Necesito saber la física subyacente de lo que sucede exactamente diferente con el campo eléctrico en la resistencia que en los cables superconductores.
¿Por qué cuando conecto una resistencia, el potencial cae a través de sus extremos (de la resistencia)? Perdón por la pregunta tan tonta pero no consigo entenderlo. Sé que la energía se disipa y, por lo tanto, el voltaje cae, pero estoy buscando una respuesta más detallada y perspicaz.
El potencial eléctrico es un energía potencial al igual que energía potencial gravitatoria o cualquier otra forma de energía potencial. En concreto, mover un culombio de carga a través de un potencial eléctrico de un voltio produce (o requiere) 1 julio de energía. Por su pregunta, supongo que está satisfecho con esto, así que la cuestión es cómo se disipa esta energía, es decir, qué ocurre con ese 1 julio de energía.
Cuando se aplica un voltaje al conductor se produce una fuerza sobre los electrones de conducción para que se aceleren: la energía potencial se convierte en energía cinética de los electrones. Sin embargo, los conductores están formados por una red cristalina de átomos/moléculas que vibra aleatoriamente debido a la energía térmica, y existe la probabilidad de que los electrones en movimiento se dispersen en esta red y le transfieran energía. Por tanto, el electrón se ralentiza y la magnitud de las vibraciones de la red aumenta. El aumento de las vibraciones de la red significa que el conductor está más caliente, por lo que la energía cinética de los electrones se ha transferido a energía térmica en el conductor.
Y eso es lo que ocurre con el 1 joule de energía. Se transfiere al conductor y termina como calor.
Algunas cuestiones relacionadas que tal vez quieras investigar más a fondo: cuando enfrías un conductor reduces la magnitud de las vibraciones de la red y haces que sea menos probable que el electrón se disperse fuera de la red. Por eso la resistencia (normalmente) disminuye con la disminución de la temperatura. La transición superconductora impide que los electrones se dispersen en la red Por lo tanto, no pueden transferirle energía y por eso los superconductores tienen una resistencia nula.
Gracias. Mi pregunta ha sido respondida. Quería votar por encima pero parece que necesito 15 de reputación o algo así para hacerlo incluso en mi propio hilo de preguntas. Gracias de nuevo.
Personalmente sigo sin entender por qué la resistencia modifica la tensión, es decir, una diferencia de energía potecial. Por lo que sé, saltar por un tejado sólo requiere el trabajo de la gravedad, mientras que bajar por el tejado usando una pendiente con fricción requeriría energía adicional para compensar la que se pierde por la fricción. Ahora bien, en cada caso, la energía potencial debida a la gravedad es la misma. ¿Qué parte de esta analogía no representa lo que ocurre en el circuito? ¿Por qué la resistencia modifica la energía potencial en el circuito?
@John Rennie hola .. entonces quieres decir que el electrón que entra en una zona de alta resistividad en un circuito con cierta energía pierde parte de ella dentro de la resistencia debido a las colisiones y sale de esa región con una energía menor. Entonces, ¿podemos definir el potencial del extremo del que salió el electrón como la energía del electrón restante por unidad de carga electrónica?
En las resistencias, la resistencia, la corriente y la tensión (o la caída de tensión) están relacionadas por la ley de Ohm: $$ U = RI $$ Esta ley también puede formularse de forma más perspicaz y microscópica, especialmente en la versión microscópica más sencilla de la ley de Ohm (debida a Gustav Kirchhoff): $$ \vec J = \sigma \vec E $$ Aquí, $\vec J$ es la densidad de corriente, $\sigma$ es la conductividad del material, y $\vec E$ es el campo eléctrico, es decir, la caída de potencial (tensión) por unidad de distancia (incluyendo la dirección de la disminución).
En primer lugar, es útil entender por qué las dos leyes de Ohm son equivalentes. Consideremos un cable de sección transversal $A$ y la longitud $L$ . Multiplica la ley microscópica por $A$ . El producto $A\vec J$ se combina con la corriente total $I$ (es la densidad de la corriente por unidad de superficie), por lo que obtenemos $$ I = \sigma A |\vec E |$$ Ahora, reescribe $|\vec E|$ como la caída de potencial por unidad de distancia (el campo eléctrico es el gradiente del potencial), $V/L$ , para conseguir $$ I = \frac{\sigma A}{L} V $$ Pero $\sigma A/L $ no es otra cosa que la conductancia $G=1/R$ la resistencia inversa, por lo que equivale a $I = U/R$ la ley de Ohm macroscópica.
