¿Una bombilla brilla debido a la interacción con las ondas electromagnéticas o debido a la interacción entre sus átomos y los electrones en movimiento?

Hoy aprendí que la energía se transfiere a una bombilla a través de ondas electromagnéticas producidas por el movimiento de electrones y según la ley de Poynting , la dirección de esta energía es perpendicular al campo eléctrico.

Por otro lado, por lo que sé previamente, la luz se produce debido a la interacción entre los átomos de la bombilla y los electrones en movimiento, lo que significa que la energía es transportada por los electrones en movimiento y no por las ondas electromagnéticas producidas por los electrones .

Soy nuevo en este tema, así que estoy confundido. ¿Las ondas electromagnéticas encienden la bombilla o los electrones en movimiento en los cables?

¿De qué tipo de bombilla estamos hablando? Las luces de semiconductores, de descarga de arco y térmicas iluminan de formas muy diferentes.

Respuestas (3)

Estás confundiendo dos ondas electromagnéticas diferentes que están involucradas aquí. Así que voy a elaborar de una manera más detallada.

  • Los cables entre la central eléctrica de tu provincia y la bombilla de tu casa están rodeados de un campo electromagnético de baja frecuencia ( 50 o 60 Hz, dependiendo de su país). Es el vector de Poynting de este campo electromagnético de baja frecuencia el que entrega energía al filamento de la bombilla (las flechas azules en la imagen de abajo). imagen basada en la de los vectores de Poynting del circuito de CC , que muestra el campo eléctrico (flechas de lectura), el campo magnético (flechas verdes) y el vector de Poynting (flechas azules)
    ingrese la descripción de la imagen aquí
  • Debido a este campo electromagnético, los electrones dentro del filamento se mueven hacia adelante y hacia atrás (con frecuencia 50 Hz). Al moverse chocan con los átomos metálicos, transfiriendo así energía cinética a los átomos, por lo que su movimiento desordenado se incrementará. Es decir, la temperatura sube mucho ( ≈ 2400 ° C).
  • Según esta temperatura el filamento emite radiación electromagnética con un amplio rango de muy altas frecuencias (aproximadamente desde 10 14 a 10 15 Hz), es decir, luz infrarroja y visible. Ver también Radiación de cuerpo negro para la física detrás de eso.

así que estoy confundido, ¿las ondas electromagnéticas encienden la bombilla o los electrones en movimiento en los cables?

Como se ve arriba, son ambas cosas: las ondas electromagnéticas de baja frecuencia encienden los electrones en la bombilla. Y los electrones en movimiento en el filamento encienden las ondas de luz.

Lindo. Sin embargo, una pregunta rápida, el campo electromagnético que produce los electrones que van y vienen dentro del cable crea un campo electromagnético dentro del cable, ¿verdad?
@uncovered_paramediensis_karnik Sí, también hay un campo eléctrico dentro del cable (sin esto, los electrones no se moverían). Pero la mayor parte de la energía del campo se encuentra fuera del cable.
Su respuesta es correcta (y voté a favor), pero es raro que las personas piensen en la corriente y el voltaje de 60 Hz en términos de onda E&M, ya que el sistema está básicamente en el régimen de conducción (en lugar de radiación).
Si la energía del campo es relevante y la energía viaja fuera del cable, debería poder bloquearla colocando una hoja infinita y delgada de superconductor entre la batería y la luz. Sin campo magnético = sin transferencia de energía posible.
Veo a Thomas, así que si entiendo bien, la energía viaja fuera del cable pero ingresa radialmente hacia adentro, porque se disipa dentro del cable como calor Joule. Si entendí esto bien, entonces creo que entiendo lo que está pasando, aunque no verifiqué la dirección del vector puntiagudo dentro del cable.
electrons inside the filament move back and forth- "ida y vuelta" no es por lo que el filamento se calienta. Un voltaje de CC no generaría ondas EM, pero la bombilla seguirá brillando. Tal vez puedas agregar eso a la respuesta. Podría aclarar la confusión de OP.
@ArchismanPanigrahi Sí, por supuesto, el filamento también se calentará cuando se utilice CC en lugar de CA. He actualizado la respuesta para que quede más claro.
Solo una pequeña fracción de la energía viaja "fuera del cable". Si la mayor parte lo hiciera, nada se encendería en los casos de DC. A menos que uno opere a altas frecuencias ( > 10 6 Hz), la potencia radiada por el cable es eclipsada por la potencia conducida por el cable.
Gracias por la respuesta, pero todavía estoy un poco confundido, por lo que entendí, los electrones en movimiento en el cable del circuito NO juegan un papel directo en el calentamiento de la bombilla y no interactúan con los átomos de la bombilla, sino con la onda EM producida por estos electrones transfieren energía a los átomos que calientan el bulbo, ¿mi entendimiento suena bien?

