Speaker None
Imagina que tienes un circuito gigante que consiste de una batería, un interruptor, una bombilla y dos cables de 300,000 kilómetros cada uno.
Explicación clara y profunda sobre cómo realmente fluye la energía eléctrica en un circuito, desmintiendo mitos comunes sobre los electrones.
Key Takeaways
- La energía eléctrica se transmite a través de campos eléctricos y magnéticos, no por el movimiento directo de electrones.
- El vector de Poynting es fundamental para entender el flujo de energía en circuitos eléctricos.
- Los electrones se mueven muy lentamente y no son los portadores de energía en la red eléctrica.
- La corriente alterna implica que los electrones oscilan, pero la energía fluye en una sola dirección.
- Los conceptos tradicionales sobre electricidad que se enseñan comúnmente son erróneos o incompletos.
Summary
- Plantea una pregunta sobre el tiempo que tarda en encenderse una bombilla en un circuito gigante con cables muy largos.
- Explica que la electricidad en la red es corriente alterna y que los electrones no viajan desde la central hasta el hogar.
- Desmiente la idea común de que los electrones transportan la energía directamente a los aparatos eléctricos.
- Introduce la teoría de James Clerk Maxwell sobre campos eléctricos y magnéticos oscilantes.
- Presenta el vector de Poynting, que describe el flujo de energía electromagnética a través de los campos eléctricos y magnéticos.
- Demuestra que la energía eléctrica se transmite a través de los campos alrededor de los cables, no por el movimiento de electrones.
- Explica cómo la energía fluye en un circuito simple con batería y bombilla usando la regla de la mano derecha para el vector de Poynting.
- Aclara que los electrones se mueven muy lentamente y que la energía viaja rápidamente por los campos electromagnéticos.
- Muestra que la energía fluye en una sola dirección, de la batería a la bombilla, a pesar de que la corriente alterna cambia de sentido.
- Concluye que es incorrecto pensar que los electrones llevan la energía; son los campos electromagnéticos los que la transportan.
Full Transcript — Download SRT & Markdown
Speaker None
La pregunta es, luego de apagar el interruptor, ¿cuánto tardará la bombilla en prenderse? Medio segundo, un segundo, dos segundos, uno sobre C segundos o ninguna de esas.
Speaker None
Debes dar por sentado algunas cosas que lo simplifican, como que los cables no deben tener resistencia o esto no funcionaría, y que la bombilla se enciende en el instante en el que la atraviesa la corriente.
Speaker None
Esta pregunta se relaciona con cómo la energía eléctrica llega de la central eléctrica a tu casa.
Speaker None
A diferencia de una batería, la electricidad en la red llega en forma de corriente alterna, o sea, lo que significa que los electrones en los cables se mueven hacia adelante y atrás, nunca van a ninguna parte.
Speaker None
Así que, si las cargas no vienen de la central a tu casa, ¿cómo llega la energía eléctrica hasta tu casa?
Speaker None
Cuando daba clases sobre esto, solía decir que los cables son como este tubo plástico flexible.
Speaker None
Y que los electrones dentro son como esta cadena.
Speaker None
Lo que hace la central eléctrica es empujar y tirar de los electrones ida y vuelta 60 veces por segundo.
Speaker None
En tu casa, puedes enchufar algo como una tostadora, lo que significa que permites que los electrones pasen por ella.
Speaker None
Así que, cuando la central empuja y tira de los electrones, estos se encuentran resistencia en la tostadora.
Speaker None
Y disipan su energía como calor y puedes tostar tu pan.
Speaker None
Esto es muy genial, hace fácil verlo y creo que mis alumnos lo entendieron.
Speaker None
Pero hay un problema.
Speaker None
Es incorrecto.
Speaker None
En primer lugar, no hay un cable continuo que vaya directamente desde la central de energía hasta tu casa.
Speaker None
No, hay brechas físicas, hay quiebres en la línea, como en los transformadores.
Speaker None
Donde hay una bobina de cable de un lado y otra bobina del otro lado y así los electrones no pueden fluir de una a la otra.
Speaker None
Además, si son los electrones los que llevan la energía de la central hasta tu aparato.
Speaker None
Cuando esos mismos electrones fluyan hacia la central, ¿por qué no llevan energía de vuelta desde tu casa hasta la central?
Speaker None
Es decir, si la corriente fluye en ambas direcciones.
Speaker None
¿Por qué la energía solo fluye en una dirección?
Speaker None
Estas son las mentiras que te enseñaron sobre la electricidad, que los electrones en sí mismos tienen energía potencial.
Speaker None
Que son empujados o atraídos en un bucle continuo y que disipan su energía en los dispositivos.
Speaker None
En este video, propongo que todo eso es falso.
Speaker None
Así que, ¿cómo funciona en verdad?
Speaker None
En las décadas de 1860 y 70, hubo grandes avances para entender el universo.
Speaker None
Cuando el físico escocés James Clerk Maxwell descubrió que la luz está hecha de campos eléctricos y magnéticos oscilantes.
Speaker None
Esos campos oscilan perpendicularmente entre ellos y están en fase, por lo que si uno está en su máximo, también el otro.
Speaker None
Él hizo las ecuaciones que gobiernan el comportamiento de los campos eléctricos y magnéticos y, por ende, estas ondas.
Speaker None
Hoy son llamadas las ecuaciones de Maxwell.
Speaker None
Pero en 1883, uno de los discípulos de Maxwell, John Henry Poynting, comienza a pensar en la conservación de la energía.
