¿Los electrones fluyen realmente cuando se aplica un voltaje?

Pensar en la corriente en términos de electrones moviéndose es la Empiece por un camino hacia un modelo mental pobre de cómo funciona la electricidad. Aquí hay algunas cosas incorrectas:

• Los electrones son solo uno de los muchos portadores de carga. Cualquier ion también es un portador de carga.

• Los protones que equilibran los electrones son igualmente importantes. Si solo tuvieras electrones, entonces todos los electrones del universo se repelerían entre sí y se dispararían al universo.

• Los electrones tienen carga negativa y te confundirás sin ninguna buena razón pensando en cómo fluyen de negativo a positivo. En realidad, no importa en absoluto.

• Los electrones en realidad pululan en todas direcciones aleatorias todo el tiempo, y su movimiento debido a la corriente es minúsculo, en comparación.

Lo importante es esto: portadores de carga (los electrones son uno de ellos) pueden usarse para transmitir una fuerza electromotriz (generalmente llamado voltaje). En realidad, este es un concepto bastante común. Puedes empujar un extremo de una barra y transmitir una fuerza mecánica al otro extremo de la barra. ¿Se mueve la barra, cuándo haces esto? Bueno, tal vez, pero hay dos cosas que suceden aquí:

1. la fuerza se transmite a través de la varilla, como ondas que se propagan a la velocidad del sonido en ese material
2. si y solo si también transmiten potencia, la varilla se mueve, en la mayoría de los casos a una velocidad mucho más lenta

La diferencia es obvia para una varilla, pero como no podemos ver la carga eléctrica, la diferencia no es obvia .

Entonces, su pregunta fue: ¿Los electrones realmente fluyen w uando se aplica un voltaje? Estrictamente hablando, la respuesta es tal vez , y depende de lo que usted quiera decir con flujo . Es similar a la pregunta, ¿se mueve una cuerda cuando tiras de ella? Bueno, si está unida a un globo, podría moverse mucho. Si está pegado a una pared de ladrillos, es posible que no se mueva en absoluto.

El movimiento de los portadores de carga (como los electrones) es corriente . Si tenemos una corriente, entonces hay un movimiento neto de los portadores de carga. Realmente están pululando por todas partes, al igual que las moléculas de agua individuales pululan en una tubería, incluso si no hay flujo neto. La corriente describe el movimiento medio. En el caso de la corriente continua, el movimiento promedio es en un círculo.

La forma en que los portadores de carga individuales interactúan para lograr esto es complicada, y en realidad es una cuestión de física, no de electrónica. Sin embargo, Le sugiero que consulte este tutorial del MIT sobre los campos .

Comentarios

• Pero afaik, un montón de electrones se separarán, no se abrazarán en una bola.
• @WoutervanOoijen sí, supongo que tienes razón 🙂 En cualquier caso, ¡sería un mundo muy diferente!
• El 90% de todo lo que leo es simplemente incorrecto cuando se trata de electrones moviéndose y electrones sueltos.

Los electrones sí se mueven físicamente cuando se aplica un voltaje – extremadamente lento .

Un circuito energizado a 100 VCC, que alimenta una carga de 1 A (como una bombilla) a través de un cable de cobre de 2 mm de diámetro, verá electrones moviéndose a una velocidad de:

\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $

donde

• Q es el número de electrones por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente \ $ 8.5 \ times 10 ^ {22} \ $)
• R es el radio del cable
• e es la carga por electrón (aproximadamente \ $ 1.6 \ times 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

Esto equivale a 8,4 cm / hora . No exactamente rápido.

La clave es el hecho de que es la energía la que corre a través del circuito casi instantáneamente, no los electrones mismos. (Los electrones forman una «autopista» conveniente para permitir que la energía fluya rápidamente).

Es lamentable que la lenta deriva de electrones bajo un voltaje termine con el mismo nombre que el flujo de energía que en realidad funciona en un circuito.