Ahora, tratemos de entender por qué la forma microscópica de la ley es verdadera. $$ \vec J = \sigma \vec E$$ Es cierto porque el campo eléctrico (potencial eléctrico cambiante) hace que los electrones libres (o portadores de carga) se muevan. Hay una cierta densidad de electrones en el material, y el campo eléctrico hace que se muevan - debido a la fuerza eléctrica $\vec F = m\vec a = q\vec E$ - a cierta velocidad media $\vec v$ que es proporcional a $\vec E$ en la aproximación lineal. Los electrones no se aceleran indefinidamente porque sus colisiones con los núcleos, etc., los frenan. Así que alcanzan una cierta "velocidad de equilibrio", como un piloto de avión frente a la fracción de aire. Por álgebra lineal, $\sigma \vec E$ es realmente el único líder $\vec E$ -resultado dependiente de $\vec J$ que es matemáticamente plausible y se comporta sin problemas para $\vec E\sim 0$ .
Términos no lineales como $\Delta \vec J = \beta |\vec E|^2 \vec E$ pueden aparecer, y de hecho aparecen, pero la cuestión es que para una $\vec E$ son sublegantes y el término principal no se cancela en el caso de las resistencias.
Así que si tratas de explicar por qué se cumple la ley de Ohm, es mejor imaginar que la caída de tensión es la causa mientras que la corriente es su consecuencia y no al revés, como tú has intentado.
Los superconductores no tienen colisiones, por lo que los electrones no se ralentizarían si se les aplicara un campo eléctrico. En consecuencia, la caída de tensión haría enormes cambios que eliminarían por completo la caída de tensión en el extremo, y por lo tanto $V=0$ . En cualquier caso, en lo que respecta a la ley de Ohm, se pueden considerar los superconductores como una simple (y estricta) $R\to 0$ o $R=0$ límite de las resistencias.
Disculpas, $U=V$ arriba. No he sido coherente con la notación.
La respuesta depende mucho del grado de detalle que se quiera alcanzar. La superconductividad es un fenómeno bastante complicado, así que espero poder ayudarte ya, explicando por qué una resistencia provoca una caída de potencial.
Una corriente puede imaginarse como electrones moviéndose a través de un conductor. Durante ese movimiento, son acelerados debido al campo eléctrico. Al mismo tiempo, "chocan", es decir, se dispersan. Esto les obliga a ir más despacio y provoca una resistencia. Esto puede imaginarse como el bombeo de un fluido a través de un tejido o algo similar. Por lo tanto, hay más electrones en un lado que en el otro, lo que provoca una caída de potencial.
Esto, por supuesto, es una explicación muy aproximada y, si se entra en detalles, se descubrirá que hay mucha física implicada.
Soy un aficionado y he estado tratando de responder a esta pregunta durante un tiempo, y esto es lo que he encontrado. En primer lugar Emf o potencial eléctrico es creado por una batería (DC) o Alternador (AC) mediante la separación de las cargas. Es decir, moviendo con fuerza las cargas/electrones -ve a un extremo llamado terminal -ve, y el otro extremo se convierte en +ve debido al agotamiento de los electrones. Debido a que las cargas -ve se repelen naturalmente, y se mantienen juntas por la fuerza en contra de su voluntad, su potencial se eleva que ahora se puede utilizar para conducir una corriente a través del circuito donde un extremo son estas cargas -ve, y el otro tiene átomos de cargas +ve listo para recibir las cargas -ve. Esta medida de este potencial / presión eléctrica forzada se hace en voltios y se llama voltaje. Cuanto más alto sea el voltaje, más densamente estarán los electrones en el terminal -ve y más trabajo se ha hecho (por la compañía eléctrica) para que esto ocurra. Un solo electrón procedente de una fuente de alta tensión (por ejemplo, 220v) tiene más energía y quizás más velocidad que uno procedente de una fuente de baja tensión (por ejemplo, 110v). Por eso la potencia es V (tensión) x I (corriente) y no sólo I, porque los electrones de mayor energía/tensión pueden hacer más trabajo y se acaba pagando más dinero por ello.
