría explica en términos de energías por qué fluye la electricidad.
No es como las bolas porque los electrones están atados por pozos de potencial, de los que tienen que salir para poder fluir.
Las respuestas publicadas por la CIA y dmckee son excelentes, y señalan correctamente que los libros de texto generalmente explican a mano por qué los electrones no abandonan fácilmente la superficie de los conductores, pero agregaría que los electrones en realidad pueden moverse por el aire, incluso si el eléctrico campo no es lo suficientemente fuerte para ionizar el aire y formar un plasma. Cualquiera que haya intentado hacer experimentos de electrostática cuantitativa sabe esto: coloque una carga estática en un conductor abierto al aire y vea cuánto tiempo permanece allí. Depende del material, pero generalmente no es tan largo, especialmente en un día húmedo. Por lo general, debe mantener una fuente de alimentación conectada si desea mantener una carga constante.
Además, deje una batería en el estante el tiempo suficiente y encontrará que ha perdido su carga. Esto es similar, aunque los iones se desplazan en lugar de los electrones y el movimiento se realiza a través del medio aislante interno de la batería en lugar del aire.
"Si define "electricidad" como portadores de carga en movimiento (lo que creo que es razonable), entonces necesita portadores de carga gratuitos ". Esta lógica de @dmckee parece algo restrictiva, ya que no es aplicable sin advertencias a la corriente alterna, que es probablemente la tipo de electricidad más utilizada. Puede usar cargos vinculados para corriente alterna. Por ejemplo, la corriente alterna puede fluir a través de capacitores. El OP pregunta: "¿por qué la electricidad no fluye sin un buen conductor?" Diría que sí, por ejemplo, en guías de ondas dieléctricas circulares , que son simplemente varillas dieléctricas. La fibra óptica es un ejemplo extremo de tales fenómenos, y no creo que se pueda discutir que hay "portadores de carga en movimiento" en la fibra óptica,
Sucintamente: el flujo de electricidad ocurre fácilmente en los rayos catódicos en los famosos tubos de vacío y los rayos cósmicos fluyen muy bien en el espacio exterior y los iones fluyen fácilmente en soluciones iónicas. Así que no se necesitan cables. El problema es introducir cargas en el espacio o el aire, ya que a los electrones les gusta permanecer dentro de un material o metal, ya que son atraídos por los iones de la red positiva. Déles suficiente energía para salir (función de trabajo del efecto fotoeléctrico) y luego acelerarán y fluirán fácilmente en cualquier campo eléctrico o diferencia de potencial. Hay una barrera de energía para sacarlos. Incluso una bola de metal cargada no arroja su exceso de carga en el vacío a menos que la carga sea tan alta como para crear un campo de superficie grande para extraer electrones del metal. El calor o la luz ultravioleta pueden ayudar a sacar los electrones.
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