¿Qué sucede cuando conectamos un alambre metálico entre los 2 polos de una batería?

Sí, Sam, definitivamente hay una remodelación del campo eléctrico en el cable. Extrañamente, no se habla de esto en casi ningún texto de física, pero hay acumulaciones de carga superficial a lo largo del cable que mantienen el campo eléctrico en la dirección del cable. (Nota: es una distribución de carga superficial ya que cualquier carga adicional en un conductor residirá en la superficie). Es el cambio o gradiente de la distribución de carga superficial en el cable lo que crea y determina la dirección de la campo eléctrico dentro de un alambre o resistencia.

Por ejemplo, la densidad de carga superficial en el cable cerca de la terminal negativa de la batería será más negativa que la densidad de carga superficial en el cable cerca de la terminal positiva. La densidad de carga superficial, a medida que avanza por el circuito, cambiará solo ligeramente a lo largo de un buen cable conductor (por lo tanto, el gradiente es pequeño y solo hay un pequeño campo eléctrico). Las esquinas o dobleces en el cable también causarán acumulaciones de carga en la superficie que harán que los electrones fluyan en la dirección del cable en lugar de fluir hacia un callejón sin salida. Las resistencias insertadas en el circuito tendrán una densidad de carga superficial más negativa en un lado de la resistencia en comparación con el otro lado de la resistencia. Este mayor gradiente en la distribución de carga superficial cerca de la resistencia provoca un campo eléctrico relativamente mayor en la resistencia (en comparación con el cable). La dirección de los gradientes para todas las densidades de carga superficial mencionadas anteriormente determina la dirección de los campos eléctricos.

Esta pregunta es muy fundamental y, a menudo, la gente la malinterpreta o la ignora. Todos estamos adoctrinados para asumir que una batería crea un campo eléctrico en el cable. Sin embargo, cuando alguien pregunta "¿cómo llega el campo al cable y cómo sabe el campo qué camino tomar?" rara vez se les da una respuesta directa.

Una pregunta de seguimiento podría ser: "Si las acumulaciones de carga superficial distintas de cero son responsables del tamaño y la dirección del campo eléctrico en un cable, ¿por qué un circuito normal con una resistencia no ejerce una fuerza eléctrica sobre una bola de médula cercana de todos los carga acumulada en el circuito?" La respuesta es que ejerce una fuerza, pero la carga superficial y la fuerza son tan pequeñas para los voltajes normales y las condiciones de funcionamiento que no se notan. Si conecta una fuente de 100,000 V a una resistencia, podrá medir la acumulación de carga superficial y la fuerza que podría ejercer.

Aquí hay una forma más de pensar en todo esto (disculpe la extensión de esta publicación, pero hay tanta confusión sobre esta pregunta que merece detalles apropiados). Todos sabemos que hay un campo eléctrico en un cable conectado a una batería. Pero el cable podría ser tan largo como se desee, y tan lejos de los terminales de la batería como se desee. La carga en los terminales de la batería no puede ser directa y únicamente responsable del tamaño y la dirección del campo eléctrico en la parte del cable a kilómetros de distancia, ya que el campo se habría extinguido y se habría vuelto demasiado pequeño allí. (Sí, un plano infinito de carga, u otras configuraciones adecuadamente exóticas, pueden crear un campo que no disminuye con la distancia, pero no estamos hablando de nada de eso. ) Si la carga cerca de los terminales no determina directa y únicamente el tamaño y la dirección del campo eléctrico en la parte del cable a millas de distancia, alguna otra carga debe estar creando el campo allí (Sí, puede crear un campo eléctrico con una cambiando el campo magnético en lugar de una carga, pero podemos suponer que tenemos una corriente constante y un campo magnético invariable). El mecanismo físico que crea el campo eléctrico en la parte del cable a kilómetros de distancia es un pequeño gradiente de la distribución de carga superficial distinta de cero en el cable. Y la dirección del gradiente de esa distribución de carga es lo que determina la dirección del campo eléctrico allí. pero podemos suponer que tenemos una corriente constante y un campo magnético invariable). El mecanismo físico que crea el campo eléctrico en la parte del cable a kilómetros de distancia es un pequeño gradiente de la distribución de carga superficial distinta de cero en el cable. Y la dirección del gradiente de esa distribución de carga es lo que determina la dirección del campo eléctrico allí. pero podemos suponer que tenemos una corriente constante y un campo magnético invariable). El mecanismo físico que crea el campo eléctrico en la parte del cable a kilómetros de distancia es un pequeño gradiente de la distribución de carga superficial distinta de cero en el cable. Y la dirección del gradiente de esa distribución de carga es lo que determina la dirección del campo eléctrico allí.

