¿Qué ocurre cuando conectamos un hilo metálico entre los 2 polos de una pila?

Question

Como recordaba, en los 2 polos de una pila se reúnen cargas eléctricas positivas o negativas. Así que habrá campo eléctrico existente en la batería. El poder químico de la pila neutraliza este campo, de modo que las cargas eléctricas permanecen en los polos.

Como hay cargas eléctricas en ambos polos, también debe haber campos eléctricos fuera de la batería. ¿Qué ocurre cuando conectamos un cable metálico entre los 2 polos de una pila? Recuerdo vagamente que el alambre tiene la capacidad de restringir y remodelar el campo eléctrico y mantenerlo dentro del alambre tal vez como un tubo de campo eléctrico. Pero, ¿es eso cierto?

Answer 1

Sí Sam, definitivamente hay remodelación del campo eléctrico en el alambre. Extrañamente, no se habla de ello en casi ningún texto de física, pero hay acumulaciones de carga superficial a lo largo del alambre que mantienen el campo eléctrico en la dirección del alambre. (Nota: se trata de una distribución de carga superficial, ya que cualquier carga extra en un conductor residirá en la superficie). Es el cambio en, o gradiente de, la distribución de carga superficial en el alambre que crea, y determina la dirección de, el campo eléctrico dentro de un alambre o resistencia.

Por ejemplo, la densidad de carga superficial en el cable cerca del terminal negativo de la batería será más negativa que la densidad de carga superficial en el cable cerca del terminal positivo. La densidad de carga superficial, a medida que se recorre el circuito, cambiará sólo ligeramente a lo largo de un buen cable conductor (por lo tanto, el gradiente es pequeño y sólo hay un pequeño campo eléctrico). Las esquinas o curvas en el alambre también causarán acumulaciones de carga superficial que harán que los electrones fluyan alrededor en la dirección del alambre en lugar de fluir hacia un callejón sin salida. Las resistencias insertadas en el circuito tendrán una densidad de carga superficial más negativa en un lado de la resistencia en comparación con el otro lado de la resistencia. Este mayor gradiente en la distribución de la carga superficial cerca de la resistencia provoca un campo eléctrico relativamente mayor en la resistencia (en comparación con el cable). La dirección de los gradientes para todas las densidades de carga superficial mencionadas determina la dirección de los campos eléctricos.

Esta pregunta es muy fundamental, y a menudo la gente la malinterpreta o no la tiene en cuenta. Todos estamos adoctrinados para suponer que una pila crea un campo eléctrico en el cable. Sin embargo, cuando alguien pregunta "¿cómo llega el campo al cable y cómo sabe el campo qué camino tomar?", rara vez se le da una respuesta directa.

Una pregunta complementaria podría ser: "Si las acumulaciones de carga superficial distinta de cero son responsables del tamaño y la dirección del campo eléctrico en un cable, ¿por qué un circuito normal con una resistencia no ejerce una fuerza eléctrica sobre una bola de médula cercana a partir de toda la carga acumulada en el circuito?". La respuesta es que sí ejerce una fuerza, pero la carga superficial y la fuerza son tan pequeñas para voltajes y condiciones de funcionamiento normales que no se nota. Si conectas una fuente de 100.000 V a una resistencia, podrías medir la acumulación de carga superficial y la fuerza que podría ejercer.

He aquí una manera más de pensar en todo esto (disculpen la extensión de este post, pero hay tanta confusión sobre esta cuestión que merece el detalle apropiado). Todos sabemos que existe un campo eléctrico en un cable conectado a una batería. Pero el cable puede ser tan largo como se desee y, por tanto, estar tan lejos de los bornes de la batería como se desee. La carga en los bornes de la batería no puede ser la única responsable del tamaño y la dirección del campo eléctrico en la parte del cable que está a kilómetros de distancia, ya que el campo se habría extinguido y reducido demasiado allí. (Sí, un plano infinito de carga, u otras configuraciones convenientemente exóticas, pueden crear un campo que no disminuya con la distancia, pero no estamos hablando de nada parecido). Si la carga cerca de los terminales no determina directa y únicamente el tamaño y la dirección del campo eléctrico en la parte del cable que está a kilómetros de distancia, alguna otra carga debe estar creando el campo allí (Sí, se puede crear un campo eléctrico con un campo magnético cambiante en lugar de una carga, pero podemos suponer que tenemos una corriente constante y un campo magnético no variable). El mecanismo físico que crea el campo eléctrico en la parte del cable que está a kilómetros de distancia es un pequeño gradiente de la distribución de carga superficial distinta de cero en el cable. Y la dirección del gradiente de esa distribución de carga es lo que determina la dirección del campo eléctrico allí.