La bombilla se enciende debido a un proceso de varias etapas de conversión de energía:

  1. magnético a eléctrico: en las turbinas/generadores de la planta de energía, un campo magnético se convierte en un campo eléctrico en una bobina debido a la inducción (bueno, el voltaje en la planta de energía también podría ser fotovoltaico, pero consideremos la probabilidad de que eso suceda). origen mucho más bajo a partir de hoy)
  2. eléctrico a cinético : tan pronto como cierra el interruptor de la luz, el campo eléctrico acelera los electrones en relación con los cuerpos atómicos en los cables del circuito desde la planta de energía, a través de la bombilla y de regreso a la planta de energía; dado que esto no puede ocurrir más rápido que la luz, esto se transmite mediante ondas electromagnéticas, y dado que los electrones no pueden mantener una alta velocidad (consulte la etapa 3), la energía electromagnética involucrada puede ser considerable en comparación con la energía cinética de los electrones.
  3. cinético a térmico : los electrones acelerados chocan de nuevo con los cuerpos atómicos después de lo que se denomina la longitud media del camino libre; por tanto, su energía cinética dirigida (corriente) se convierte en el movimiento no dirigido de los átomos (calor); dado que la resistencia en el cable de la bombilla es mayor que en la red eléctrica pública, esta conversión se da preferentemente en la bombilla
  4. térmico a electromagnético: el movimiento no dirigido de los átomos del bulbo hace que los electrones se muevan tan rápido e irregularmente que emiten lo que se llama (en idealización) radiación de cuerpo negro, una mezcla de todo tipo de frecuencias (es decir, colores), que se agrupa alrededor de una cierta frecuencia; la posición de esta distribución de colores de luz en el espectro de frecuencias electromagnéticas está determinada por la temperatura del hilo de la bombilla, por lo que se denomina temperatura de color de la luz emitida; cuanto mayor sea la temperatura, mayor será la frecuencia más ponderada de la radiación; si la temperatura está por debajo de ~400 °C creo que no verás la radiación porque está en el infrarrojo invisible; si la temperatura pudiera superar los 5800 °C, la luz emitida sería más azul que la luz solar natural (pero por supuesto por encima de los 5800 °C inclusolos cables de tungsteno comienzan a evaporarse, por lo que técnicamente no es posible que una bombilla emita una luz azulada)

En cualquier etapa, hay una forma de energía de entrada, una forma de energía de salida y algo que realiza la conversión (un dispositivo técnico, una pieza, etc.). En la última etapa, la entrada es calor, la salida es un campo electromagnético y el cable es el convertidor.

