¿Cómo sabe la corriente cuánto fluir, antes de haber visto la resistencia?

No estoy seguro de si esto es lo que está preguntando, pero sí, cuando la batería está conectada, una onda de campo eléctrico viaja desde la batería por los cables hasta la carga. Parte de la energía eléctrica es absorbida por la carga (dependiendo de la ley de Ohm), y el resto se refleja en la carga y regresa a la batería, parte es absorbida por la batería (ley de Ohm nuevamente) y parte se refleja en la batería, etc. Finalmente, la combinación de todos los rebotes alcanza el valor estable de estado estacionario que esperaría.

Por lo general, no lo pensamos de esta manera, porque en la mayoría de los circuitos sucede demasiado rápido para medirlo. Sin embargo, para líneas de transmisión largas es medible e importante. No, la corriente no "sabe" cuál es la carga hasta que la onda la alcanza. Hasta ese momento, solo conoce la impedancia característica o "impedancia de sobretensión" de los cables mismos. Todavía no sabe si el otro extremo es un cortocircuito o un circuito abierto o alguna impedancia intermedia. Solo cuando la onda reflejada regresa puede "saber" qué hay en el otro extremo.

Consulte Ejemplo de reflexión de circuito y Efectos de línea de transmisión en sistemas lógicos de alta velocidad para ver ejemplos de diagramas de celosía y un gráfico de cómo cambia el voltaje en pasos a lo largo del tiempo. Consulte Terminación de una línea de transmisión para ver una simulación animada de diferentes terminaciones que puede modificar, y esto para ver un ejemplo de interruptor de luz.

Y en caso de que no lo entiendas, en tu primer circuito, la corriente es igual en todos los puntos del circuito. Un circuito es como un circuito de tuberías, todo lleno de agua. Si haces que el agua fluya con una bomba en un punto, el agua en todos los demás puntos del circuito tiene que fluir a la misma velocidad.

Las ondas de campo eléctrico de las que estoy hablando son análogas a las ondas de presión/sonido que viajan a través del agua en la tubería. Cuando mueve el agua en un punto de la tubería, el agua en el otro extremo de la tubería no cambia instantáneamente; la perturbación tiene que propagarse por el agua a la velocidad del sonido hasta llegar al otro extremo.

Dado que se ha cubierto la teoría, iré con una analogía aproximada (espero que esté entendiendo lo que está preguntando correctamente, no está tan claro)

De todos modos, si imaginas una bomba (la batería), unas tuberías llenas de agua (los cables) y una sección donde la tubería se estrecha (la resistencia)
El agua siempre está ahí, pero cuando enciendes la bomba crea presión (voltaje). ) y hace circular el agua por el circuito (corriente). El estrechamiento de la tubería (resistencia) restringe el flujo (corriente) a una cierta cantidad y provoca una caída de presión a través de ella (voltaje a través de la resistencia, en este caso igual a la batería)

Con el segundo circuito (dos resistencias en paralelo) es razonablemente claro que la misma cantidad de corriente que fluye hacia la unión superior debe fluir desde la unión inferior (ver Kirchoff). Si las resistencias son iguales, entonces compartirán la corriente. igualmente. esto se puede considerar como un tubo grande (cable) que se divide en dos tubos más estrechos (resistencias) y luego se fusiona de nuevo en un tubo grande. Si son desiguales, uno tomará más flujo (corriente) que el otro, pero el total de salida siempre se sumará al total de entrada.

Podría hacer la misma pregunta con la analogía del agua: ¿cómo "sabe" el agua cuánto fluir? Porque está limitado por el ancho de las tuberías y la presión de las bombas.

