¿Cómo sabe la corriente cuánto fluir, antes de haber visto la resistencia?


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Con los siguientes circuitos como ejemplos:

http://knol.google.com/k/-/-/1f4zs8p9zgq0e/lxzei8/ohm-1.jpg

y

http://hades.mech.northwestern.edu/images/4/45/Parallel_resistors.gif

¿Cómo sabrá la corriente Icuánto fluye? ¿Alguna otra onda viajaría primero en el circuito y luego regresaría y diría que debería fluir tanta corriente?


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Si hiciste esta pregunta en mi clase, te marcaría como un estudiante que intenta llegar más allá del nivel de abstracción que se le presenta. Buena pregunta.
Wouter van Ooijen

11
Con toda la física que obtienes en la escuela secundaria en estos días, esa capa de abstracción mantiene a más niños fuera de la electrónica que en. :(
ZJR

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Si alguien preguntó esto en clase, la respuesta corta es "Leyes de Maxwell". El truco está en pasar de una realización física a las leyes de Maxwell, que es mucho trabajo pero debe ser exacto. En la universidad, cosas como esta no tendrían mucho sentido hasta que tomaras una clase de Electromagnética.
Mike DeSimone

2
¿Por qué recompensar esta pregunta? Endolith respondió perfectamente!
Wouter van Ooijen

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¿Cómo "saben" los coches en la autopista, millas por delante de donde ocurrió un accidente, que se arrastran a 20 millas por hora?
Kaz

Respuestas:


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No estoy seguro de si esto es lo que está preguntando, pero sí, cuando la batería está conectada, una onda de campo eléctrico viaja desde la batería por los cables hasta la carga. Parte de la energía eléctrica es absorbida por la carga (dependiendo de la ley de Ohm), y el resto se refleja en la carga y viaja de regreso a la batería, parte es absorbida por la batería (la ley de Ohm nuevamente) y otra se refleja en la batería, etc. Finalmente, la combinación de todos los rebotes alcanza el valor estable de estado estacionario que cabría esperar.

Por lo general, no pensamos de esta manera, porque en la mayoría de los circuitos sucede demasiado rápido para medir. Para largas líneas de transmisión que es medible e importante, sin embargo. No, la corriente no "sabe" cuál es la carga hasta que la ola la alcanza. Hasta ese momento, solo conoce la impedancia característica o "impedancia de sobretensión" de los propios cables. Todavía no sabe si el otro extremo es un cortocircuito o un circuito abierto o alguna impedancia intermedia. Solo cuando la onda reflejada regresa puede "saber" qué hay en el otro extremo.

Consulte el Ejemplo de reflexión de circuito y los efectos de línea de transmisión en sistemas lógicos de alta velocidad para obtener ejemplos de diagramas de red y un gráfico de cómo cambia el voltaje en pasos a lo largo del tiempo.

Y en caso de que no lo entienda, en su primer circuito, la corriente es igual en todos los puntos del circuito. Un circuito es como un circuito de tuberías, todo lleno de agua. Si hace que el agua fluya con una bomba en un punto, el agua en cualquier otro punto del circuito tiene que fluir a la misma velocidad.

Las ondas de campo eléctrico de las que estoy hablando son análogas a las ondas de presión / sonido que viajan a través del agua en la tubería. Cuando mueve agua en un punto de la tubería, el agua en el otro extremo de las tuberías no cambia instantáneamente; La perturbación tiene que propagarse a través del agua a la velocidad del sonido hasta llegar al otro extremo.


