Transporte de Energía en Circuitos (Ondas electromagnéticas y electrones)

He estado leyendo acerca de cómo se transporta la energía en los circuitos eléctricos (lo leí por primera vez aquí: http://amasci.com/miscon/ener1.html ). La descripción en este artículo de por qué los electrones no se mueven alrededor del circuito transportando energía como baldes, recogiendo energía de la batería y descargándola en la carga, es razonable para mí, algunos puntos en particular son que la velocidad de deriva de los electrones en los circuitos es en realidad muy bajo y que en los circuitos de CA, los electrones ni siquiera se desplazan a lo largo de todo el circuito, sino que oscilan, por lo que ni siquiera viajan de las fuentes a las cargas y viceversa. En cambio, son las ondas electromagnéticas las que transportan energía a través de un circuito.

Puedo aceptar esto, pero ahora estoy confundido acerca de cómo interpretaría los cálculos de transferencia de energía en términos de electrones, cálculos que también parecen razonables pero que no sé cómo interpretar en términos de ondas electromagnéticas.

Por ejemplo, suponga que tiene una batería de 9 V y desea aumentar su energía en 500 J. Dado que un voltio está en unidades de J/C, Δ mi = V Δ C → Δ C = Δ mi V → Δ C = 500   j 9   j / C ≈ 55.56   C . Convirtiendo esto en electrones, se trata de 3.47 ∗ 10 20 electrones Esto parece sugerir que físicamente necesitarías que esta cantidad de electrones pasaran entre los terminales de la batería para transferir esta energía. ¿Este cálculo es inválido? Si no, ¿cómo interpreta este cálculo en términos de ondas electromagnéticas?

¿Qué quiere decir cuando dice que quiere "interpretar este cálculo en términos de ondas electromagnéticas"?
Quiero decir que quiero conciliar este cálculo, que sugiere que se requiere el movimiento físico de una cierta cantidad de electrones entre los terminales de la batería, con el mecanismo real de transferencia de energía, ya que asumo que en general se puede transferir esta energía. a la batería sin que ese número de electrones pase entre los terminales. No sé exactamente cuál es el mecanismo real.
Creo que su cálculo es correcto, mientras que la respuesta aceptada es incorrecta, porque no tiene en cuenta la conservación de la carga.
¿Puede por favor dar más detalles sobre eso? No estoy muy seguro de lo que quieres decir.
Si una carga se movió hacia la batería (y suponiendo que la batería no acumula una carga estática), entonces la misma carga tiene que salir de la batería a través del terminal opuesto. Un cargo no se puede perder, tiene que moverse entre los terminales. Su cálculo es correcto. Sé que esto no responde a tu pregunta sobre las olas, así que esto es solo un comentario.
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Si una batería está conectada a una carga con un cable largo, los electrones que se mueven a través de la batería no son los mismos electrones que se mueven a través de la carga. Sin embargo, exactamente la misma cantidad de electrones se mueven a través de la batería y de la carga. También tenga en cuenta que los electrones en dos cables se mueven en diferentes direcciones (hacia y desde la carga), pero la energía se mueve solo de la batería a la carga en ambos cables.

Respuestas (3)

¿Cómo interpretas este cálculo en términos de ondas electromagnéticas?

En el electromagnetismo hay mucha interacción entre los parámetros. En particular, con la ley de Ampere, cualquier cosa donde vea corriente puede reescribirse en términos de campos magnéticos y campos eléctricos:

∇ × B → = m 0 ( j → + ϵ 0 ∂ mi → ∂ t )

Consulte la sección 11.3 y la derivación de la ecuación 29 aquí: https://web.mit.edu/6.013_book/www/book.html

Básicamente, si tiene un elemento de circuito "agrupado" donde el flujo magnético está contenido dentro de algún límite y la carga neta es 0 y la única corriente pasa a través de un conjunto discreto de terminales, entonces de las ecuaciones de Maxwell puede derivar

− ∮ S mi → × H → ⋅ d a → = Σ v i i i
El término de la izquierda es el flujo de potencia en los campos del teorema de Poynting. Entonces, esto establece que la cantidad dada por los campos alrededor de los elementos del circuito se puede calcular a partir de la fórmula habitual en la teoría de circuitos.

Observe que la teoría de circuitos le dice cuánta potencia se transfiere, pero no le dice nada acerca de dónde se transfiere. De hecho, la teoría de circuitos simplemente no puede responder esa pregunta porque toda la información geométrica y espacial se abstrae en la teoría de circuitos. Si desea saber a dónde va la energía, debe utilizar una teoría que retiene la información espacial: el electromagnetismo clásico. Al hacerlo, puede probar que la potencia se transfiere a través de los campos que rodean el elemento del circuito y también que la cantidad de potencia viene dada por PAG = i v

La energía electromagnética de una batería o un sistema de CA que se transforma en otras formas de energía realmente no requiere una descripción en el nivel de las ondas electromagnéticas. El proceso suele ser electrostático o, en el caso de los motores, cuasielectro/magnetoestático (es decir, las cosas se mueven pero tan lentamente que se puede despreciar la propagación ondulatoria).