Gracias por la respuesta, pero aún estoy confundido, ¿cuál es el papel de las ondas EM producidas por los electrones en movimiento en los cables y el vector de Poynting en el calentamiento de la bombilla?
Cuando la corriente fluye, la energía se transporta predominantemente en ondas electromagnéticas que rodean los cables. La energía cinética de los electrones es completamente despreciable.
Jagerber48 Pero según esta respuesta, la energía cinética de los electrones libres se transfiere a la energía térmica y eso sucede debido a que los átomos de la bombilla chocan con los electrones libres y no se mencionan las ondas EM que interactúan con los átomos de la bombilla.
@ Jagerber48: lo que quiere decir (ecuaciones de Telegrapher) se aplica principalmente en aplicaciones de alta frecuencia. También se vuelve relevante si desea describir el proceso de encender el circuito con todo su feo detalle, pero tan pronto como la perturbación inicial haya desaparecido (lo que ocurre comparativamente rápido para CC o cerca de CC, es decir, al 50/ 60Hz) las ondas electromagnéticas son completamente aburridas. POR CIERTO. la teoría de la conducción del camino libre medio en la física del estado sólido no es un conejo que saqué de un sombrero, pero está realmente bien establecida.
@oliver Es cierto que la gente a menudo piensa en la teoría de la guía de ondas eléctricas en el contexto de señales eléctricas de mayor frecuencia. Si las ondas EM no son interesantes para las ondas de baja frecuencia (como 50/60 Hz) es una opinión. Si las ondas EM transportan la mayor parte de la energía desde la fuente (central eléctrica en su ejemplo) hasta la carga (bombilla) no es una cuestión de opinión. Las ondas EM transportan la mayor parte de la energía desde la fuente hasta la carga, incluso en circuitos de CC y de baja frecuencia. La energía cinética de los electrones que forman la corriente eléctrica es completamente despreciable.
EN LA BOMBILLA, lo que sucede es que la onda EM que ha viajado desde la fuente entrega energía a los electrones en el filamento de la bombilla, lo que hace que se aceleren dentro del cuerpo del filamento. Debido a las colisiones, la energía EM (de baja frecuencia) se transfiere a través de los electrones a los fonones en la red del filamento, lo que provoca el calentamiento de la red. Este calor luego excita los electrones de valencia y conductancia en el filamento que luego se desintegran y emiten luz (energía EM de alta frecuencia).
Por lo tanto, diría que esta respuesta es mayormente correcta, excepto por el paso 2. Debería haber un paso antes del 2 que explique que la energía se transfiere de la planta de energía a la bombilla a través de ondas EM de baja frecuencia, en lugar de la energía cinética de los electrones en los cables. . Las ondas EM luego entregan energía cinética a los electrones en el bulbo (este es esencialmente el paso 2 como está escrito con algunas modificaciones). El resto de la respuesta es buena.
@Jagerber48: Muchas gracias por responder, creo que ahora entendí todo
@ Jagerber48: He aumentado el paso 2. Como no he hecho una comparación entre la cantidad de energía electromagnética y la energía cinética, he optado por expresar su objeción con mis propias palabras cuidadosas. Espero que puedas vivir con eso.

Los electrones libres reciben energía (más allá de su energía térmica aleatoria) mediante un campo eléctrico que se propaga como una onda. Es por eso que obtienen esta energía extra casi simultáneamente en todo el filamento de la bombilla cuando cierras el interruptor. Esta energía adicional se comparte con los átomos (o iones) del filamento a través de colisiones entre los electrones y los átomos (vibrantes). Entonces el filamento se calienta.

Creo que la palabra confusa en su pregunta es "llevada". Diría que la energía es transportada por ondas electromagnéticas pero dada a los electrones libres y, por lo tanto, al filamento mismo como energía térmica.

Gracias por la respuesta, pero ¿qué pasa con las ondas EM producidas por los electrones libres en movimiento y viajan con la dirección del vector de Poynting que es perpendicular al campo eléctrico? ¿no son ellos los que dan a los átomos de la bombilla la energía para que la bombilla empiece a calentarse?
@NazareneChristianSoldier: No, las colisiones reales con los electrones en movimiento directamente son el principal medio de transferencia de energía de ellos a los átomos en el filamento. Todo funciona básicamente de manera idéntica para el caso de CC, donde la velocidad promedio de los electrones en el filamento como un todo permanece constante con el tiempo. (Los electrones individuales aún se aceleran y luego chocan, después de recorrer el camino libre medio, en promedio).
@Peter Cordes: Entonces, ¿cuál es el papel de EM y el vector de Poynting?
¿Una bombilla brilla debido a la interacción con las ondas electromagnéticas o debido a la interacción entre sus átomos y los electrones en movimiento?
RespuestasAquíPolítica de privacidad1y, 0v