Corrente costante in un circuito?

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

Una batteria pompa gli elettroni creando un campo elettrico e convertendo l'energia potenziale elettrica in cinetica. Vicino al terminale positivo gli elettroni hanno più energia cinetica, quindi la corrente non dovrebbe essere più alta?

Un'analogia potrebbe chiarire la mia domanda: se lasci cadere una palla da un edificio, la palla accelera quando raggiunge il suolo perché più energia potenziale è stata convertita in energia cinetica. Allo stesso modo, gli elettroni non dovrebbero muoversi più velocemente quando si avvicinano al terminale positivo, poiché hanno più energia cinetica? E di conseguenza la corrente non dovrebbe essere più alta?

Nei circuiti elettrici la velocità è praticamente la corrente (Coulomb / sec). L'energia cinetica è proporzionale al quadrato della velocità (1/2 * m * v ^ 2), significa che se hai una corrente costante, hai in media un'energia cinetica costante.

Pertanto, poiché l'intero filo è pieno di elettroni (praticamente senza gap); tutti gli elettroni devono avere la stessa velocità (stessa corrente) e quindi l'energia cinetica è uguale ovunque.

Analogia, dove molecole d'acqua = elettroni. Puoi vedere che le molecole all'inizio della pompa non hanno una velocità (corrente) maggiore.

Un'altra analogia più debole è quella di un treno. Immagina il motore (batteria) come il meccanismo che applica la forza (tensione / emf) al resto dei carrelli (elettroni). Tutti i carrelli del treno avranno la stessa velocità.

Ci sono alcune buone risposte teoricamente valide qui. Vorrei provare a spiegare da un altro punto di vista:

Tendo a non pensare agli elettroni che fluiscono attraverso i fili, poiché ciò implica che la loro massa e quantità di moto è ciò che sta causando il trasferimento di energia. Senti spesso che dovresti immaginare un tubo di palline da ping-pong. Ma anche questo può essere fuorviante! Immagina invece un tubo di 8 piedi di diametro pieno di sabbia. Forzate un po 'di sabbia da un lato e alcuni ne usciranno dall'altro, ma velocità, massa e quantità di moto non ci giocano molto.

Il trasferimento di energia avviene a causa di un fronte d'onda di elettroni eccitati che spingono (tramite campi elettrici) tutti gli altri elettroni che li circondano. Non a causa della massa di elettroni che impartisce il momento newtoniano. L'attuale deriva elettronica in un conduttore di rame spesso 1 mm è dell'ordine di un millimetro al secondo!

In realtà, questo è uno dei grandi luoghi in cui l'analogia dell'acqua si rompe. Non c'è momento elettrico basato sulla massa! (Questa è una dichiarazione forte, e non assolutamente corretta, ma ti servirà bene)

Se vuoi "aggiungere" slancio al tuo circuito, userai un induttore. Questo rende di nuovo utile l'analogia dell'acqua :)

C'è un eccellente esempio di questo analogo. Dai un'occhiata a questo Youtube di una pompa Ram: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . È una vecchia tecnologia ordinata che molte persone non hanno mai visto. Si scopre che è esattamente lo stesso di un convertitore boost! Se non hai ancora visto i convertitori boost, lo farai presto. Sono utilizzati ovunque nei circuiti elettrici.

La pompa Ram funziona in base allo slancio. Per farlo funzionare nell'elettronica, usi un induttore per impartire un analogo del momento! È meraviglioso! Utilizzare un diodo per la valvola unidirezionale e un condensatore per la camera di pressione.

Ti stai imbarcando in un'avventura divertente, tutta questa cosa di ingegneria / fisica :)

In bocca al lupo.

Perché la costante attuale è ovunque?

Beh, non lo è, davvero. Ecco cosa manca nella tua analogia: se la differenza nel potenziale gravitazionale dall'alto verso il basso dell'edificio è analoga alla differenza nel potenziale elettrico (tensione) della batteria e la palla rappresenta una carica elettrica (diciamo un elettrone) , quello che ti manca è tutta l'altra carica nel filo.

Tutti i conduttori sono pieni di carica elettrica mobile, come un tubo pieno d'acqua. Se metti un po 'di carica a un'estremità, crei una "pressione" più elevata a quella estremità. Quindi un'onda di forza si propaga attraverso il fluido con l'eventuale risultato di equalizzare la pressione ovunque. In acqua, queste onde si muovono alla velocità del suono. In un filo, si muovono alla velocità della luce. ¹

Poiché queste onde si propagheranno alla fine dell'intero circuito, se la tensione della batteria non cambia, alla fine raggiungerà l'equilibrio e la corrente sarà la stessa ovunque. Quando la dimensione del circuito è piccola, la luce è così veloce che è un ragionevole presupposto semplificativo che queste onde si propagano "istantaneamente", e quindi la corrente è la stessa ovunque nel circuito.

Quando questo non è il caso, e il tempo impiegato per la propagazione delle modifiche diventa significativo, il circuito sarà probabilmente modellato con una linea di trasmissione e probabilmente stai entrando nella disciplina dell'ingegneria RF .

