¿Cómo funciona la electricidad residencial?

Question

Estoy tratando de entender cómo funciona la electricidad en mi casa. Vivo en los EE. UU. Sé que en el transformador, el devanado primario induce una corriente en el devanado secundario. El devanado secundario está centrado con una línea "neutral". La línea neutral está conectada a tierra. Aquí está el diagrama:

Aquí están mis preguntas:

1) Cuando el circuito está cerrado, ¿los "hot 1" y "neutral" están ambos "hot"? Es decir, ¿ambos llevan una corriente de 120V que está alternando de un lado a otro?

2) Cuando el circuito está abierto, no hay corriente fluída. Entonces, ¿qué están haciendo los electrones en "hot 1"? ¿Siguen oscilando de un lado a otro? En otras palabras, cuando un conductor está "energizado" pero no pasa corriente por él, ¿cómo se comportan los electrones?

3) Cuando el circuito está abierto, el "neutral" no está "energizado" como el "hot 1". ¿Por qué no? Sé que tiene que ver con estar conectado a tierra, pero no he encontrado una explicación de qué está sucediendo a nivel de electrón. ¿Están los electrones alternando de un lado a otro dentro y fuera de la Tierra en lugar de pasar a través del cable neutro?

Answer 1

Cuando el circuito está cerrado, ¿son calientes tanto el 1 y el neutro? Es decir, ¿ambos están llevando una corriente de 120 V que va y viene?

En primer lugar, "una corriente de 120 V" no tiene sentido. Las unidades de corriente son amperios o amps. Los voltios son una unidad de voltaje (diferencia de potencial), no de corriente.

Puedes tener una corriente de 1 amperio, o un voltaje de 120 V, pero una corriente de 120 V es tan imposible como una longitud de 20 libras o un precio de tres metros.

El cable neutro lleva corriente. La cantidad de corriente está determinada por la carga. Pero su potencial (voltaje) sigue estando muy cerca de tierra, así que si lo tocas mientras tus pies estén en el suelo, no habría un voltaje muy alto aplicado a través de tu cuerpo, y por lo tanto no decimos que esta línea esté "caliente". (En realidad no intentes tocar la línea neutra porque hay varias formas en que tu cableado podría estar defectuoso que podrían hacer que la línea neutral esté caliente y peligrosa)

Cuando el circuito está abierto, no hay corriente fluyendo. Entonces, ¿qué están haciendo los electrones en el cable 1 mientras tanto? ¿Siguen moviéndose de un lado a otro?

Si hay una capacitancia parásita (la hay) entre el cable caliente y ya sea el cable neutro o la tierra real, entonces hasta cierto punto, los electrones en el cable caliente realmente fluirán de un lado a otro cargando y descargando esta "carga" capacitiva.

Cuando el circuito está abierto, el neutro no está "energizado" como el cable caliente. ¿Por qué?

La línea neutra no está energizada ya sea que haya una carga o no. Debido a que está conectada a la tierra real, no puede desarrollar un potencial relativo a la tierra, y por lo tanto si la tocas o conectas una carga entre ella y la tierra, no producirá corriente a través de esa carga. No puede producir un potencial relativo a tierra porque si hubiera un potencial relativo a tierra, una gran corriente fluiría (momentáneamente) y igualaría los potenciales.

Cuando el circuito está abierto, una pequeña corriente podría fluir en la línea neutra debido a las "cargas" capacitivas parásitas que mencioné anteriormente.

Answer 2

1. Cuando el circuito está cerrado, ambos conductores están llevando una corriente que depende de la carga. La frase 'llevando una corriente de 120V' no tiene sentido. No es el caso de que caliente y neutro ambos estén calientes. Caliente siempre está caliente (120V) y neutral siempre es neutral (0V) independientemente de si el circuito está cerrado. Por ejemplo, puedes tocar el cable neutro con el circuito cerrado y no te lastimarás SIN EMBARGO NO intentes realmente este experimento porque hay un riesgo no nulo de que algo esté mal con tu cableado y te puedas lastimar. Por el contrario, puedes tocar el cable caliente con el circuito abierto y definitivamente te lastimarás.

