Voltaje - Caída de energía

Con respecto al primero, tenemos un suministro de 5v, lo que, según tengo entendido, significa que si pudiera encerrar un culombio de carga que emana del terminal negativo, encontraría que tiene 5 julios de energía.

Este no es el entendimiento típico. Un suministro (fuente) de 5 V (ideal) mantiene una diferencia de potencial de 5 V entre los terminales, independientemente de la corriente que pasa.

De ello se deduce que la fuente realiza 5 julios de trabajo sobre 1 coulomb de carga (positiva) al moverse a través de la fuente desde la terminal más negativa a la terminal más positiva.

Por el contrario, se realizan 5 julios de trabajo en la fuente por 1 coulomb de carga que se mueve a través de la fuente desde la terminal más positiva a la terminal más negativa.

1) ¿Por qué se pierde menos energía pasando por R3 que por R1? o más bien, ¿por qué un electrón tiene más energía después de pasar por R3 que un electrón que pasa por R1?

Hay 5 V en R1 pero solo 2,5 V en R3. ¿Por qué? Hay el doble de corriente a través de R1 que a través de R3.

Si el electrón pierde toda su energía al salir de R1

no lo hace; la energía cinética (promedio) de los electrones que entran es la misma que la de los electrones que salen (la corriente que entra es la misma que la corriente que sale).

Sin embargo, los electrones que salen tienen menos energía potencial.

¿Por qué el valor de la resistencia no tiene efecto sobre la pérdida total de energía de un electrón que pasa por el circuito?

La resistencia tiene un efecto sobre la potencia (velocidad a la que se realiza el trabajo); los electrones deben perder la misma cantidad de energía potencial al viajar a través de la(s) resistencia(s) (en igualdad de condiciones), pero la cantidad de electrones por segundo se reduce cuando se aumenta la resistencia.

La potencia en un circuito se define por P= I x E

P es la potencia en vatios o julios por segundo

I es el flujo de electrones en culombios por segundo o amperios

E es la fuerza electormotriz o voltaje

la energía de los electrones se pierde en calor

tu primera pregunta

la fuente de alimentación solo ve el circuito como un todo, no ve las resistencias individuales para R1, la resistencia total del circuito es de 25 ohmios, por lo que la corriente entregada al circuito sería I = V / RI = .2 amperios (estoy sin incluir la resistencia del conductor porque en la mayoría de los casos es muy pequeña en comparación con la carga R1 en este caso, pero la fuente de alimentación sí lo ve) dado que R1 es la única resistencia en el circuito, todo el voltaje y la potencia se reducen. la potencia requerida para mover los electrones a través del alambre. Entonces, cuando el electrón sale de R1, todavía tiene suficiente energía para superar la resistencia del conductor.

en tu segundo circuito R2 y R3

R3 tiene menos caída de voltaje, por lo que si usa P = IXE para R3, la caída de voltaje en la resistencia es de 2,5 V, la corriente en el circuito es I = V / (R2 + R3) = 0,1 amperios, por lo que la pérdida de potencia en R3 sería .25 vatios, la razón por la que R1 está recibiendo más potencia es que es la única resistencia en el circuito, por lo que la potencia total del circuito cayó en R1. En el circuito R2 R3, cada resistencia reduce la mitad de la potencia ya que tienen la misma resistencia

tu segunda pregunta

el electrón todavía tiene energía que sale de R1 porque no todo el voltaje del circuito cae a través de R1, aunque se cae un voltaje muy pequeño a través del cable o conductor mismo. la fuente de alimentación ve la carga como RW+R1. RW = la resistencia del cable

la pregunta 3 también debe responderse arriba

Me gustaría comenzar con un aparte un poco pedante: creo que deberías tratar de evitar la frase de electrones "que tienen energía"; lo que tienen es energía potencial, y la energía potencial es relativa. Es importante recordar esto.

La pregunta 2 es trivial, así que la responderé primero: no existe la resistencia cero, por lo que es mejor pensar que el cable de R3 al terminal negativo de la batería es simplemente una resistencia mínima; si tuviéramos que reescribir el problema de esta manera, veríamos que queda algo de voltaje para transportar los electrones de regreso a la batería.

Creo que las preguntas 1 y 3 se pueden resumir en una sola pregunta: qué es diferente, desde el punto de vista del electrón, entre una resistencia con 0,2 amperios de corriente y una resistencia con 0,1 amperios de corriente. ¿Por qué el electrón parece experimentarlos de manera diferente?

Solo se puede llegar a una respuesta completamente precisa a través de la mecánica cuántica, pero un modelo precuántico, el modelo Drude, proporciona un resultado relativamente intuitivo, físicamente significativo y sorprendentemente preciso. No entraré en matemáticas, porque puedes encontrarlo en Wikipedia, y básicamente estaría copiando eso, pero intentaré darte una respuesta cualitativa, que creo que falta un poco en el artículo de Wikipedia.