EDITAR: parece que la pregunta que se hace es un poco diferente de lo que supuse inicialmente. El problema es que hay algunas respuestas diferentes (como puede ver) en diferentes niveles de abstracción, por ejemplo, desde la ley de Ohm hasta Maxwell y la física cuántica. A nivel de electrones individuales, creo que podría tener un problema debido a la dualidad de onda de partículas y el doble camino (ver el experimento de doble rendija con fotón) mencionado por Majenko.
Tenga en cuenta que la razón por la que dije anteriormente que "el agua siempre está ahí" es porque los electrones en sí mismos no fluyen a ~ 2/3 de la velocidad de la luz alrededor de un circuito, sino que la energía de uno se propaga al siguiente (más o menos) etcétera. Un poco como pelotas que rebotan aleatoriamente y entre sí, con una tendencia general promedio a rebotar en la dirección del potencial aplicado. Una forma más sencilla de pensarlo es como una línea de bolas de billar: si golpea la bola blanca en un extremo, la energía se "transmitirá" a través de todas las bolas (aunque en realidad no cambiarán de posición) y luego la bola en el otro extremo se romperá.
Tengo la sensación de que la explicación cuántica podría ser algo así: solo podemos predecir la probabilidadque un electrón individual "elegirá" un camino (o estará en un área particular) pero el proceso no sería observable directamente (es decir, física teórica)

De cualquier manera, creo que esta es una excelente pregunta y necesita una buena respuesta (intentaré mejorar esta si el tiempo lo permite), aunque en el nivel más bajo puede tratarse mejor en la pila de física.

Al principio, la corriente realmente no lo sabe. Suponiendo un gran interruptor de dibujos animados en la línea, cuando está abierto, representa una gran impedancia. La carga (capacitiva) se acumula a cada lado; específicamente, los electrones se amontonan en la terminal negativa y la terminal positiva carece de la misma cantidad de electrones normales (carga de imagen). El flujo de corriente es insignificante (fA*), por lo que no hay caída de potencial en la resistencia. Los electrones no tienen movimiento o flujo neto porque la repulsión electrostática con sus vecinos, incluido el grupo grande en el interruptor, es igual a la fuerza de la polarización del campo eléctrico externo.

Cuando el interruptor se cierra por primera vez, los electrones adicionales cerca del interruptor pasan rápidamente al otro contacto, llenando la carga de la imagen. Ahora que no hay un gran grupo de electrones acosadores que se niegan a moverse y empujan hacia atrás, el resto se vuelve loco ^{_{(¡ja! Aunque no en realidad )}} y comienza a deslizarse por el circuito.

Los que están dentro y cerca de la resistencia se encuentran... resistencia (vamos, tenía que hacerlo) . No hay tantos electrones o sitios libres, por lo que, al igual que la gran impedancia que presentaba antes el interruptor, la carga se acumula en cada extremo a medida que los cabrones impacientes se pelean por un lugar en la fila. Continúa acumulándose hasta que se alcanza el equilibrio: el campo electrostático del grupo de electrones que esperan atravesar la resistencia es igual a la polarización del campo eléctrico externo.

En este punto, la corriente sabe cuánto fluir y no cambiará [hasta que se dé cuenta de que colocó una resistencia de 1,3 ohmios en lugar de 1,3 kohmios, y se fríe y abre los circuitos nuevamente].

Si la fuente fuera totalmente eliminada del sistema al principio, no habría carga capacitiva inicial. Una conexión instantánea con la fuente (interruptor DPST) daría lugar a un campo eléctrico que se propaga a lo largo del cable cerca de c , acelerando y arrastrando electrones junto con él, y provocando el mismo amontonamiento del tipo estadio de fútbol en las resistencias. En el caso de resistencias en paralelo, sin embargo, las puertas de dicho estadio pueden tener diferentes anchos, por lo que las corrientes de equilibrio serán diferentes.

¿Cómo "sabe" la corriente en el delta de un río qué rama tomar? "Corriente" en cada caso significa el flujo agregado de moléculas de agua o electrones, así que primero, reemplace la pregunta con "¿Cómo sabe cada electrón (o molécula) qué camino tomar?" no lo hace; simplemente será arrastrado por el flujo inmediatamente local y, a nivel microatómico o atómico, ocupará el lugar del que parte justo delante de él. Entonces, ¿qué sucede justo en el punto de la divergencia? Para nuestros ojos macro, la dirección que toma es aleatoria, distribuida como la(s) relación(es) de las corrientes de las ramas. En el nivel más bajo, alguna pequeña perturbación lo empujará hacia un lado o hacia el otro.