Probabilmente non dovresti nemmeno pensare agli elettroni che si spostano dal terminale negativo al terminale positivo. Ti confonderai perché tutto sarà all'indietro (perché gli elettroni sono cariche negative ) e ti dimenticherai anche di circa metà della carica nell'universo: protoni e altre cariche positive . Raramente è rilevante il movimento dei singoli elettroni, e in molti circuiti (e certamente in qualsiasi circuito con una batteria), gli elettroni non sono i soli portatori di carica. Di solito ci preoccupiamo delle forze trasmesse dai portatori di carica, non dai portatori di carica. Vedere:

• In che modo l'acqua salata è in grado di condurre una carica elettrica tra due fili?
• Quali componenti di tutti i giorni comportano flussi di carica che non sono elettroni?
• Flusso di corrente nelle batterie?

Nel tuo caso particolare, quando la batteria viene connessa per la prima volta, gli elettroni vengono attratti dal terminale positivo e respinti dal terminale negativo. La corrente inizia a fluire su entrambi i terminali della batteria, quindi l'onda di forza si propaga attraverso il filo fino a quando la corrente scorre ovunque e il circuito raggiunge l'equilibrio.

Probabilmente troverai anche questo illuminante: come fa la corrente a sapere quanto deve fluire, prima di aver visto la resistenza?

^{1: La velocità della luce in determinati materiali differisce, proprio come la velocità del suono. Guarda il fattore di velocità e la radiazione di Cherenkov molto fresca , qualcosa di simile all'analogo della luce di un boom sonico.}

L'energia cinetica derivante dalla deriva elettronica è minima. Possiamo vederne l'effetto nei circuiti superconduttori e alle frequenze che si avvicinano alla luce del giorno, dove appare come una sorta di induttanza , ma non è significativa nei circuiti ordinari.

Gli elettroni in un filo vanno alla deriva molto lentamente, metri all'ora. Ciò rappresenta una corrente sostanziale perché ce ne sono molti.

Ricordiamo che la corrente è un flusso di carica (quantizzato come tanta carica per elettrone) per unità di tempo, nulla a che fare con l'energia cinetica, solo quanti elettroni passano un dato "divisore" al secondo.

Gli elettroni che si muovono in un filo non sono come le palle che cadono.

Quando lasci cadere una palla da un edificio, non si ferma molto fino a quando non colpisce il terreno. C'è solo aria sulla strada, che rappresenta una piccola influenza sulla palla sulle condizioni che si potrebbero immaginare in questo esperimento mentale.

I circuiti elettrici non sono così. La massa degli elettroni rispetto alla massa di tutto il resto (protoni, neutroni) nel filo è molto piccola. Ma più significativamente, il filo è pieno di elettroni. Non puoi "far cadere" un elettrone: colpirà solo altri elettroni. Non pensare a una palla: pensa a un mare di palle. Le singole sfere non sono così rilevanti: di solito ci preoccupiamo di come sfruttare questo "fluido" invisibile per fare il lavoro.

A proposito, il circuito che hai disegnato non può esistere. In uno schema, le linee rappresentano "fili" ideali che sono infinitamente conduttivi, il che significa che la tensione è la stessa ovunque in essi. Ci sono molti modi per spiegarlo, ma eccone uno: prendi la legge di Ohm:

Il nostro filo ideale "infinitamente conduttivo" significa "resistenza zero". Così:

Può tensione ($V$) essere tutt'altro che zero volt?

Nel frattempo la batteria mantiene idealmente un 9 V costante tra i suoi terminali. Se chiamiamo il potenziale al terminale positivo$V_+$ e il potenziale al terminale negativo $V_-$, quindi la batteria introduce il vincolo:

Il cavo schematico che collega i terminali della batteria condivide anche gli stessi terminali della batteria e, come sopra, la tensione attraverso questo cavo deve essere 0 V, per definizione. Quindi abbiamo questo sistema di equazioni:

C'è qualche soluzione a questo sistema di equazioni? Non c'è. Questo circuito non può esistere.

Se si tenta di costruire questo circuito con un filo reale, quel filo avrà una piccola resistenza. Diciamo che lo è$1\Omega$. La maggior parte dei fili corti sarà inferiore, ma ciò faciliterà la matematica. Ora le equazioni sono:

Ora è chiaro che la corrente sarà 9A.

Questo dovrebbe rendere più chiaro il tuo esperimento mentale: in qualsiasi circuito reale , ci deve essere una certa resistenza ¹ tra i terminali della batteria. Se vuoi fare un'analogia con fenomeni fisici più familiari, la resistenza è come un attrito che agisce sulla carica elettrica. È qui che arriva l'energia che sposta la carica da un potenziale elevato (terminale positivo) a un potenziale inferiore (terminale negativo): viene convertita in calore nel resistore.

^{1: i superconduttori non hanno resistenza, ma hanno induttanza. A condizione che la batteria possa continuare a fornire energia, non vi è alcun limite all'altezza della corrente, ma la corrente cresce a una velocità finita, quindi una corrente infinita richiederebbe una fonte di energia infinita.}