En el libro de texto "Matter and Interactions" (Materia e Interacciones) se ofrece una descripción excepcional y absolutamente hermosa de cómo y por qué la carga superficial crea y moldea el campo eléctrico en un alambre: "Materia e Interacciones: Volumen 2 Interacciones Eléctricas y Magnéticas" de Chabay y Sherwood, Capítulo 18 "Una vista microscópica de los circuitos eléctricos" pg 631-640.

Answer 2

Cuando los 2 electrodos están a diferente potencial se establece un campo eléctrico. Las cargas eléctricas se reunirán en los dos polos. Cargas positivas en el cátodo y cargas negativas en el ánodo. Si los dos electrodos no están conectados por un conductor externo no podrán salir de la superficie de los electrodos y simplemente se acumularán allí produciendo una tensión de circuito abierto. En cuanto los dos electrodos estén conectados por un conductor, las cargas fluirán por las fuerzas del campo eléctrico en la dirección adecuada. Si el cable de conexión no tiene resistencia o tiene una resistencia casi nula, se producirá un cortocircuito y fluirá una corriente enorme, sólo limitada por la resistencia interna de la pila. Si los electrodos están conectados por un conductor a través de una resistencia, entonces la corriente estará limitada según la ley de Ohm.

$I = \frac{V}{R+r}$ donde $I$ es la Corriente, $V$ es la tensión entre los electrodos, $R$ es la resistencia externa y $r$ es la resistencia interna de la batería.

(Nota: La reacción química no neutraliza el campo eléctrico, sino que lo mantiene. No se produce ninguna remodelación del campo. Las cargas se mueven a través del conductor ya que es el camino de menor resistencia. Es similar al flujo de agua a través de una tubería desde un depósito. El agua fluye porque existe una diferencia de presión. El flujo de agua no depende de la orientación de la tubería, sólo depende de la diferencia de presión en los dos extremos. El campo gravitatorio no se remodela a través de la tubería. Del mismo modo, no se produce ninguna remodelación del campo eléctrico. Sólo importa la diferencia de tensión entre los dos terminales).

Comentarios adicionales para los que piensan que el campo eléctrico puede remodelarse en un conductor a lo largo del conductor :

Se trata simplemente de redes conectadas en triángulo y en estrella. Ahora bien, si el campo eléctrico pudiera remodelarse, las líneas de fuerza se cruzarían en tres puntos para las redes delta y en un punto para las redes estrella. Pero todos sabemos que las líneas de fuerza no pueden intersecarse. Por lo tanto, no se produce ninguna remodelación de las líneas de campo.

Answer 3

Antes de conectar el cable, el campo eléctrico (al menos teóricamente, esto requiere que ignores todo lo demás en el universo, incluido el contenido de la pila) está formado por una carga + y una carga -. En una batería de coche normal, estos puntos están separados unos 10 ó 20 cm.

En realidad, la carga se distribuye de forma muy complicada. Por ejemplo, si la batería de tu coche tiene una capacidad nominal de 1.000 amperios-hora, puedes calcular la "carga" observando que un amperio-segundo es un culombio, por lo que un amperio-hora son 3.600 x 1.000 culombios. Pero, en realidad, estas cargas se mantienen químicamente en el interior de la batería y no aparecen en los electrodos hasta que se extrae parte de la carga que hay allí. Así que para calcular la carga inicial sólo necesitas saber el voltaje y la configuración de los cables. Luego es cuestión de electrostática calcular la distribución de la carga.

Después de conectar el cable, la corriente empieza a fluir en función de la resistencia del cable. El cable tendrá un voltaje decreciente de un extremo al otro. Como el campo eléctrico viene dado por el gradiente de la tensión, esto significa que el campo eléctrico a lo largo del cable apuntará hacia abajo.

Por cierto, esto le ocurrió accidentalmente a una batería de la parte trasera de su todoterreno. Por desgracia, ocurrió junto a un bidón de gasolina. El fuego resultante destruyó su vehículo segundos después de que él condujera hasta el arcén y saltara de él.