Para una descripción rara y absolutamente hermosa de cómo y por qué la carga superficial crea y da forma al campo eléctrico en un cable, consulte el libro de texto: "Materia e interacciones: Volumen 2 Interacciones eléctricas y magnéticas" de Chabay y Sherwood, Capítulo 18 "Una vista microscópica de Circuitos Eléctricos" pg 631-640.

Cuando los 2 electrodos tienen un potencial diferente, se establecerá un campo eléctrico. Las cargas eléctricas se acumularán en los dos polos. Cargas positivas en el cátodo y cargas negativas en el ánodo. Si los dos electrodos no están conectados por un conductor externo, no podrán salir de la superficie de los electrodos y simplemente se acumularán allí produciendo un voltaje de circuito abierto. Tan pronto como los dos electrodos estén conectados por un conductor, las cargas fluirán por las fuerzas del campo eléctrico en la dirección apropiada. Si el cable de conexión no tiene resistencia o casi no tiene resistencia, habrá un cortocircuito y fluirá una gran corriente limitada solo por la resistencia interna de la batería.

$I = \frac{V}{R+r}$dónde$I$es la corriente,$V$es el voltaje entre los electrodos,$R$es la resistencia externa y$r$es la resistencia interna de la batería.

(Nota: el campo eléctrico no es neutralizado por la reacción química sino que es mantenido por la reacción. No se produce remodelación del campo. Las cargas se mueven a través del conductor ya que es el camino de menor resistencia. Es similar al flujo de agua a través de una tubería desde un tanque. El agua fluye ya que existe una diferencia de presión. El flujo de agua no depende de la orientación de la tubería. Solo depende de la diferencia de presión en los dos extremos. El campo gravitacional no cambia de forma. a través de la tubería. De manera similar, no se produce remodelación del campo eléctrico. Solo importa la diferencia de voltaje entre las dos terminales).

Comentarios adicionales para aquellos que piensan que el campo eléctrico puede cambiar la forma de un conductor a lo largo del conductor :

Estas son simplemente redes conectadas en delta y estrella. Ahora bien, si el campo eléctrico pudiera remodelarse, las líneas de fuerzas se cruzarían en tres puntos para las redes delta y en un punto para las redes estelares. Pero todos sabemos que las líneas de fuerzas no pueden cruzarse. Por lo tanto, no se produce remodelación de las líneas de campo.

Antes de conectar el cable, el campo eléctrico (al menos en teoría, esto requiere que ignore todo lo demás en el universo, incluido el contenido de la batería) consta de una carga + y una carga -. Con una batería de automóvil típica, estos puntos están separados por unos 10 o 20 cm.

En realidad, la carga se distribuye de una manera muy complicada. Por ejemplo, si la batería de su automóvil tiene una capacidad nominal de 1000 amperios-hora, puede calcular la "carga" observando que un amperio-segundo es un culombio, por lo que un amperio-hora es 3600 x 1000 culombios. Pero en realidad estas cargas se mantienen químicamente dentro de la batería y no aparecen en los electrodos hasta que se quita parte de la carga que hay allí. Entonces, para calcular la carga inicial, solo necesita conocer el voltaje y la configuración de los cables. Entonces es una cuestión de electrostática calcular la distribución de carga.

Después de conectar el cable, la corriente comienza a fluir de acuerdo con la resistencia del cable. El cable tendrá un voltaje constantemente decreciente de un extremo al otro. Dado que el campo eléctrico viene dado por el gradiente de voltaje, esto significa que el campo eléctrico a lo largo del cable apuntará hacia abajo.

Por cierto, esto le sucedió accidentalmente a una batería en la parte trasera de su camioneta. Lamentablemente sucedió junto a una lata plástica de gasolina. El incendio resultante destruyó su vehículo segundos después de que él condujo hacia el costado de la carretera y saltó de él.