¿Qué sucede en un circuito antes de que se alcance el estado estacionario?

Bien, considere un circuito con una celda y una resistencia. Digamos que el circuito tiene un interruptor que está cerrado en el momento t = 0 . Las siguientes preguntas se basan en el estado de las cargas en el circuito ANTES de que se alcance el estado estacionario.

PREGUNTAS:

  1. La corriente que fluye a través de la celda gana algo de energía potencial y luego pierde este potencial a través de la resistencia. Pero, ¿no es realmente baja la velocidad de deriva de los electrones? Si es así, ¿por qué se establece instantáneamente la caída de potencial en la resistencia?

  2. Un electrón atraviesa la batería y gana algo de potencial. ¿Cuál será el potencial de una carga lejos de la terminal negativa (esta carga aún no ha cruzado la celda) y en algún lugar cerca de la resistencia?

  3. ¿Se reorganizan las cargas para generar un campo eléctrico uniforme en el circuito?

3.) Sí. El campo a través de la sección transversal del alambre es constante. Esto se logra mediante una combinación de cargas superficiales reorganizadas y cargas en otros lugares, como en las placas de condensadores. Aquí hay una simulación muy rica de Bruce Sherwood que demuestra esto. Advertencia: hay mucho que absorber en esa simulación.

Respuestas (2)

1) La corriente que fluye a través de la celda gana algo de energía potencial y luego pierde este potencial a través de la resistencia. Pero, ¿la velocidad de deriva de los electrones no es realmente baja? Si es así, ¿por qué la caída de potencial se establece instantáneamente en la resistencia?

La velocidad de deriva no es relevante aquí. ¿Cómo sabe que la caída potencial se establece instantáneamente? no lo es Inmediatamente después de conectar el circuito, la corriente y la caída de voltaje a través de la resistencia serán muy pequeñas. Ambos aumentarán hasta que el circuito esté en estado estable.

2) Un electrón atraviesa la batería y gana algo de potencial. ¿Cuál será el potencial de una carga lejos de la terminal negativa (esta carga aún no ha cruzado la celda) y en algún lugar cerca de la resistencia?

Esto depende de cuánto tiempo ha pasado desde que se cerró el circuito (y dónde se cerró el circuito) y la inductancia de la corriente.

Cuando el circuito está cerrado, tendrá algunas cargas con un potencial alto y algunas cargas con un potencial bajo adyacentes entre sí. Pero el potencial desigual significa que hay un campo eléctrico. Este campo (y una ruta para cargos móviles) acelera algunos de los cargos. Esta aceleración cambia el campo en otros puntos del circuito hasta que todo se estabiliza en estado estacionario.

Debido a que probablemente completó el circuito en algún lugar fuera de la batería, los terminales de la batería aún mantenían una diferencia de potencial.

3) ¿Se reorganizan las cargas para generar un campo eléctrico uniforme en el circuito?

No uniforme. El producto de la intensidad del campo y la distancia a lo largo de él será igual a la diferencia de voltaje entre los puntos inicial y final. Un cable de muy baja resistencia (con una pequeña caída de voltaje) tendrá un campo eléctrico muy pequeño. La resistencia con una gran caída de voltaje tendrá un campo eléctrico más fuerte.

Voltaje hiperfísico y campos eléctricos.

Lo que me confunde es cómo "saben" las cargas cómo reorganizarse para crear una caída de voltaje igual al voltaje de la batería.

¿Cómo "sabe" un paracaidista que cae a velocidad terminal? Es porque si están cayendo a otra velocidad, hay una fuerza neta que lo acelera.

Imagine un circuito con una fuente de voltaje y una resistencia, y la corriente alrededor del circuito (y, por lo tanto, la caída de voltaje en la resistencia) es menor que la del estado estable.

