Resistencia y tensión

Question

Considerando este sencillo circuito :

Se supone que el potencial es constante a lo largo de cada cable (porque son conductores), de forma que el cable izquierdo en su totalidad está al mismo potencial que el borne positivo de la batería y lo mismo ocurre con el cable derecho y el borne negativo de la batería.

¿Qué ocurre exactamente con el potencial dentro de la resistencia?

Answer 1

Permítanme primero desviarme un poco de este circuito hacia los aceleradores de partículas.

Si tienes unos electrones en el vacío y un potencial establecido entre dos puntos (exactamente lo mismo que decir que tienes un campo eléctrico establecido) puedes acelerar tus electrones. Si mueves un solo electrón a través de $1V$ de potencial que gana el electrón $1eV$ de energía donde $e$ es la carga del electrón. Moviéndose a través de $2V$ da el electrón $2eV$ de energía, etc. Así que puedes ver que mover una carga a través de un potencial cambia la energía de las cargas. Así que en cierto sentido puedes decir que la energía que obtienes de tu acelerador es $E=qV$ donde $V$ es la tensión que ha configurado y $q$ es la carga total de todos sus electrones.

Así que volviendo a su circuito se puede ver que tiene $1V$ a la izquierda de la resistencia y $0V$ a la derecha.

Cuando los electrones salen de la pila, cada uno de ellos tiene $1eV$ de energía. En el circuito idealizado no ocurre nada hasta que los electrones llegan a la resistencia. En ese momento, el electrón colisiona con los iones de la resistencia (o con los fonones, si sabes lo que son, pero no importa) y cede parte de su energía a la red de iones. Esto ocurre lo suficiente como para que el electrón no tenga energía cuando abandona la resistencia. (Esto no es estrictamente cierto, pero lo que realmente importa es que la diferencia de potencial entre los dos lados de la resistencia es $V$ . Realmente tienes $V+\delta$ yendo a $\delta$ ).

Así que de lo que dije antes sobre la energía ganada cuando mueves cargas a través del potencial obtenemos la ecuación $E=qV$ . Así que si los electrones pierden energía debe haber una caída de tensión ya que la carga no puede cambiar (no se puede perder o ganar electrones del cable).

Answer 2

¿Qué ocurre exactamente con el potencial dentro de la resistencia?

A diferencia de los conductores ideales, para los que no puede existir un campo eléctrico en su interior, existe un campo eléctrico a través del cuerpo de la resistencia cuando hay una corriente a través.

Y, como ya sabrán, el tipo de cambio en el potencial eléctrico está relacionado con el valor del campo eléctrico. Por lo tanto, el potencial debe cambiar de un extremo a otro de la resistencia.

Los electrones que se mueven a través de la estructura de la resistencia chocan con la estructura cediendo energía cinética en el proceso. El campo eléctrico interior acelera los electrones de forma que, por término medio, salen de la resistencia tantos como entran en ella (la carga no se acumula en el interior de la resistencia).

¿De dónde procede el campo eléctrico? La densidad de carga de electrones en un extremo de la resistencia es mayor que en el otro. De hecho, la densidad de carga de electrones debe ser mayor en uno de los extremos de la resistencia que en el otro. conductores que el otro, ya que existe una diferencia de potencial (tensión) entre los conductores.

En resumen, existe un campo eléctrico a través del cuerpo de la resistencia que actúa para "mantener los electrones en movimiento" a pesar de las colisiones con la estructura de la resistencia. Asociado a este campo eléctrico hay un cambiar en potencial eléctrico.