¿Por qué los electrones no son expulsados del conductor en un circuito abierto bajo la influencia de una fuente de energía?

Question

A menudo se compara la corriente eléctrica con el flujo de agua. Por ejemplo, si hago un agujero en un depósito de agua, el agua fluirá hasta que la presión del depósito y la atmosférica no se igualen o el depósito se vacíe. ¿Por qué no ocurre esto con la electricidad?

Answer 1

Estás imaginando que un circuito abierto tiene este aspecto:

Una analogía mejor sería esta:

Las tuberías de un circuito no están rodeadas de espacio libre para que el agua fluya, sino que están excavadas en la roca. Donde no hay tuberías, sólo hay roca y el agua no fluye.

Answer 2

La analogía del agua es muy limitado y no modela la forma en que se mueven los electrones en un cable. Debe utilizarse siempre con mucho cuidado.

Los electrones se desplazan muy lentamente (aproximadamente 1 m/hora) saltando de átomo en átomo. La corriente parece fluir instantáneamente en un circuito completo pero no fluye en un circuito incompleto (no hay campo eléctrico para mover los electrones).

En el interior de un cable la conductividad es alta (muchos electrones "libres" zumbando al azar) y un pequeño campo eléctrico (una diferencia de tensión en cada extremo del cable) puede producir una corriente. En el exterior del cable, la conductividad es muy baja y no hay ningún campo eléctrico que supere la atracción de los iones metálicos cargados positivamente en el cable si un electrón abandona la superficie del mismo.

Por otro lado, el agua (las moléculas) simplemente saldrá por el extremo de la tubería porque la fuerza que empuja el agua hacia dentro en el extremo abierto (debido a la presión del aire) es menor que la fuerza que empuja el agua hacia fuera del sistema (presión del aire + gravedad + bomba ).

El agua puede escapar porque el interior y el exterior de la tubería es esencialmente el mismo medio y las moléculas actúan por la presión (aire y bomba) y la gravedad (dentro de la tubería) y la gravedad (fuera de la tubería).

¿Es posible que los electrones se escapen del cable?

Sí.

Para que los electrones escapen de su "contenedor metálico", debe suministrarse suficiente energía para romper los enlaces que los unen a los iones metálicos. Esto puede hacerse con fotones de alta energía (véase el efecto fotoeléctrico y la función de trabajo) o calentando el metal (emisión termoiónica). Por supuesto, si esto se hace en el aire, los electrones no pueden llegar muy lejos antes de ser absorbidos, por lo que es necesario hacerlo en el vacío.

Si el campo eléctrico es muy alto (como en las nubes cargadas) la chispa resultante es un rayo.

Answer 3

Hacer un agujero en un depósito de agua para que el agua pueda salir es lo mismo que un cortocircuito en electrónica. Bloquear una tubería de agua es lo mismo que abrir una conexión.

Recuerde que el depósito de agua es un "aislante del flujo de agua" y es lo mismo que una tubería obstruida.

Answer 4

El agua y la electricidad no funcionan de la misma manera. A veces se utiliza el agua en las tuberías como analogía de la corriente en los cables, pero esa analogía se rompe en el caso que nos ocupa.

En realidad, la analogía sigue siendo válida si se recuerda que el aire no conduce la electricidad, pero el aire conduce el flujo de agua con facilidad. Para que la analogía del flujo de agua sea más precisa, habría que imaginar que todo, excepto el interior de las tuberías, está hecho de algún material sólido. Imagina que todo lo que es aire es en realidad una goma dura, por ejemplo. El agua no saldría de una tubería abierta porque no puede ir a ninguna parte.

Answer 5

Todo es cuestión de igualar la presión.

Con el agua no es la presión del agua la que se iguala, sino la presión atmosférica que actúa sobre el agua. El aire empuja hacia abajo el agua y la empuja fuera del agujero hasta que las presiones interior y exterior se igualan.

Conecta un cable entre dos polos de una batería y la presión entre los dos polos puede igualarse.

Pon un tapón en el agujero del depósito y el agua ya no podrá fluir: la diferencia de presión entre el interior y el exterior está ahora fijada. Añade una resistencia muy alta entre los dos polos de una batería y la corriente ya no podrá fluir (o fluirá muy lentamente - el tapón tiene un goteo). Cuanto mayor sea la resistencia, más lento será el flujo.

El aire tiene una resistencia típica (según Wikipedia) de alrededor de $1.30×10^{16}\Omega/m$ a $3.30×10^{16}\Omega/m$ con una tensión de ruptura de alrededor de 300kV/m (que es la presión a la que el tapón es forzado a salir del agujero del depósito).