Estoy tratando de entender la física básica de cómo funciona la electricidad.
Por desgracia, parece que la mayor parte del material en línea son complejas ecuaciones matemáticas o analogías de bombas de agua.
Me interesa lo que ocurre a nivel de un solo electrón. Supongo que debería empezar por lo que creo que entiendo.
Por favor, corregidme si alguna de mis suposiciones es errónea.
Flujo de energía:
Los diferentes materiales están hechos de moléculas, esas moléculas están hechas de diferentes tipos de átomos. Estos átomos se disponen en diferentes configuraciones: ordenadas (llamadas cristalinas), aleatorias (amorfas) y una combinación de ambas (policristalinas).
El cristal está definido por una red y una base. La red es una representación matemática de puntos en el espacio, y la base es un "patrón" que se pega en cada punto de la red. El "patrón" es 1 o más átomos. Los cristales están unidos por diferentes tipos de enlaces (iónicos, covalentes).
Dado que el entramado es sólo una representación, no tiene sentido el punto de inicio/fin, lo que hace que el entramado tenga simetría traslacional . Auguste Bravais descubrió que sólo hay 14 formas de reorganizar la red y mantener la simetría traslacional.
Naturalmente, los cristales se forman cuando el líquido se enfría, ya que ocurre en muchos lugares y en diferentes orientaciones, en su mayoría se forman policristales. Hay varios crecimiento de los cristales métodos para crear cristales propios más perfectos.
Cada átomo tiene un configuración de electrones y tiene varias cáscaras / niveles de energía diferentes. Puede haber 2n^2 electrones por nivel. Cuanto más bajo sea el nivel, mayor será la energía necesaria para que el electrón pase al siguiente nivel (porque está más cerca del núcleo, donde están los protones).
Cuando se disponen varios átomos juntos, debido a principio de exclusión de pauli (principio mecánico cuántico enrevesado que establece que dos fermiones (electrones) no pueden tener el mismo estado cuántico) los átomos no pueden tener los electrones exactamente en el mismo nivel de energía, lo que les obliga a cambiar ligeramente, dividirse y repartirse en bandas de energía .
Conductividad determinada por el número de electrones libres en el conductor que son libres de moverse. (más adelante)
La banda de mayor energía disponible para el material se llama banda de valencia . La siguiente banda se llama banda de conducción . La conductividad se ve afectada por el número ocupado de electrones en la banda de valencia y el brecha de banda entre la banda de valencia y la de conducción. (más ahora)
Si la banda de valencia está medio llena, hay espacio para que los electrones se muevan, lo que da lugar a una alta conductividad (metales). Si la banda está llena, pero la brecha de banda a la banda de conducción es lo suficientemente pequeña para que los electrones puedan ser excitados a la siguiente banda donde pueden moverse y hay conductividad (semiconductores).
En los aislantes la banda de valencia está llena y el hueco es demasiado grande, y un electrón no puede transportar suficiente energía térmica para golpear a otro electrón a través de esta brecha.
Así, la red, la estructura cristalina y las propiedades de los átomos afectan a la distribución de las bandas, lo que repercute en el número de electrones libres.
Al aplicar un campo eléctrico sobre un cable, se aplica una fuerza a todos los electrones, haciéndolos acelerar. Camino libre medio y tiempo libre medio representan la duración y el tiempo medio antes de que se produzca una colisión con otro átomo / electrón / impurezas del material, etc. Todas esas colisiones, paradas y empujones, contribuyen a la dirección neta velocidad de deriva del electrón cuando se mueve en el conductor.
velocidad de deriva = corriente.
caída de tensión = energía utilizada para excitar a los electrones sobre el hueco.
Al conectar la corriente, a un circuito, debido a la diferencia de voltaje (potencial) del principio al final, los electrones comienzan a fluir. Si no hay resistencia, fluye una enorme corriente (según la ley de ohm), lo que resulta en cortocircuito que se quema(?)
Para que el circuito no haga cortocircuito, hay que debe añadir resistencia. Al añadir una resistencia infinita (por ejemplo, cortando el cable para que el medio sea ahora el aire entre los dos) se llama circuito abierto .
También cuando se utiliza la resistencia hay que tener en cuenta disipación de energía utilizando la ley de la potencia. La mayoría (?) de las resistencias sólo tienen una capacidad de disipación de 0,25 vatios.
¿Cómo se genera la electricidad?
Hacer girar un imán con algunas propiedades de fuerza, tamaño físico, etc., que se resumen en flujo magnético (X), alrededor / entre una bobina (Y) con algunas propiedades de longitud, resistencia, número de vueltas. Utilizando Ley de Faraday de inducción electromagnética se puede calcular la tensión generada en la bobina. Cuanto más grande es el flujo, más rápido se hace girar, más bobina, todo ello resulta en un mayor voltaje. (supongamos que al final se produce corriente continua)
Q: ¿Cuánto dura esta tensión? Es porque cuanta más corriente se consuma a este voltaje, más reluctancia magnética se incrementa en el interior de la bobina debido al movimiento de los electrones haciendo más difícil el giro del imán? ¿Cómo se ve afectada la pila química?
Fuentes:
ecee.colorado.edu/~bart/book/book/contents.htm
britneyspears.ac
MIT 802 (teoría no atómica + ecuaciones)
MIT 2.57 (ecuaciones atómicas/cuánticas principalmente, algo de teoría).
es.wikipedia.org/wiki/Conductividad_clásica_y_cuántica