2
-1, si pudiera, por una explicación muy pobre que implica "ondas de rebote". Una explicación mucho mejor (por analogía) es esto o esto .
BlueRaja - Danny Pflughoeft

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@ BlueRaja-DannyPlughoeft: No son las ondas que rebotan, y utilizan la misma analogía hidráulica en mi explicación. ¿Puedes ser mas específico?
Endolith

3
Como una pequeña adición. Cuando dibuja un esquema, intenta incluir cualquier componente que afecte la señal y todos los cables se consideran cables perfectos sin tiempo de transmisión. Si tuviera una distancia medible entre la batería y la carga, agregaría una línea de transmisión al esquema. También necesitarías una resistencia de generador. No estoy insinuando que los esquemas siempre incluyen todo, solo que cuando recibes un esquema y lo estás discutiendo, puedes asumir que sí y con experiencia aprender cosas que la gente olvida. En general, supongo que están muy cerca.
Kortuk

55
@ BlueRaja-DannyPflughoeft, agregue una nota con metáforas que le gustaría agregar y endolith podría agregarlas. Agregue una nota diciendo que la respuesta ha sido rechazada por la falta de su favorito y logre poco. Es posible que Endolith no haya escuchado su analogía favorita, no hay razón para que aún no se pueda compartir.
Kortuk

3
@heltonbiker: varía con la geometría, etc., pero quizás 2/3 c. en.wikipedia.org/wiki/Wave_propagation_speed
endolith

25

Como se ha cubierto la teoría, seguiré una analogía aproximada (espero que entienda lo que está preguntando correctamente, no está tan claro)

De todos modos, si imagina una bomba (la batería), algunas tuberías llenas de agua (los cables) y una sección donde la tubería se estrecha (la resistencia)
El agua siempre está ahí, pero cuando enciende la bomba crea presión (voltaje ) y hace que el agua fluya alrededor del circuito (corriente). El estrechamiento de la tubería (resistencia) restringe el flujo (corriente) a una cierta cantidad y provoca una caída de presión a través de ella (tensión a través de la resistencia, en este caso igual a la batería)

Con el segundo circuito (dos resistencias en paralelo) es razonablemente claro que la misma cantidad de corriente que fluye hacia la unión superior debe salir de la unión inferior (ver Kirchoff). Si las resistencias son iguales, entonces compartirán la corriente. Igualmente. Esto puede ser como una tubería grande (cable) dividiéndose en dos tuberías más estrechas (resistencias) y luego fusionándose nuevamente en una tubería grande. Si son desiguales, uno tomará más flujo (corriente) que el otro, pero la salida total siempre se sumará a la entrada total.

Podría hacer la misma pregunta con la analogía del agua: ¿cómo "sabe" el agua cuánto fluye? Porque está limitado por el ancho de las tuberías y la presión de las bombas.

EDITAR - Parece que la pregunta que se hace es un poco diferente de lo que supuse inicialmente. El problema es que hay algunas respuestas diferentes (como puede ver) en diferentes niveles de abstracción, por ejemplo, desde la ley de Ohms hasta Maxwell y la física cuántica. A nivel de electrones individuales, creo que podría tener un problema debido a la dualidad de onda de partículas y al doble camino (ver experimento de doble rendija con fotón) mencionado por Majenko.
Tenga en cuenta que la razón por la que dije anteriormente que "el agua siempre está ahí" es porque los electrones no fluyen a ~ 2/3 de la velocidad de la luz alrededor de un circuito, sino que la energía de uno se propaga al siguiente (más o menos) y así. Un poco como bolas que rebotan aleatoriamente y chocan entre sí, con una tendencia promedio general a rebotar en la dirección del potencial aplicado. Una manera más simple de pensarlo es como una línea de bolas de billar: si golpeas la bola blanca en un extremo, la energía se "transmitirá" a través de todas las bolas (aunque en realidad no cambiarán de posición), y luego la bola en El otro extremo se separará.
Tengo la sensación de que la explicación cuántica podría ser algo así como: solo podemos predecir la probabilidad que un electrón individual "elegirá" un camino (o estará en un área particular) pero el proceso no sería observable directamente (es decir, física teórica)

De cualquier manera, creo que esta es una pregunta excelente y necesita una buena respuesta (trataré de mejorarla si el tiempo lo permite), aunque en el nivel más bajo puede tratarse mejor en la pila de física.


