¿Electrones de la corriente en un circuito?

Question

Tengo un circuito tradicional (un cable conductor, una fuente de voltaje y una resistencia). La fuente de voltaje puede ser una batería en este caso.

Mis preguntas son:

• ¿De dónde vienen los electrones que fluyen en el circuito? ¿Vienen del cable o de la fuente de voltaje? Supongo que vienen del cable en sí mismo ya que el conductor tiene electrones en su último nivel que puede deshacerse fácilmente?
• Al observar el voltaje en términos primitivos: ¿Es una especie de fuerza de repulsión? Por ejemplo, ¿una fuente de voltaje negativa repelerá electrones en el conductor, causando así una corriente? ¿Es correcto?

Answer 1

Los electrones están presentes en cada átomo.

En materiales como los metales (buenos conductores) los electrones más externos están muy débilmente ligados al núcleo y tienden a moverse aleatoriamente en la matriz del material, dejando 'huecos' en la estructura electrónica normalmente neutra del átomo.

Estos electrones 'libres' obtienen su energía de la energía térmica. Cualquier electrón individual (carga negativa) que pase cerca de un 'hueco' cargado positivamente será atraído y puede llenar ese espacio. Puede luego permanecer allí por un tiempo y moverse. Es un proceso muy aleatorio/caótico.

El resultado es que el material permanece eléctricamente neutral a pesar de que miles de millones de electrones libres están vagando aleatoriamente en todas direcciones en cualquier momento dado. No hay una deriva neta en una dirección particular.

En una batería producimos una diferencia de potencial o voltaje acumulando y manteniendo un exceso o déficit de electrones en los terminales. Ten en cuenta que la carga se produce en pares, por lo que siempre hay cantidades iguales de electrones y huecos.

Un terminal es positivo (déficit de electrones, excedente de huecos) y el otro es negativo (excedente de electrones, déficit de huecos). Esta acumulación y mantenimiento de carga en exceso requiere energía proporcionada por una reacción química dentro de la batería.

Cuando se completa un circuito la corriente fluye casi instantáneamente. Esto depende del alambre pero es en algún lugar entre el 0.5 y 0.9 veces la velocidad de la luz.

Esto no puede ser el movimiento físico (de deriva) de los electrones debido al campo eléctrico aplicado, ya que la velocidad de deriva de los electrones es mucho (mucho) más baja (ver https://es.wikipedia.org/wiki/Velocidad_de_deriva). Debe ser una onda electromagnética.

Un experimento mental: Imagina que en el extremo del terminal negativo de la batería un (exceso) electrón se mueve desde el terminal hacia el alambre. Este minúsculo pulso de corriente (cambio en el campo eléctrico) se transmite a través del alambre casi a la velocidad de la luz y empuja un electrón fuera del alambre hacia el terminal positivo de la batería para mantener la neutralidad eléctrica general (equilibrio) del circuito.

Ahora imagina que esto sucede con miles de millones de electrones. El resultado es lo que llamamos corriente.

La fuerza que mueve a los electrones es un campo eléctrico producido por la diferencia de potencial entre los terminales y la regla básica es 'las cargas iguales se repelen, las cargas diferentes se atraen'.

Los electrones serán repelidos por el voltaje negativo y atraídos por el positivo. Ten en cuenta que el electrón no necesita viajar por el alambre, solo necesita moverse una corta distancia.

En cuanto a la dirección de la corriente, aún tendemos a pensar que la corriente fluye de positivo a negativo (porque eso es lo que enseñamos en las escuelas), esto fue un error histórico cometido por Benjamin Franklin que simplemente se equivocó. En realidad no importa mientras seas consistente en cualquier cálculo.

Esta pérdida y acumulación de electrones tiene como efecto reducir el voltaje en los terminales de la batería. Desbalancea la reacción química dentro de la batería. La reacción química luego intenta rebalancear esto produciendo pares extra de carga (electrón + ion positivo) para mantener el voltaje en los terminales.

Cuanta más corriente tome el circuito, más rápido tiene que tener lugar la reacción en la batería y más rápido se agotará la batería. Al medir el voltaje en los terminales verás que este disminuye a medida que se toma más corriente.

Para fines de cálculo pensamos en que una batería tiene una 'resistencia interna'. No tiene una resistencia real adentro, simplemente tiene un límite físico en cuanto a qué tan rápido puede reemplazar los pares de carga neutralizados.

Las baterías recargables pueden tener su reacción química revertida enviando una corriente hacia la batería. La energía proporcionada se almacena en forma química.