Comentarios

• Sin esa lenta deriva de electrones, no hay corriente, así que podemos ‘ t tienen un flujo de energía. Un flujo de energía se llama potencia y, como sabemos, \ $ P = IE \ $. Si \ $ I = 0 \ $, entonces no puede haber flujo de energía. Entonces tal vez solo la mitad tengan el mismo nombre 🙂
• Es cierto. Eso sí, en AC, simplemente se mueven y no ‘ realmente circula per se.
• Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 es el número total de electrones por volumen de Cu. Solo una fracción de esos electrones son electrones libres que participan en la conducción ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Esta fórmula es mal.
• @Curd tu número es incorrecto, ¿de dónde lo sacaste? > » Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 es el total número de electrones por volumen de Cu. » No, el número total de electrones / cm ^ 3 del cobre es 2,46×10 ^ 24. Por lo tanto, si cada átomo aporta solo un electrón móvil al mar de electrones del ‘ s del metal, entonces la densidad de electrones libres = 2.46e24 / N, donde N = 29 para el cobre. Su ecuación anterior es correcta. Vea este mismo cálculo en la física de Halliday / Resnick, o wikipedia, Drift_velocity
• @wbeaty: sí, tiene razón (no ‘ t tengo Halliday pero) volví a calcular y obtuve aproximadamente rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 como el número total de electrones por cm ^ 3 (rho densisty, Mm masa molar, Na = AVogadro ‘ s). No ‘ no recuerdo mi cálculo hace 2 años …

No confunda la abstracción conveniente con la realidad física

• Los» circuitos «son un concepto abstracto diseñado para ayudarnos a razonar mejor sobre el mundo.
• Los electrones son una entidad física.

Una nota sobre los caminos «cerrados»

Los circuitos de camino cerrado no implican que los electrones regresen a la fuente. Además, los electrones que salen de la fuente son extremadamente raramente los mismos electrones que regresan al otro polo de la fuente (ver la respuesta de @madmanguruman para la explicación de la velocidad).

Analogías mecánicas

Es como fichas de dominó que caen. La onda de energía se propaga a través de las fichas de dominó que caen, pero las fichas de dominó no se traducen mucho.

Recuerde que la energía es la carga del electrón multiplicada por la fuerza que se le aplica (voltaje). Son (abrumadoramente) las fuerzas que se mueven a través de la red metálica, no las cargas (electrones).

Al igual que en esta imagen:

Las fuerzas se transfieren a través de las bolas, pero las bolas permanecen en gran parte en su lugar. A diferencia de las bolas mecánicas, que están equilibradas por gravedad, con electrones en cables metálicos de celdas galvánicas (baterías), hay una deriva general de los electrones (como coches atascados en el tráfico) hacia el otro extremo.

Lectura adicional

Puede considerar esto respuesta que di a una pregunta similar relacionada con la física.

Comentarios

• Je, los circuitos son macroobjetos comunes, mientras que los electrones son bestias teóricas con fuerte comportamiento de QM. Pero estoy de acuerdo: Podemos eliminar mucha abstracción utilizando circuitos construidos con arena cargada a través de mangueras o bolas de metal cargadas en una rueda de plástico giratoria. En cualquier caso, la deriva de carga (corriente) es requerida en cualquier circuito. Analogía: con una correa de transmisión mecánica, emplee una fuerza / tensión cada vez más alta a menor velocidad, hasta que la correa se mueva a metros / hora pero transfiera kilovatios. Solo parece como si la fuerza fuera más importante que el movimiento. Detén el cinturón lento y la energía también se detiene.

Estamos hablando de metales aquí. Por lo general, un objeto de metal no consta de moléculas. Consiste en átomos de metal, todos agrupados. Esto se muestra en la siguiente imagen:

Los círculos rojos son electrones. Como puede ver, realmente no se puede decir a qué átomo «pertenece» un electrón.Estos electrones forman las conexiones entre los átomos, por lo que pertenecen a dos átomos.

Ahora, cuando comienza a fluir una corriente, estos electrones de hecho se mueven. Cuando fluye una corriente, se transfiere energía. Dado que los átomos no pueden moverse fácilmente, los electrones tienen que moverse.