En cuanto a la caída de voltaje, los electrones siempre se mueven de un potencial más alto o terminal negativo a un potencial más bajo o terminal positivo, suponiendo que el flujo de electrones es opuesto al flujo convencional. Tomemos un circuito simple con una sola resistencia. Un extremo de R está conectado al terminal -ve y el otro al terminal +ve a través de cables de cobre. Encienda el circuito. La caída de tensión se produce SÓLO cuando empieza a circular la corriente. La caída se nota desde el extremo de R hasta el terminal positivo +ve. La razón es la siguiente: el cable de cobre que va desde el terminal -ve hasta R está inundado de electrones y, por tanto, se encuentra al mismo potencial que el terminal -ve. Pero como la resistencia restringe la corriente, sólo algunos electrones pueden pasar al otro lado. En el otro lado, es decir, desde el final de R hasta el terminal +ve, excepto por la pequeña corriente que se permite fluir, hay principalmente átomos / cargas +ve, lo que significa que el electrón que llega al lado +ve de R no experimenta tanta presión de los electrones vecinos como lo hizo en el lado -ve. Por eso el voltaje cae.
¿Qué significa que una resistencia provoque una "caída de potencial"? Esto significa que el potencial de un electrón después de pasar por una resistencia es menor que el potencial del electrón antes de pasar por la resistencia. ¿Por qué ocurre esto?
En primer lugar, repasemos lo que significa el potencial eléctrico. El potencial eléctrico de un electrón se define como la energía que se necesitaría para llevar a este electrón a su ubicación actual desde una distancia infinita. Esto significa que un electrón tiene un potencial eléctrico más alto cuando está cerca de una gran cantidad de otros electrones (se necesitaría más energía para superar las fuerzas de repulsión de todos estos electrones con el fin de llevar nuestro electrón a ellos).
Ahora, recuerda, estamos tratando de explicar por qué los electrones que aún no han entrado en la resistencia tienen un potencial más alto que los electrones que han salido de ella. Resulta que la razón es que los electrones acaban concentrándose más en el lado de la resistencia en el que están entrando, y menos en el lado de la resistencia en el que están saliendo. Veamos por qué ocurre esto.
Tomemos un circuito sencillo compuesto por una pila, un cable y una resistencia. Ahora bien, sabemos que la resistencia está hecha de un material menos conductor que el cable, por lo que los electrones no pueden moverse tan rápidamente en la resistencia como en el cable.
En el diagrama anterior, los círculos blancos representan los electrones del cable en su estado inicial (antes de conectar la batería). Los círculos rojos representan los electrones un momento después de que la batería se conecte al cable.
Cuando el electrón más cercano al extremo negativo de la pila se mueve, hace que el siguiente electrón se mueva también (debido a las fuerzas de repulsión entre electrones). Esto crea un efecto en cascada.
Sin embargo, el electrón A del diagrama anterior no puede moverse tanto (en el mismo tiempo) como todos los electrones que tiene detrás. Como resultado, el electrón A estará más cerca de todos los electrones detrás de él que antes. Por lo tanto, repele a estos electrones con más fuerza. Esto anula ligeramente la fuerza de repulsión de estos electrones debido al extremo negativo de la pila, haciendo que se ralenticen.
Ahora bien, como la fuerza de repulsión que ejerce un electrón sobre otro electrón disminuye con la distancia, está claro que los electrones que están más cerca del electrón A serán los más frenados y los que están más lejos serán los menos frenados. Como los electrones que están delante (es decir, el electrón A y los que están ligeramente detrás de él) son los que se mueven más lentamente, los electrones empezarán a agruparse un poco cerca de la entrada de la resistencia.
Veamos lo que ocurre al otro lado de la resistencia.
Al otro lado de la resistencia, el electrón B no puede moverse tanto como los electrones que tiene delante. Por lo tanto, el electrón B estará más lejos de estos electrones que antes, por lo que su fuerza de repulsión sobre estos electrones disminuye. Por lo tanto, estos electrones también disminuyen su velocidad, ya que la fuerza con la que B los aleja es ahora menor.
Sin embargo, el aumento de la distancia de B a los electrones que están por delante de él causará una mayor disminución de la fuerza de repulsión para los electrones que están más lejos de B. (Esto se puede demostrar con matemáticas básicas.) Por lo tanto, los electrones que están más cerca del electrón B serán los que menos se frenen. Por lo tanto, los electrones no se agruparán tanto en el lado de salida de la resistencia como en el lado de entrada.
Dado que los electrones están más concentrados en el "lado de entrada" de una resistencia, un electrón tendrá un potencial más alto al entrar en la resistencia y estar entre todos estos electrones juntos que al salir de la resistencia.
Espero que tenga sentido.
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