2. Ignorando efectos secundarios como la capacitancia a tierra, los electrones están descansando cuando no hay corriente fluyendo. Por supuesto, todavía se están moviendo físicamente debido al momento, la energía térmica, etc. pero no están moviéndose de ida y vuelta bajo el efecto de un campo eléctrico como lo harían si el circuito estuviera cerrado.

3. Cuando el circuito está abierto, el neutro no tiene corriente fluyendo a través de él. Los electrones están haciendo lo que harían si tuvieras un trozo de cable sobre tu mesa, conectado a nada. No estoy seguro por qué pensarías que los electrones estarían yendo de ida y vuelta hacia la tierra. ¿Si insertas un trozo de metal en la tierra, los electrones van continuamente de ida y vuelta desde el metal hasta la tierra? Incluso si el circuito estuviera cerrado, los electrones no estarían yendo de ida y vuelta hacia la Tierra.

Como comentario adicional, (esta puede ser una opinión impopular/controversial) pero no creo que necesitas saber qué está sucediendo a nivel de electrón para entender la electricidad básica. Incluso a nivel avanzado, las ondas electromagnéticas que los electrones oscilantes están generando son mucho más importantes que los electrones mismos. Solo se vuelve realmente necesario preguntarse '¿qué están haciendo los electrones?' cuando/se estudia la física de semiconductores. Incluso entonces, no necesitas un doctorado en física de semiconductores para diseñar exitosamente un circuito que incluya diodos y transistores (lo cual es bueno, porque esa materia puede volverse seriamente complicada a nivel avanzado). Enfocarse demasiado en el electrón cuando uno comienza a aprender sobre electricidad lleva a conclusiones incorrectas como 'los electrones viajan a la velocidad de la luz en un cable', 'el flujo de corriente convencional es incorrecto', etc.

Answer 3

Lo que te falta entender aquí es que el voltaje no es corriente, es presión. El lado de 120V del circuito tiene mucha presión, lo suficiente como para que bajo malas condiciones puedas ser electrocutado por ella. (Nota que en realidad es la corriente la que mata, el voltaje solo importa en que debe empujar lo suficiente para enviar suficiente corriente a través de ti. Por lo tanto, voltajes extremos sin la corriente detrás de ellos pueden lastimar pero no matar -- por eso no mueres por una descarga eléctrica estática y por eso un profesor mío de hace mucho tiempo no murió cuando cometió un error con 300,000V.)

Vamos a tratar de verlo con agua en lugar de electricidad. Sal afuera, considera el grifo de jardín. Dentro de las tuberías probablemente haya algo en torno a las 60 libras por pulgada cuadrada de presión. (Esto puede variar considerablemente dependiendo de dónde estés, sin embargo). Esto es equivalente a tu cable caliente.

Fuera del grifo no hay presión, esa es tu neutro. Abre el grifo, el agua sale a chorros -- eso es la corriente. Aún tienes presión en las tuberías, sin embargo, y aún no tienes presión fuera de la tubería. La presión del agua no es suficiente para dañarte, aunque -- es más como una batería de 9V que la energía de red.

Answer 4

Basándome en las respuestas y en la lluvia de ideas, desarrollé una explicación:

El devanado primario produce un campo electromagnético que alterna continuamente de polaridad. En cada polo del devanado secundario, los electrones son atraídos al polo por el campo electromagnético, lo que provoca una carga negativa global, o repelidos del polo, lo que provoca una carga positiva global:

La Tierra tiene una carga global balanceada, por lo que si el polo neutro del devanado secundario está conectado a la Tierra, habrá una diferencia de potencial entre él y la Tierra. Los electrones fluirán hacia la Tierra y la carga global del polo neutro del devanado secundario se equilibrará para que coincida con la Tierra:

Si estoy de pie en la Tierra y toco el cable neutro, no habrá diferencia de potencial entre la Tierra bajo mis pies y el polo neutro del devanado secundario. Por lo tanto, no fluirá corriente y no recibiré una descarga:

Si, sin embargo, toco el cable caliente 1, que está conectado al polo donde la carga global es negativa o positiva, habrá una diferencia de potencial entre el polo y la carga equilibrada bajo mis pies. La corriente fluirá y sufriré una descarga eléctrica:

En un circuito cerrado, hay una diferencia de potencial entre el polo caliente 1 y el polo neutro, por lo que la corriente fluye: