¿Por qué una resistencia provoca una caída de potencial?

El potencial eléctrico es una energía potencial al igual que la energía potencial gravitatoria o cualquier otra forma de energía potencial. Específicamente, mover un culombio de carga a través de un potencial eléctrico de un voltio produce (o requiere) 1 julio de energía. Según su pregunta, supongo que básicamente está contento con esto, por lo que la pregunta es realmente cómo se disipa esta energía, es decir, ¿qué sucede con ese 1 julio de energía?

Cuando aplica un voltaje al conductor, produce una fuerza sobre los electrones de conducción para que se aceleren: la energía potencial se convierte en energía cinética de los electrones. Sin embargo, los conductores están formados por una red cristalina de átomos/moléculas que vibran aleatoriamente debido a la energía térmica, y existe la probabilidad de que los electrones en movimiento se dispersen de esta red y le transfieran energía. Entonces, el electrón se ralentiza y la magnitud de las vibraciones de la red aumenta. El aumento de las vibraciones de la red significa que el conductor está más caliente, por lo que la energía cinética de los electrones se ha transferido a energía térmica en el conductor.

Y eso es lo que le sucede a 1 julio de energía. Se transfiere al conductor y termina como calor.

Es posible que desee profundizar en algunos problemas relacionados: cuando enfría un conductor, reduce la magnitud de las vibraciones de la red y hace que sea menos probable que el electrón se disperse fuera de la red. Es por eso que la resistencia (generalmente) disminuye con la disminución de la temperatura. La transición superconductora evita que los electrones se dispersen fuera de la red , por lo que no pueden transferirle energía y es por eso que los superconductores tienen una resistencia de cero.

En las resistencias, la resistencia, la corriente y el voltaje (o la caída de voltaje) están relacionados por la ley de Ohm:

Primero, es útil entender por qué las dos leyes de Ohm son equivalentes. Considere un alambre de sección transversal$A$y longitud$L$. Multiplica la ley microscópica por$A$. El producto$A\vec J$se combina con la corriente total$I$(es la densidad de la corriente por unidad de área), por lo que obtenemos

Ahora, tratemos de entender por qué la forma microscópica de la ley es verdadera.

Términos no lineales como$\Delta \vec J = \beta |\vec E|^2 \vec E$puede aparecer y de hecho aparece, pero el punto es que para un muy pequeño$\vec E$, son sublíderes y el término inicial no se cancela para las resistencias.

Entonces, si intenta explicar por qué se cumple la ley de Ohm, es mejor imaginar que la caída de voltaje es la causa mientras que la corriente es su consecuencia , no al revés como lo intentó.

Los superconductores no tienen colisiones, por lo que los electrones no disminuirían la velocidad si se les uniera un campo eléctrico. En consecuencia, la caída de voltaje haría grandes cambios que eliminarían por completo la caída de voltaje al final y, por lo tanto,$V=0$. En cualquier caso, en lo que se refiere a la ley de Ohm, puede ver a los superconductores como un simple (y estricto)$R\to 0$o$R=0$límite de resistencias.

Disculpas,$U=V$arriba. No fui consistente con la notación.

La respuesta depende mucho de cuánto en detalle quieras ir. La superconductividad es un fenómeno bastante complejo, por lo que espero poder ayudarlo explicándole por qué una resistencia provoca una caída de potencial.

Una corriente se puede imaginar como electrones moviéndose a través de un conductor. Durante ese movimiento, se aceleran debido al campo eléctrico. Al mismo tiempo, "chocan con las cosas", es decir, se dispersan. Esto los obliga a reducir la velocidad y conduce a la resistencia. Tal vez esto se pueda imaginar como bombear líquido a través de un tejido o algo similar. Por lo tanto, hay más electrones en un lado que en el otro, lo que conduce a una caída de potencial.

Por supuesto, esta es una explicación muy aproximada y, al entrar en detalles, uno descubrirá que hay mucha física involucrada.

Soy un aficionado y he estado tratando de responder a esta pregunta por un tiempo, y esto es lo que encontré. En primer lugar, el potencial eléctrico o fem es creado por una batería (CC) o un alternador (CA) al separar las cargas. Es decir, moviendo con fuerza -ve cargas/electrones a un extremo llamado terminal -ve, y el otro extremo se convierte en +ve debido al agotamiento de los electrones. Debido a que las cargas -ve se repelen naturalmente entre sí, y se mantienen juntas por la fuerza en contra de su voluntad, su potencial aumenta, lo que ahora se puede usar para impulsar una corriente a través del circuito donde un extremo son estas cargas -ve y el otro tiene átomos. de cargas +ve listas para recibir las cargas -ve. Esta medida de este potencial eléctrico forzado/presión se hace en voltios y se llama voltaje. Cuanto mayor sea el voltaje, más densamente se empaquetarán los electrones en el terminal -ve y se ha realizado más trabajo (por parte de la compañía eléctrica) para que esto suceda. Un solo electrón de una fuente de mayor voltaje (digamos 220v) tiene mayor energía y quizás también más velocidad que uno de una fuente de menor voltaje (digamos 110v). Es por eso que la potencia es V (voltaje) x I (corriente) y no solo I porque los electrones de mayor energía/voltaje pueden hacer más trabajo y terminas pagando más dinero por ello.

Ahora, llegando a la caída de voltaje, los electrones siempre se mueven de un potencial más alto o un terminal -ve a un potencial más bajo o un terminal +ve, suponiendo un flujo de electrones en lugar de un flujo convencional. Tome un circuito simple a con una sola resistencia. Un extremo de R está conectado a la terminal -ve y el otro a la terminal +ve a través de cables de cobre. Enciende el circuito. La caída de voltaje ocurre SOLAMENTE cuando la corriente comienza a fluir. La caída se nota desde el final de R hasta el terminal positivo +ve. Este es el motivo: el cable de cobre del terminal -ve a R está inundado de electrones y, por lo tanto, tiene el mismo potencial que el terminal -ve. Pero debido a que la resistencia restringe la corriente, solo algunos electrones pueden ir al otro lado. Uno del otro lado, es decir, desde el final de R hasta el terminal +ve, excepto por la pequeña corriente que se permite fluir, en su mayoría hay átomos / cargas +ve, lo que significa que el electrón que llega al lado +ve de R no experimenta tanta presión de los electrones vecinos como lo hizo en el lado -ve. Por eso baja el voltaje.

¿Qué significa que una resistencia provoque una "caída de potencial"? Esto significa que el potencial de un electrón después de pasar por una resistencia es menor que el potencial del electrón antes de pasar por la resistencia. ¿Por qué es este el caso?

Primero, repasemos qué significa potencial eléctrico. El potencial eléctrico de un electrón se define como la energía que se necesitaría para llevar este electrón a su ubicación actual desde una distancia infinita. Esto significa que un electrón tiene un potencial eléctrico más alto cuando está cerca de una gran cantidad de otros electrones (se necesitaría más energía para vencer las fuerzas de repulsión de todos estos electrones para atraer nuestro electrón hacia ellos).

Ahora, recuerda, estamos tratando de explicar por qué los electrones que aún no han entrado en la resistencia tienen un potencial más alto que los electrones que han salido. Resulta que la razón es que los electrones terminan estando más concentrados en el lado de la resistencia por el que entran y menos concentrados en el lado de la resistencia por el que salen. Veamos por qué sucede esto.

Tomemos un circuito simple que consta de una batería, un cable y una resistencia. Ahora, sabemos que la resistencia está hecha de un material que es menos conductor que el cable, por lo que los electrones no pueden moverse tan rápido en la resistencia como lo hacen en el cable.

En el diagrama anterior, los círculos blancos representan los electrones en el cable en su estado inicial (antes de conectar la batería). Los círculos rojos representan los electrones un momento después de que la batería se conecta al cable.

Cuando se mueve el electrón más cercano al extremo negativo de la batería, también se mueve el siguiente electrón (debido a las fuerzas de repulsión entre los electrones). Esto crea un efecto de cascada.

Sin embargo, el electrón A en el diagrama anterior no puede moverse tanto (en el mismo período de tiempo) como todos los electrones detrás de él. Como resultado, el electrón A estará más cerca de todos los electrones detrás de él que antes. Por lo tanto, repele estos electrones con más fuerza. Esto cancela ligeramente la fuerza de repulsión sobre estos electrones debido al extremo negativo de la batería, lo que hace que disminuyan la velocidad.

Ahora, dado que la fuerza repulsiva que un electrón ejerce sobre otro electrón disminuye con la distancia, está claro que los electrones que están más cerca del electrón A se ralentizarán más y los que están más lejos se ralentizarán menos. Dado que los electrones que están al frente (es decir, el electrón A y los que están ligeramente detrás de él) son los que se mueven más lentamente, los electrones comenzarán a agruparse un poco cerca de la entrada de la resistencia.

Veamos lo que sucede en el otro lado de la resistencia.

En el otro lado de la resistencia, el electrón B no puede moverse tanto como los electrones que tiene delante. Por lo tanto, el electrón B estará más lejos de estos electrones que antes, por lo que su fuerza repulsiva sobre estos electrones disminuye. Por lo tanto, estos electrones también se ralentizan, ya que la fuerza con la que B los empuja ahora es menor.

Sin embargo, el aumento en la distancia de B a los electrones delante de él causará una mayor disminución en la fuerza de repulsión de los electrones que están más lejos de B. (Esto se puede demostrar con matemáticas básicas). Por lo tanto, los electrones que están más cerca del electrón B reducirá la velocidad MENOS. Por lo tanto, los electrones no se acumularán tanto en el lado de salida de la resistencia como en el lado de entrada.

Dado que los electrones están más concentrados en el "lado de entrada" de una resistencia, un electrón tendrá un mayor potencial cuando ingrese a la resistencia y esté entre todos estos electrones juntos que al salir de la resistencia.

¡Espero que tenga sentido!

No es una pregunta tonta. Potencial significa energía por unidad de carga en un punto de un campo. Cuando una unidad de carga viaja a través de un campo electrónico, la energía se pierde o se gana como energía potencial. La diferencia de potencial es la diferencia en PE entre dos puntos cualesquiera del campo. En un circuito, cuando se inserta una celda, se forma un campo eléctrico y es debido a este flujo de cargas de campo (corriente). Cuando la carga fluye en dirección opuesta al campo dentro de la celda, la energía se almacena como PE en la carga. Después de atravesar la celda, vuelve a viajar en la dirección del campo eléctrico, perdiendo así la energía almacenada, independientemente del camino que tome. Cuando pasa a través de una resistencia, la energía disipada (ya que va en la dirección del campo) se convierte en energía térmica. También se puede decir que para superar los obstáculos (resistencia) las cargas utilizaron su energía almacenada. Por lo tanto, después de salir de la resistencia, tienen menos energía. Por lo tanto, las caídas potenciales. Espero que esto ayude.

Creo que es porque la acumulación de electrones en el lado (-) de la resistencia (como un maldito) llena más fácilmente los agujeros de carga reduciendo el potencial en ese lado, lo que significa que hace que el área donde el lado negativo está conectado a la resistencia sea menos ( +). Recuerde que el voltaje se genera desde el extremo positivo.