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Al principio, la corriente realmente no lo sabe. Suponiendo un gran interruptor de dibujos animados en la línea, cuando está abierto, representa una gran impedancia. La carga (capacitiva) se acumula a ambos lados; específicamente, los electrones se amontonan en el terminal negativo y el terminal positivo carece del mismo número de electrones que el normal (carga de imagen). El flujo de corriente es insignificante (fA *), por lo que no hay caída potencial a través de la resistencia. Los electrones no tienen movimiento ni flujo neto porque la repulsión electrostática con sus vecinos, incluido el gran grupo en el interruptor, es igual a la fuerza del sesgo del campo eléctrico externo.

Cuando el interruptor se cierra por primera vez, los electrones adicionales cerca del interruptor se unen al otro contacto, completando la carga de la imagen. Ahora que no hay un gran grupo de electrones matones que se niegan a moverse y empujan hacia atrás, el resto se vuelve balístico ( aunque, en realidad , no) y comienza a atravesar el circuito.

Los que están dentro y cerca de la resistencia se encuentran ... resistencia (vamos; tenía que hacerlo) . No hay casi tantos electrones o sitios libres, así que, a diferencia de la impedancia muy grande presentada anteriormente por el interruptor, la carga se acumula en ambos extremos a medida que los impacientes se pelean por un lugar en la línea. Continúa acumulándose hasta alcanzar el equilibrio: el campo electrostático del grupo de electrones que esperan pasar a través de la resistencia es igual al sesgo del campo eléctrico externo.

En este punto, la corriente sabe cuánto fluye, y no cambiará [hasta que te des cuenta de que colocas una resistencia de 1.3 ohmios en lugar de 1.3 kohm, y vuelve a freír y abrir circuitos].

Si la fuente fuera totalmente eliminada del sistema al principio, no habría carga capacitiva inicial. Una conexión instantánea con la fuente (interruptor DPST) conduciría a un campo eléctrico que se propagaría a lo largo del cable cerca de c , acelerando y arrastrando electrones junto con él, y conduciendo a la misma aglomeración del estadio de fútbol en las resistencias. Sin embargo, en el caso de resistencias paralelas, las puertas de dicho estadio pueden ser de diferentes anchuras, por lo que las corrientes de equilibrio serán diferentes.


1
Foto para los votos? Se pone el mío!
Majenko

4

¿Cómo la corriente en un delta del río "sabe" qué rama tomar? "Corriente" en cada caso significa el flujo agregado de moléculas de agua o electrones, así que primero, reemplace la pregunta con "¿Cómo sabe cada electrón (o molécula) qué camino tomar"? No lo hace; simplemente será arrastrado por el flujo local inmediato, y a nivel micro o atómico, tomará el lugar del que sale justo delante de él. Entonces, ¿qué sucede justo en el punto de divergencia? Para nuestros ojos macro, la dirección que toma es aleatoria, distribuida como la (s) relación (es) de las corrientes de rama. En el nivel más bajo, una pequeña perturbación lo empujará de una manera u otra.

(Descripción / analogías muy aproximadas, lo sé, perdone las imprecisiones implícitas).


4

"Saber" cuánto fluir implica conocimiento, lo que implica inteligencia.

La corriente no es inteligente y no fluye per se. La corriente extrae o "extrae" la carga, en este caso las resistencias.

La ley de Ohms determina la cantidad de corriente que consume la carga:

yo=VR

En el primer circuito que es lo suficientemente simple como para calcular.

yoS

1RT=1R1+1R2

o

RT=R1×R2R1+R2

R1R2R1R2


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Consideraría más adecuado definir la fuente como empujar la corriente que la carga como dibujarla. La fuente aplica el poder al sistema. El campo eléctrico mueve la corriente en relación a cuánto "resiste" la carga el flujo de la corriente, pero el campo eléctrico es la fuente de la corriente. Todavía habría un campo eléctrico sin la carga, simplemente sin corriente. Con un cortocircuito, la carga es la corta y la corriente será inmensamente grande.
Kortuk

11
Estás explicando cómo usar la Ley de Ohm para encontrar la corriente, pero no estás respondiendo a la pregunta de OP.
stevenvh

¿No es eso lo que el OP pregunta entonces? Es casi imposible saberlo con esa pregunta. Es más vago que un muñeco de nieve en una tormenta de nieve.
Majenko