(Descripción / analogías muy aproximadas, lo sé; perdone las inexactitudes implícitas).

"Saber" cuánto fluir implica conocimiento, lo que implica inteligencia.

La corriente no es inteligente y no fluye per se. La corriente es atraída o "atraída" por la carga, en este caso, las resistencias.

La cantidad de corriente que consume la carga está determinada por la Ley de Ohms:

$I=\dfrac{V}{R}$

En el primer circuito que es bastante simple de calcular.

El segundo circuito es un poco más complejo. Calculador$I_S$es bastante simple, siempre que pueda calcular la resistencia total:

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

o

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

La cantidad de corriente que fluye a través de cada resistencia está determinada por la relación de las dos resistencias. Si las resistencias son iguales, entonces fluirá exactamente la mitad de la corriente a través de cada una. Si$R_1$es dos veces$R_2$, entonces un tercio de la corriente fluirá a través$R_1$, y dos tercios hasta$R_2$(Tenga en cuenta que la relación actual es lo opuesto a la relación de resistencia).

En realidad, la corriente no sabe cuánto fluir en t=0.

Cada resistencia tiene cierta capacitancia, ya que consisten en los lados conductores separados con un aislante (aunque no perfecto). Debido a esta capacitancia, en t=0, la corriente se acelera tanto como la fuente de alimentación puede suministrar. Luego se ralentiza después de un tiempo a su valor normal. Cada resistor práctico se puede modelar como un resistor y un capacitor en paralelo. Entonces, su primer circuito es en realidad un circuito RC paralelo.

Además, no olvide que el campo E (campo eléctrico) crea el campo B (campo magnético) y viceversa. Cuando aplica un voltaje a través de la resistencia, lo que hace es crear un campo eléctrico dentro de la resistencia. Lo que provoca un cambio en el estado del campo eléctrico (aumenta el campo eléctrico de cero a un valor distinto de cero). El cambio en el campo eléctrico crea un campo magnético y finalmente crea un flujo de corriente.

Consulte las ecuaciones de Maxwell para obtener más información.

¿Cómo sabe la corriente? Sabe debido a la mecánica estadística (con Boltzman y luego Fermi-Dirac involucrados, y luego Maxwell), cuando los fermiones (electrones) a una temperatura particular tienden a ocupar el volumen del conductor (metal) cuando los electrones vuelan libres como partículas de gas ideal y rebotan contra los átomos. La velocidad (energía) de las partículas individuales es de aproximadamente 1K millas por segundo (menos que la velocidad de la luz), la velocidad de deriva es de unos pocos milímetros por segundo (ver wiki "velocidad de deriva"). La distancia promedio de vuelo libre de los electrones define la "conductividad". Para el observador del flujo de electrones, el comportamiento de los electrones parecerá una tendencia de las partículas a mantener la "electroneutralidad", cuando cada parte local del conductor contiene aproximadamente la misma cantidad de electrones y protones. Los electrones están cargados, por lo que aplican una fuerza de repulsión entre sí. La participación de la fuerza, la velocidad y la masa a lo largo del tiempo significa que se emiten y absorben fotones virtuales durante la aceleración y desaceleración de los electrones. Estos fotones se propagan mucho más rápido que las partículas y crean "presión". En general, dependiendo del material, la velocidad de la pared de presión está cerca de la velocidad de la luz. Se puede llamar "ola". El resto de la historia se explica mejor con Endolith arriba.

Los números para el cobre a temperatura ambiente se pueden ver en este artículo .

TLDR: gas de electrones ideales con mecánica estadística->Boltzman->Fermi-Dirac->Maxwell->Ohm

Nadie mencionó el hecho de que todos los esquemas adoptan el llamado modelo de elementos agrupados .

En un esquema, un cable no es un cable en el sentido común, es una relación simplificada entre nodos. Si quisiera describir paso a paso lo que sucede con la corriente (o lo que "siente") a lo largo de un cable, tendría que dibujar una serie infinita de elementos pasivos.

La mejor analogía que me ayudó a entenderlo realmente rápido y fácil, la conocí en algún lugar de Internet, pero no puedo señalar la fuente en este momento. Si alguien sabe dónde está, hágamelo saber, para que esto pueda incluirse. La analogía es muy corta y esta será una respuesta muy corta. Nada de fórmulas. Por lo tanto, es un poco no científico, pero es una analogía elegante y realmente fácil de imaginar y comprender para el ser humano.

La mayoría de la gente imagina circuitos simples como los de los ejemplos, como un tubo vacío o una tubería llena de agua. Esto se debe en parte a la analogía del flujo de agua prolífica.

En realidad, es mucho más como un tubo lleno de bolas sólidas como un tubo de bolos. Ese tubo está lleno de bolas en línea de punta a punta y no hay espacios entre ellas. Cuando empujas la pelota en un extremo, todas las pelotas recorren la misma distancia .

Este movimiento es la corriente de electrones y la fuerza necesaria para mover las bolas es el voltaje aplicado.

Otra fuente de confusión es la oración del "camino de menor resistencia". Alguien puede imaginarse a una persona en la encrucijada que elige 1 de 3 caminos posibles. Cuando una persona toma un camino, todas las personas van por ese camino, y así es exactamente como la corriente NO FLUYE . En cambio, la corriente se "dividirá" y fluirá en todas las direcciones posibles, pero proporcionalmente a la resistencia en esas formas. A veces, la resistencia es tan alta, que la cantidad actual es tan pequeña, que es beneficioso ignorarla para simplificar.

En realidad, las ondas tienen mucho que ver, hasta que se alcanza un estado estacionario. Inicialmente, incluso el circuito más simple hecho de una batería, un interruptor, un cable y una resistencia es una línea de transmisión, rodeada de ondas electromagnéticas, y requiere un análisis transitorio para comprender. Este análisis transitorio responderá a la pregunta inicial de este blog, si entiendo la pregunta... Incluso la batería es compleja e inicialmente, hasta que se alcanza el estado estacionario, requiere un análisis que se rige por maxwells eqn, y más. En años anteriores, DC101 se enseñó inicialmente usando la analogía del agua en las tuberías, etc. También se dibujaron analogías para la inductancia y la capacitancia. Es una excelente manera de ayudar a alguien a comprender DC, si tiene cinco minutos para enseñárselo, y la ley de ohmios es lo más lejos que llevará a su estudiante.

Tu pregunta es un poco confusa y no veo cómo las ondas tienen algo que ver con esto. Sin embargo, la ley básica de Ohm es fácil de explicar en tu ejemplo. Ambas resistencias tienen voltaje.$V_S$a través de ellos. Eso significa que la corriente a través de ellos será$\frac{V_S}{R}$. Específicamente

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$es simplemente la suma de las dos corrientes a través de las resistencias:

$I_S = I_1 + I_2$

Puedes obtener$I_S$otra forma, considerando la resistencia equivalente de$R_1$y$R_2$en paralelo.

En general:$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Usando la ley de Ohm nuevamente, es sencillo calcular Is:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

Tenga en cuenta que esta es la misma respuesta que la anterior, donde calculamos la corriente a través de cada resistencia y las agregamos para obtener$I_S$:

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Es como una autopista llena de autos donde la autopista es el conductor y los autos son los electrones. Si hay obras viales más adelante que limitan la autopista de tres a un carril, todos los carriles se ralentizarán y los coches que se encuentren a 20 millas de distancia tampoco podrán ir más rápido en la sección de tres carriles porque los coches de delante no se lo permitirán.