¿Por qué la corriente es la misma en un circuito en serie?

Question

Soy estudiante de 10º curso y mi profesor me ha dicho que la corriente es la misma en todos los puntos de un circuito en serie. En un circuito paralelo se divide, pero luego se recombina y la corriente que sale de la pila es la misma que la que vuelve a ella.

Mi pregunta es: ¿por qué la corriente sigue siendo la misma?

Digamos que hay una bombilla en algún lugar de un circuito en serie. Ahora, la corriente (o energía eléctrica) fluirá hacia ella y luego se convertirá en energía luminosa.

Pero si el cantidad de corriente que entra en el filamento de la bombilla = cantidad de corriente que sale del filamento y al mismo tiempo es producir fotones (energía luminosa) [y algo de energía térmica también] entonces no estamos crear energía ? Lo cual no es posible.

Estoy muy confuso y no consigo entender esta idea. Por favor, ayúdeme.

Answer 1

Me sorprende que nadie haya mencionado aún la analogía hidráulica de la electricidad para ayudar al OP a entender mejor. Un breve resumen de esta analogía es:

Electricity is like water flowing through pipes.
Current = amount of water flowing through pipe
Voltage = pressure of water
Power = water pressure x water flow (voltage x current)
Resistors = constrictions in pipe. Pressure (voltage) drops occur across them.

Por cualquier punto de una tubería (circuito en serie) pasa la misma cantidad de agua que por cualquier otro.

Cualquier división en una tubería (circuito paralelo) comparte toda el agua que fluye hacia la división (la corriente de todos los tramos es igual a la corriente antes de la división)

También hay analogías con el agua para otros componentes eléctricos como bobinas y condensadores; visite el enlace si está interesado.

Answer 2

Imagina que un bloque se desliza por una pendiente y que hay una cantidad de fricción entre la pendiente y el bloque tal que el bloque se desliza por la pendiente a velocidad constante.

A medida que el bloque se desliza por la pendiente, pierde energía potencial gravitatoria y se genera la misma cantidad de calor debido a la fricción entre la pendiente y el bloque.
El bloque no cambia, pero forma parte del mecanismo por el que la energía potencial gravitatoria se convierte en calor.

Se puede pensar en los electrones como bloques cargados que pierden energía potencial eléctrica (deslizándose a lo largo de un gradiente de potencial a la velocidad de deriva) y esta energía se convierte en calor y luz en una bombilla.
Cuando los electrones alcanzan el terminal positivo de la fuente de tensión, ésta les proporciona más energía potencial eléctrica y pueden deslizarse de nuevo a lo largo del gradiente de potencial.
Los electrones no cambian y no se crean ni se destruyen, sino que forman parte del mecanismo por el que la energía potencial eléctrica se convierte en calor y luz.

Answer 3

¿Por qué la corriente sigue siendo la misma?

Interesante pregunta. Como se puede ver en los ejemplos de la caída de agua o el deslizamiento de bloques, el potencial gravitatorio es el responsable de la liberación de energía en los sistemas de almacenamiento mecánico. En el caso de una pila, esta no puede ser la razón del almacenamiento de energía. La energía cinética dentro de la batería tampoco puede ser la razón. Al final de la batería, una interacción electromagnética reorganiza los electrones en diferentes enlaces químicos. Y empujando a los electrones a reorganizarse, una parte de la radiación electromagnética va a los electrones. Los electrones son capaces de almacenar radiacion EM o mas precisamente de almacenar fotones. En la mayoría de los casos, una parte de la energía se libera de nuevo en forma de fotones de longitud de onda más larga, por lo que el almacenamiento de energía en acumuladores es ineficiente.

Así pues, además de la energía potencial (gravitatoria) y la energía cinética, existe un almacenamiento de energía EM. Lo sientes bien con nuestra pregunta. Los electrones al final del circuito son de la misma cantidad y por supuesto de la misma carga. La liberación de energía tanto en una bombilla como en el cable debido a la resistencia de Ohm sólo es posible porque antes los electrones están cargados con energía EM.

Tenga en cuenta, que tal explicación, si no se puede encontrar en la literatura, no debe ser errónea, pero podría ser nuevo. Así que su pregunta toca un punto interesante de la interacción entre los electrones y la radiación EM.

Answer 4

Si la cantidad de electrones sigue siendo la misma, ¿de dónde procede la energía?

Las pilas tienen energía almacenada en su interior. La energía del interior de una pila podría acelerar los electrones hasta una velocidad muy elevada. Sin embargo, esto no ocurre en un circuito. Del mismo modo que la pila acelera un electrón, éste choca con otro y mantiene una velocidad constante. Así que la pila empuja constantemente al electrón pero al final vuelve a él con la misma velocidad. Es como lanzar una pelota hacia abajo desde un lugar alto con velocidad de $10$ y llega al suelo a la misma velocidad; aunque esperamos que golpee el suelo con mayor velocidad (debido a la fuerza de gravitación).

La pila está constantemente empujando pero el electrón permanece en la misma velocidad, ahora tiene sentido. La energía liberada por la pila se utiliza en el circuito y se convierte en calor que más tarde puede convertirse en luz.

Un buen ejemplo de lo que estoy describiendo serían las turbinas hidráulicas. Cuando se coloca una turbina de agua, por ejemplo a lo largo de una cascada, la cantidad de agua que entra es igual a la cantidad de agua que sale. Entonces, ¿de dónde viene la energía? Como en el caso de los electrones y los circuitos, todo es cuestión de velocidades, y los electrones y el agua sólo son portadores de energía.

(Tenga en cuenta que esta respuesta se basa en el modelo de electrones libres, que ahora se ha sustituido por otros más precisos que se enseñan en el nivel universitario).

Answer 5

Pero si la cantidad de corriente que entra en el filamento de la bombilla = la cantidad de corriente que sale del filamento y al mismo tiempo está produciendo fotones (energía luminosa) [y algo de energía térmica también] entonces ¿no estamos creando energía? Lo cual no es posible.

La corriente es el flujo de carga en el tiempo , Q/t. Puede ser mayor o menor en función de la resistencia del circuito. Supongamos que tenemos una batería con una caída de tensión Delta(V), está relacionada con la corriente por

Delta(V) = R*I

Donde R es la resistencia del circuito. Si hay menos resistencia, quitando la lámpara por ejemplo, la corriente será mayor.

Es la pila la que suministra la energía a los electrones cargados que se dispersarán en la bombilla y crearán luz y calor. Por tanto, es la solución total del circuito la que determina cuánta luz da la bombilla. La corriente es el portador.