55
Quiere saber cómo la corriente sabe cómo dividirse en dos caminos. En el esquema podemos ver lo que queda por delante y hacer el cálculo (lo que hiciste correctamente), pero cuando un electrón llega a un nodo no sabe, de ahí su pregunta "¿cómo sabe qué camino tomar?". Creo que entiende bastante bien Ohm, esto es algo un poco más filosófico.
stevenvh

1
@Majenko: eso en realidad no se aplica en este caso, ya que nos preocupa el fenómeno macroscópico de la electricidad (corriente) en lugar de la posición de cualquier electrón específico, pero A + por esfuerzo ;-)
DrFriedParts

3

En realidad, la corriente no sabe cuánto fluir en t = 0.

Cada resistencia tiene cierta capacitancia, ya que consisten en los lados conductores separados con un aislante (aunque no es perfecto). Debido a esta capacitancia, en t = 0, la corriente se precipita tanto como la fuente de alimentación puede suministrar. Luego se ralentiza después de un tiempo a su valor normal. Cada resistencia práctica se puede modelar como una resistencia y un condensador en paralelo. Entonces, su primer circuito es en realidad un circuito RC paralelo.


Además, no olvide que el campo E (campo eléctrico) crea el campo B (campo magnético) y viceversa. Cuando aplica un voltaje a través de la resistencia, lo que hace es crear un campo eléctrico dentro de la resistencia. Lo que provoca un cambio en el estado del campo eléctrico (eleva el campo eléctrico de cero a un valor distinto de cero). El cambio en el campo eléctrico crea un campo magnético y finalmente crea un flujo de corriente.

Consulte las ecuaciones de Maxwell para obtener más información.


AFAIK, son los campos eléctricos los que hacen que los electrones fluyan, no el campo magnético (o al menos el campo magnético no es lo más importante).
heltonbiker

Iba a señalar que todos los circuitos eléctricos tienen inductancia, una muy pequeña también. Esto detiene la corriente instantánea tanto como la capacitancia lo permite. La relación de estas dos cualidades a veces se llama impedancia de onda y determina cuánta corriente fluirá al principio.
Kortuk

3

¿Qué tan actual sabe? Sabe debido a la mecánica estadística (con Boltzman y más tarde Fermi-Dirac involucrados, y más tarde Maxwell), cuando los fermiones (electrones) a una temperatura particular tienden a ocupar el volumen del conductor (metal) cuando los electrones vuelan libres como partículas de gas ideal y rebotan contra los átomos La velocidad (energía) de las partículas individuales es de aproximadamente 1K millas por segundo (menos que la velocidad de la luz), la velocidad de deriva es de pocos milímetros por segundo (ver wiki "velocidad de deriva"). La distancia promedio de vuelo libre de electrones define la "conductividad". Para el observador del flujo de electrones, el comportamiento de los electrones se verá como una tendencia de las partículas a mantener la "electroneutralidad", cuando cada parte local del conductor contiene aproximadamente la misma cantidad de electrones y protones. Los electrones están cargados, por lo que aplican fuerza repelente entre sí. La participación de la fuerza, la velocidad y la masa en el tiempo significa que hay fotones virtuales emitidos y absorbidos durante la aceleración y la desaceleración de los electrones. Estos fotones se propagan mucho más rápido que las partículas y crean "presión". En general, dependiendo del material, la velocidad de la pared de presión es cercana a la velocidad de la luz. Puede llamarse "ola". El resto de la historia está mejor explicada por Endolith arriba.

Los números de cobre a temperatura ambiente se pueden ver en este artículo .

TLDR: gas de electrones ideal con mecánica estadística-> Boltzman-> Fermi-Dirac-> Maxwell-> Ohm


3

Nadie mencionó el hecho de que todos los esquemas adoptan el llamado modelo de elementos agrupados .

En un esquema, un cable no es un cable en el sentido común, es una relación simplificadora entre nodos. Si desea describir paso a paso lo que le sucede a la corriente (o lo que "detecta") a lo largo de un cable, tendría que dibujar una serie infinita de elementos pasivos.