Podemos pensar en una resistencia como un gas de electrones de valencia libres, intercalados con átomos que, desde el punto de vista del electrón, son objetos inmóviles. Los electrones rebotan entre ellos, pero debido a que hay un campo eléctrico que los empuja en una dirección, tienden a desplazarse en esa dirección; llamamos a esto corriente. Dado que la carga de una resistencia en estos problemas es neutra, la cantidad de electrones no cambia con el voltaje o la corriente; un voltaje más alto simplemente significa que los electrones se aceleran más entre colisiones y, por lo tanto, su velocidad promedio, que siempre es en la dirección de la corriente, es mayor.

Sin embargo, debido a que los electrones se mueven más rápido, el "tiempo libre medio", el tiempo promedio entre colisiones, es más corto; chocan con los átomos más a menudo. Debido a que es tan probable que una colisión empuje al electrón hacia atrás como hacia adelante, más colisiones significan menos progreso; Aproximadamente la mitad de las colisiones convierten el trabajo que hizo el campo acelerando el electrón hacia adelante en un movimiento hacia atrás.

Sé que dijiste que no te gustaban las analogías, pero déjame probar una mala de todos modos: es más fácil caminar por un bosque que correr. (Esto es malo porque obviamente puedes evitar los árboles, pero un electrón no puede, pero lo que sea. Lo intenté. Una analogía casi perfecta sería una tabla con un montón de clavos en un ligero ángulo; cuanto más inclinado sea el ángulo, cuanto más problemas tendría una canica para atravesar; aún lo haría más rápido, pero saldría por el otro extremo habiendo perdido una mayor parte de su energía potencial a causa de los clavos).

Primero, un par de apartes:

A. Cuando se dibujan circuitos, la convención es que las líneas rectas representan conductores perfectos. Cualquier resistencia real se muestra como una resistencia y, por lo tanto, se incluye en cualquier caída de IR. No vas y dices "bueno, hay algunas otras resistencias". Si son importantes, se muestran. El análisis de circuitos de diagramas se realiza con esta suposición. Lo mismo para cualquier capacitancia o inductancia perdida. Si son importantes, las muestras.

B. Las cargas individuales no tienen energía potencial; Los sistemas de cargas tienen energía potencial.

C. El consumo de energía de un sistema de circuito cerrado es cero. La batería suministra energía y las resistencias consumen energía en este circuito. El consumo de energía se calcula para cada elemento y luego se suma. se calcula con$P_{consumed}= IV$, con$I$siendo la corriente convencional que viaja desde el extremo de alto potencial hasta el extremo de bajo potencial ($I$puede ser negativo).

La corriente a través$R_1$es 0,20 A y el voltaje es 5 V. La potencia consumida por la resistencia es 1 W. La corriente a través de la batería es 1 A, de potencial bajo a alto, a través de 5 V. La potencia "consumida" por la batería es -1 W, lo que significa que ha suministrado energía a razón de 1 J/s. La potencia total consumida en el circuito cerrado es de 0 W.

Para el segundo circuito, la corriente en todos los elementos es de 0.10 A. El voltaje a través de$R_2$es de 2,5 V y la potencia consumida es de 0,25 W. Lo mismo vale para$R_3$porque es la misma resistencia. La potencia consumida por la batería es de -0,5 W. La potencia total consumida por el circuito cerrado es de 0 W.

Ahora, la respuesta real de por qué los electrones continuaron moviéndose en el circuito es la conservación de la carga y la continuidad del flujo . La carga no se acumula en ninguna parte (como un capacitor) y la batería cambia continuamente la energía de los electrones.

La resistencia total tiene un efecto. Cambia la tasa de flujo de los electrones, lo que cambia tanto la tasa de suministro de energía de la batería como la tasa de consumo de energía de las resistencias.

Tu pregunta es correcta pero imagina una pelota a cierta altura; Entonces, la pelota tiene energía potencial y cuando se mueve hacia la superficie de la tierra, pierde algo de energía debido al aire, pero otra parte de la energía se usa para generar velocidad y esta velocidad es solo cero cuando golpea la superficie de la tierra: esto significa que cuando un electrón golpea con una placa positiva, luego su energía se vuelve cero, lo que significa que cuando los electrones salen de la resistencia, entonces tienen energía y se volverá cero cuando golpean con una placa positiva. esto significa además que cuando está midiendo el voltaje a través de la resistencia, indica que se da energía de 5J a menos una carga de Coulomb, pero no indica que se use energía de 5J.