Si suma el voltaje alrededor del circuito, no es cero. Eso significa que una carga puede ganar energía simplemente dando la vuelta al circuito. Mientras lo hacen, esa ganancia de energía se destina a aumentar la KE y, por lo tanto, su velocidad de deriva. Mayor velocidad de deriva, mayor corriente.

A medida que aumenta la corriente, se acumulan más cargas en el límite con la resistencia. Eventualmente, se acumulan tantas cargas allí que el campo eléctrico en el interior crea una caída de voltaje igual a la fuente de voltaje. Cuando eso sucede, no hay más energía para acelerar las cargas y la corriente deja de aumentar.

El campo eléctrico a través de cada componente del circuito tendrá una caída de potencial que, cuando se agregue, será igual a la diferencia de potencial creada por la batería. Lo que me confunde es cómo "saben" las cargas cómo reorganizarse para crear una caída de voltaje igual al voltaje de la batería.
Agregué un poco a la respuesta.
Entonces, ¿la regla del bucle solo se puede aplicar en estado estacionario? Si es así, entonces estoy cargando un capacitor, ¿por qué usamos la regla del bucle antes de lograr el estado estable?
Además, ¿el amontonamiento no violaría la ley de unión?
@AdityaAhuja, solo si continúa indefinidamente. La regla de unión se evalúa en estado estable y, para entonces, el reposicionamiento está completo y las corrientes suman cero.
En realidad, me refería al caso de un circuito de CC puramente resistivo. ¿Las cargas que se acumulan en el límite del cable de la resistencia no significan que las cargas se están atascando en alguna parte? Esto no debería ser posible, ¿verdad?
No se están "atascando", se están moviendo un poco. Con corriente cero, no hay cargos en exceso en el límite. En la corriente I , puede haber una carga Q en el límite en estado estacionario. Eso significa que inmediatamente después de que se cerró el circuito, la carga Q tiene que moverse desde otro lugar hasta el límite. Hasta que esté presente, las corrientes en las diferentes partes del circuito no son iguales.
¿Puede explicar 'moverse un poco'? ¿Se están moviendo al azar cerca de los terminales de resistencia y no tienen una deriva general? ¿No repelerían las cargas que intentan entrar en la resistencia?
Algo así como. Las cargas se mueven de tal manera que el campo que producen produce una corriente constante. Hay una discontinuidad entre el material del alambre y el material de la "resistencia". Sin una acumulación de carga, la corriente a través de cada uno sería diferente. En efecto, la acumulación de carga "ralentiza" la corriente en el cable y "acelera" la corriente en la resistencia. Equilibra las corrientes. Esto está "obstaculizando" la corriente en el cable, pero no hacerlo significaría corrientes no uniformes.

1) Los químicos en la batería mantienen los electrones a un potencial ya sea que haya un circuito externo o no. Los electrones están esperando a un alto potencial y cuando se acciona un interruptor se les permite fluir. Dependiendo de cuántos electrones se necesiten, la batería puede disminuir su potencial, ya que los electrones tienen que provenir de una parte más profunda de la batería en promedio para cargas más grandes (más resistencia interna). Para una batería ideal usamos 0 resistencia interna.

En el extremo, también puede considerar una capacitancia muy pequeña y una inductancia muy pequeña (llamada parásita) que también afectan el flujo de corriente además de la resistencia, lo que provoca un sobreimpulso o un sobreimpulso si utiliza un osciloscopio rápido.

Cuando la corriente es de 1 amperio, hay muchos más electrones en el cable y la resistencia involucrada en el flujo, por lo que la deriva o la velocidad promedio es lenta en comparación con la velocidad de la corriente.

El potencial permanece en la batería y también en la resistencia, incluso después de que los electrones estén fluyendo, el campo (o potencial) es una fuerza que está presente instantáneamente.

Entonces, inicialmente, los componentes tienen una caída de potencial no uniforme y la ley de ohm no se puede aplicar, ¿verdad?
¿Qué sucede en un circuito antes de que se alcance el estado estacionario?
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