También puede ver esto en la unidad de amperio de corriente: 1 amperio equivale a 1 culombio por segundo. El culombio (C) es el unidad de carga (Q). 1 amperio significa 1 culombio de carga pasa un cierto punto en 1 segundo. Esta carga es producida por los electrones que fluyen realmente del objeto uno al objeto dos.

Cuando «volvemos a Hablando de corriente continua (aplicación normal alimentada por batería, por ejemplo), estos electrones no volverán a su fuente. Considere este circuito:

Al principio, hay una diferencia de carga entre lo negativo y lo positivo polo: el polo negativo tiene un exceso de electrones. Esto crea una fuerza (voltaje), y como hay un vínculo entre los dos polos (el alambre y la bombilla), los electrones comienzan a fluir. Los electrones se mueven desde el polo negativo a través de la bombilla hasta el polo positivo, hasta que ya no hay diferencia de carga (o es tan pequeña que no hará que fluya una corriente).

Ahora puede ver que estos electrones no regresaron a su fuente: comenzaron en el polo negativo y terminaron en el polo positivo.

A esto lo llamamos un camino cerrado porque no » círculo sa: la corriente comienza en la batería y termina en la batería. Hay confusión porque la batería en realidad existe de dos objetos: el polo positivo y el negativo.

Mira este circuito (que es básicamente el mismo, pero con un capacitor en lugar de una batería y una resistencia en su lugar de una bombilla):

La corriente fluye desde el lado derecho del capacitor (con carga negativa, electrones excedentes ) a través de la resistencia al lado izquierdo del condensador (carga positiva, escasez de electrones). Aquí, las placas del condensador están separadas, por lo que puede ver fácilmente que en realidad no es una ruta cerrada.

Simplemente lo llamamos camino cerrado, porque la corriente comienza y termina en el capacitor.

Dado que los electrones realmente no tienen que regresar a su base, ahora puedes entender que los electrones también pueden fluir hacia la tierra. Esto también es lo que sucede con los rayos. Los electrones fluyen de las nubes a la tierra (o al revés, no lo sé), solo para neutralizar la diferencia de carga.

Comentarios

• Respecto a los rayos: Ambas direcciones. » En promedio en todo el mundo, los relámpagos negativos constituyen la gran mayoría, alrededor del 90 por ciento de todos los impactos. … Por cierto, se cree que los rayos positivos son los más peligrosos, ya que pueden producir corrientes muy grandes, ¡hasta 300.000 amperios! » ( fuente )
• Me gusta tu energía @Camil (juego de palabras), pero debes tener en cuenta que hay una serie de imprecisiones sutiles en esta respuesta. La confusión no es que una batería tenga dos polos, la confusión es que los circuitos no ‘ no describen el movimiento de un solo electrón; describen el comportamiento agregado y la transferencia de energía … tu La respuesta continúa haciendo las mismas suposiciones confusas que llevaron al OP a hacer la pregunta. O discuta en abstracto, en cuyo caso, la corriente debe regresar a la fuente, o discuta lo físico con los electrones y su actitud de cualquier superficie equipotencial.
• p.s. – No voté en contra. Solo para que conste en caso de que alguien más lo haga. – » no yo! «;)
• También valdría la pena señalar que aunque los electrones no viajan a través de baterías, la corriente lo hace. Esta es la razón por la que una batería debe tener un electrolito y funciona precisamente porque los electrones no pueden ‘ viajar a través de ella, pero los iones positivos sí. Los iones positivos, que viajan en la dirección opuesta a los electrones, evitan que los electrones que se mueven a través del circuito creen un equilibrio hasta que se agote la energía química. Aunque los iones y electrones se mueven en direcciones opuestas, tienen cargas opuestas y juntos forman un circuito completo de corriente en una dirección.
• @CamilStaps un electrón individual tomará una ruta aleatoria en cualquier lugar que pueda. Probablemente la mayor parte de este movimiento sea atribuible al ruido térmico, y no a la máquina eléctrica de la que forma parte. Solo si toma el movimiento promedio de muchos (más de miles de millones) de electrones, notará que se mueven en una dirección más que en otra. Y los circuitos no ‘ t describen el flujo de electrones: describen el flujo de corriente.