Las celdas de combustible pueden ser proporcionadas con productos químicos externos para proporcionar energía. Por ejemplo, la celda de combustible de hidrógeno - aire (oxígeno + nitrógeno etc.) + hidrógeno = electricidad + agua (más nitrógeno etc.)

Answer 2

Los electrones están en todas partes en el alambre conductor, o podemos decir que hay millones de electrones en el alambre conductor.

Ahora, ¿qué es la corriente? La corriente es simplemente el flujo de electrones.

Universalmente, hemos asumido que la dirección de la corriente es igual al flujo de cargas positivas. Dado que los electrones tienen carga negativa. Por lo tanto, la corriente fluye en dirección opuesta a la de los electrones.

Ahora, el término "voltaje" solo simboliza cuánta fuerza electromotriz hay en los electrones. Aquí, el término "fuerza electromotriz" indica con qué fuerza los electrones están siendo atraídos o repelidos.

Ejemplo: Ahora, supongamos que tenemos una batería de 9V. Por ejemplo, imagina los electrones dentro de la batería de 9V, cómo se moverán. Ahora supongamos el terminal positivo de la batería como +9 y el negativo como 0. Por lo tanto, los electrones son atraídos hacia el lado +9 desde el lado 0V, esto es lo que es el voltaje.

Ahora, puedes responder fácilmente a tu propia pregunta.

Answer 3

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¿Buscando voltaje en términos primitivos: es una especie de fuerza repelente?

Sí, eso es esencialmente correcto (pero, el voltaje también es una fuerza atractiva, donde un polo positivo atrae cargas negativas).

La física de circuitos involucra campos magnéticos y campos eléctricos, los campos b y los campos e, correspondientes a amperios y voltios.

¿Qué es el voltaje? Es una medida de los campos electrostáticos que producen fuerzas eléctricas y mueven cargas en los circuitos. El voltaje es una manera de medir los campos E, al igual que el potencial gravitatorio es una forma de medir los campos gravitatorios y el potencial magnético es una forma de medir los campos magnéticos.

Si magnetizas una barra de acero, puedes recoger pedazos de hierro, y esa es una demostración de campos magnéticos. Si electrificas una varilla de plástico, puedes recoger pedazos de papel, y esa es una demostración de voltaje; de campos e.

Una cosa que muchos libros introductorios pasan por alto: el voltaje es la "electricidad estática" y los circuitos eléctricos se basan en la electrostática.

Frota un globo en tus pelos del brazo, y estarás produciendo un voltaje extremo pero sin corriente. Frotar en alfombras y darle una descarga a la perilla de la puerta, eso es una cuestión de unos 5.000V más o menos. Una batería es una bomba de carga, y bombea cargas produciendo una carga superficial estática y un voltaje en una capa delgada entre un metal y una solución conductora. (Las reacciones químicas en una placa de batería; son muy parecidas a millones de pequeños globos frotando en millones de suéteres de lana! Pero solo produciendo unos pocos voltios, no decenas de miles).

Dado un circuito cerrado, un voltaje puede bombear cargas a lo largo, como cuando conectas una bombilla a una batería. El voltaje causa corriente, y el voltaje actúa de manera similar a una "presión eléctrica", pero no es exactamente una presión, ya que las presiones solo actúan sobre superficies, mientras que los campos e pueden actuar en todo el volumen de una colección de cargas. Además, el voltaje puede existir en el vacío, ¡mientras que la presión física ciertamente no puede! :)

Answer 4

1. Los electrones de la fuente de voltaje (conector -) viajan a través del cable y la carga, y finalmente regresan al conector + de la fuente. Por eso se llama circuito eléctrico, porque los electrones regresan a la fuente. Cuando conectas tu fuente al circuito, los electrones de la fuente entran en el cable, mientras que los electrones libres en el cable también se mueven en la misma dirección. Así que desde el principio, tienes electrones en movimiento por todas partes a lo largo del cable.

2. Sus fuerzas de repulsión en la fuente negativa y fuerzas de atracción en la fuente positiva, causadas por la diferencia de potencial y un campo eléctrico correspondiente. Es el campo eléctrico el que hace que todos los electrones se muevan (o deriven) al mismo tiempo en todas partes del cable.

Answer 5

Solo para agregar a lo anterior, el flujo de electrones en realidad es bastante lento, generalmente unos pocos mm/s. Eso confunde a muchas personas. Lo que realmente impulsa el circuito es el campo eléctrico inducido cuando se cierra el circuito. Eso se mueve a la velocidad de la luz, C.