2

La mejor analogía que me ayudó a entenderlo de manera rápida y fácil, me he encontrado en algún lugar de Internet, pero no puedo señalar la fuente en este momento. Si alguien sabe dónde está, avíseme, para que esto se pueda incluir. La analogía es muy corta y esta será una respuesta muy corta. No hay fórmulas de ningún tipo. Por lo tanto, no es científico, pero es una analogía elegante y realmente fácil de imaginar y comprender para el ser humano.

La mayoría de la gente imagina circuitos simples como los de ejemplos como un tubo o tubería vacía que se llena con agua. Esto se debe en parte a la prolífica analogía del flujo de agua.

En realidad, es mucho más como un tubo lleno de bolas sólidas como un tubo de boliche. Ese tubo está lleno de bolas en línea de punta a punta y no hay espacios entre ellas. Cuando empujas la pelota en un extremo, todas las bolas viajan la misma distancia .

Este movimiento es la corriente de electrones y la fuerza necesaria para mover las bolas es el voltaje aplicado.

Otra fuente de confusión es la oración del "camino de menor resistencia". Alguien puede imaginar a una persona en la encrucijada que elige 1 de 3 formas posibles. Cuando la persona toma un camino, toda la persona toma ese camino, y esta es exactamente la forma en que la corriente NO FLUYE . En cambio, la corriente se "dividirá" y fluirá en todas las direcciones posibles, pero proporcionalmente a la resistencia en esas formas. A veces la resistencia es tan alta que la cantidad actual es tan pequeña que es beneficioso descuidarla para simplificarla.


0

VSVSR

yo1=VSR1

yo2=VSR2

yoS

yoS=yo1+yo2

yoSR1R2

R1El |El |R2El |El |...Rnorte=1(1R1+1R2+...1Rnorte)

R1El |El |R2=11R1+1R2=R1×R2R1+R2

Usando la ley de Ohm nuevamente, es sencillo calcular Is:

yoS=VSR1El |El |R2=VS×R1+R2R1×R2

yoS

yoS=yo1+yo2

yoS=VSR1+VSR2=VS×1R1+1R2=VS×R1+R2R1×R2=VS×(R1El |El |R2)


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El mismo comentario que hice a la respuesta de Matt: según tengo entendido, está preguntando cómo saben los electrones qué camino tomar cuando llegan al nodo, porque no saben qué resistencia les espera. Podemos verlo porque tenemos el esquema, pero si sigues un camino que se divide, no puedes decir en el momento cuánta corriente irá a la izquierda y cuánta a la derecha. Pero si bien tenemos tiempo para jugar con Ohm y Kirchhoff, el electrón no puede detenerse allí para mirar hacia adelante. Voté la pregunta.
stevenvh

Antes de decir palabras como "confuso" y oraciones como "las ondas tienen algo que ver ..." es mejor que repase sus conceptos básicos y aprenda sobre los estados transitorios y estables de un circuito eléctrico / electrónico.
Claudio Avi Chami

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En realidad, las olas tienen mucho que ver con eso, hasta que se alcanza un estado estable. Inicialmente, incluso el circuito más simple hecho de una batería, un interruptor, un cable y una resistencia, es una línea de transmisión, rodeada de ondas electromagnéticas, y requiere un análisis transitorio para comprender. Este análisis transitorio responderá a la pregunta inicial en este blog, si entiendo la pregunta ... Incluso la batería es compleja, e inicialmente, hasta que se alcanza el estado estable, requiere un análisis que se rige por maxwells eqn y más. En años pasados, DC101 se enseñó inicialmente utilizando la analogía del agua en tuberías, etc. También se elaboraron analogías para inductancia y capacitancia. Es una excelente manera de ayudar a alguien a entender DC, si tiene cinco minutos para enseñárselo, y la ley de ohmios es lo más lejos que puede llevar a su estudiante.


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Es como una autopista llena de automóviles donde la autopista es el conductor y los automóviles son los electrones. Si hay obras viales por delante que limitan la autopista de tres a un carril, todos los carriles disminuyen la velocidad y los autos a 20 millas detrás tampoco podrán ir más rápido en la sección de tres carriles porque los autos en el frente no los dejarán.