El artículo vinculado señala correctamente que la energía EM no se transporta desde la fuente al consumidor mientras se localiza en los electrones en movimiento. La energía está disponible para el consumidor casi instantáneamente, antes de que el electrón individual (desde el punto de vista de la teoría clásica) pueda pasar de la fuente de energía al consumidor. Entonces, la energía llega desde la planta de energía (o una batería) al dispositivo consumidor muy rápido, casi con la velocidad de la luz en el vacío. Sabemos que no es instantáneo, ya que cualquier conexión/desconexión puede manifestarse lejos solo con un poco de retraso, por lo que asumimos (y la teoría EM lo confirma) que la propagación de la energía es ondulatoria. Esa parte del artículo está bien.

Pero el artículo también es algo engañoso, porque la mayoría de los aparatos eléctricos habituales, como bombillas o motores eléctricos, se pueden entender perfectamente sin añadir ideas sobre la propagación de ondas electromagnéticas. Esto se debe a que la onda EM es importante solo en los puntos de cambio dramático, como encender o apagar, después de eso, el campo no es en absoluto como una onda. La onda es tan rápida que podemos ignorar que lleva algún tiempo viajar desde la fuente hasta el consumidor, y podemos suponer que la energía electromagnética está disponible instantáneamente, porque el campo ya está presente y es mantenido por los cables y la fuente de energía lejos. .

Cualquier proceso de conversión de energía EM en energía mecánica o calor es local. La energía EM en el punto X se transforma en otras formas y se suministra más energía desde la región circundante. Esta conversión ocurre solo cuando hay movimiento de carga eléctrica, por eso los electrones tienen que moverse. Los electrones en movimiento no transportan la energía desde la fuente hasta el consumidor, pero son un "mango" por el cual el consumidor puede acceder a la energía EM ya presente en su ubicación.

En su ejemplo con la carga de una batería, necesitaría un dispositivo con un voltaje algo más alto que empuje los electrones hacia la batería de 12 V en contra de la dirección de descarga habitual. Esto podría ser una fuente de laboratorio u otra batería de mayor voltaje. La energía de la fuente se transformará en energía EM y estará presente en una pequeña cantidad en toda la región donde se encuentra el circuito, pero la mayoría estará cerca de los cables con corriente donde el campo magnético es más fuerte. Esta energía EM fluirá principalmente a lo largo de los cables hacia la batería de 12 V. Esto se puede imaginar como un proceso de ondas, pero la distancia suele ser tan pequeña que podemos ignorar cualquier retraso y simplemente suponer que la batería obtiene su nueva energía del campo EM que la rodea, pero principalmente de la dirección en la que entran los cables.

Su cálculo actualmente dice lo siguiente:

Si tomamos un montón de carga con un potencial de 9 V y reducimos su potencial a 0 V transfiriendo esa energía potencial de alguna manera a la batería, entonces necesitaríamos absorber el potencial de 10 20 electrones para aumentar la energía de la batería en 500 J.

En ninguna parte requiere que la carga realmente pase a través de la batería; convertir voltios a J / C como lo hizo realmente solo dice "hay algunas cargas que inicialmente llevaban esta energía, y ahora no llevan esta energía". Lo que realmente sucede con la carga depende de la electroquímica de la batería en particular que está examinando.

No sugiere que sea necesario el movimiento físico de carga entre los terminales.

Gracias por la explicación. Como seguimiento a esto, si tiene una batería descargada de algún potencial (por ejemplo, 9 voltios como en la publicación) y desea recargarla para que pueda usarse como una fuente de 9 voltios en un nuevo circuito, ¿es suficiente? recargarlo conectándolo a una batería cargada de voltaje arbitrario (por lo que podría ser menor, igual o mayor que 9 voltios)? Supongo que esto podría depender mucho de las características específicas de la batería en particular, pero me pregunto si el requisito principal de la batería utilizada para recargar es la transferencia de energía potencial , no potencial .
Las baterías de @knzy generan una diferencia de potencial entre sus terminales. Si conecta las terminales negativas de dos baterías entre sí (o a una tierra común) para que tengan el mismo potencial, entonces podemos configurar ambas terminales negativas para que estén a 0 V, de modo que el potencial en cada terminal positiva sea igual a la voltaje de la batería. La corriente (y la energía) fluye de un potencial más alto a un potencial más bajo, por lo que la batería de mayor voltaje intentará cargar la de menor voltaje. Sin embargo, dependiendo de la electroquímica de la batería, la carga puede o no ser posible.
“ En ninguna parte se requiere que la carga realmente pase a través de la batería ” - Se requiere por la conservación de la carga, asumiendo que la batería no acumula carga estática. Tu respuesta es incorrecta.
@safesphere "suponiendo que la batería no acumule una carga estática", ese es precisamente mi punto. Necesita suposiciones adicionales (como la que acaba de hacer) para decir que es obligatorio. Sin esas suposiciones, el cálculo en la pregunta no implica que sea necesario (tampoco implica que no sea necesario, simplemente no le dice nada sobre ese asunto en particular).
Se da esta suposición. Las baterías no acumulan cargas estáticas como los generadores Van der Graaf.
Transporte de Energía en Circuitos (Ondas electromagnéticas y electrones)
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