Speaker None
Si la energía se conserva localmente en cada rincón del espacio, deberías ser capaz de rastrear el camino por el que fluye la energía de un lugar a otro.
Speaker None
Piensa en la energía que viene a nosotros desde el sol.
Speaker None
Durante esos 8 minutos en los que la luz viaja, la energía se almacena y transmite.
Speaker None
En los campos eléctricos y magnéticos de la luz.
Speaker None
Poynting elabora una ecuación que describe el flujo de energía.
Speaker None
Es decir, cuánta energía electromagnética pasa por cierta área por segundo.
Speaker None
Esto se conoce como el vector de Poynting y se le da el símbolo S.
Speaker None
La fórmula es bastante simple, es una constante, uno sobre mu sub cero, que es la permeabilidad del vacío, multiplicado por el producto cruz de E por B.
Speaker None
Esto es el producto vectorial de los campos eléctrico y magnético.
Speaker None
El producto cruzado es una forma particular de multiplicar dos vectores entre sí, donde multiplica sus magnitudes perpendiculares.
Speaker None
Y para hallar la dirección, pones los dedos en la dirección del primer vector, en este caso es el campo eléctrico, y los curvas en la dirección del segundo vector, los campos magnéticos.
Speaker None
Y tu pulgar apunta en la dirección del vector resultante, el flujo de energía.
Speaker None
Lo que esto nos demuestra sobre la luz es que la energía fluye perpendicularmente a los campos magnéticos y eléctricos.
Speaker None
Y es en la misma dirección en la que viaja la luz, lo que tiene mucho sentido.
Speaker None
La luz lleva energía desde su fuente hasta su destino.
Speaker None
Pero la clave es esta: la ecuación de Poynting no solo funciona para la luz.
Speaker None
Funciona cada vez que coinciden campos eléctricos y magnéticos.
Speaker None
Siempre que haya campos eléctricos y magnéticos juntos, hay un flujo de energía y puedes calcularlo usando el vector de Poynting.
Speaker None
Para ilustrar esto, veamos un circuito simple con una batería y una bombilla.
Speaker None
La batería en sí misma tiene un campo eléctrico, pero como las cargas no se mueven, no hay campo magnético.
Speaker None
Por lo que la batería no pierde energía.
Speaker None
Cuando la batería se conecta al circuito, su campo eléctrico se extiende por ese circuito a la velocidad de la luz.
Speaker None
Este campo eléctrico empuja electrones que se acumulan en algunas superficies de los conductores, generándoles cargas negativas y se reducen en otras.
Speaker None
Dejando esas superficies con carga positiva.
Speaker None
Estas cargas en las superficies crean un pequeño campo eléctrico dentro de los cables, causando que los electrones viajen preferentemente en una dirección.
Speaker None
La velocidad en que viajan es muy lenta, alrededor de una décima de milímetro por segundo.
Speaker None
Pero esto es la corriente.
Speaker None
Bueno, la corriente convencional por definición fluye contraria al sentido de los electrones.
Speaker None
Pero les diré cómo ocurre esto.
Speaker None
La carga en la superficie de los conductores también crea un campo eléctrico afuera de los cables.
Speaker None
Y la corriente dentro de los cables crea un campo magnético afuera de ellos.
Speaker None
Ahora existe una combinación de campos eléctricos y magnéticos en el espacio alrededor del circuito.
Speaker None
Según la teoría de Poynting, debería haber un flujo de energía.
Speaker None
Y podemos determinar la dirección de este flujo usando la regla de la mano derecha.
Speaker None
Alrededor de la batería, el campo eléctrico está hacia abajo y el campo magnético hacia adentro de la pantalla.
Speaker None
Así que hallas que la energía fluye hacia afuera y a la derecha de la batería.
Speaker None
De hecho, alrededor de la batería, hallas que la energía es radial hacia afuera.
Speaker None
La energía va hacia afuera por los lados de la batería hacia los campos.
Speaker None
A través de los cables, también puedes usar la misma regla y hallas que la energía fluye hacia la derecha.
Speaker None
Esto sucede en los campos alrededor del cable superior y del cable inferior.
Speaker None
Pero en el filamento, el vector de Poynting apunta hacia adentro de la bombilla.
Speaker None
La bombilla está obteniendo energía del campo.
Speaker None
Si haces el producto vectorial, hallas que la energía está llegando en todas direcciones hacia la bombilla.
Speaker None
Toma muchos caminos desde la batería hasta la bombilla, pero en todos los casos la energía es transmitida por los campos eléctricos y magnéticos.
Speaker Dr. Bruce Hunt
La gente suele creer que bombeas electrones, que compras electrones o algo así.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Están muy equivocados.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Para mucha gente, al día de hoy es muy contraintuitivo pensar que la energía fluye en el espacio alrededor del conductor.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Pero la energía que viaja por el campo lo hace.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Bastante rápido.
Speaker None
Hay varias cosas para observar aquí.
Speaker None
A pesar de que los electrones van en dos direcciones, hacia afuera de la batería y hacia ella, al usar el vector de Poynting.
Speaker None
Hallas que la energía fluye solo en una dirección, de la batería hacia la bombilla.
Speaker None
Esto también muestra que son los campos y no los electrones los que llevan la energía.
Speaker Dr. Bruce Hunt
¿Cuánto se mueven los electrones en el esquema que planteas?
Speaker Dr. Bruce Hunt
Casi nada.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Tal vez no se muevan.
Speaker None
¿Qué sucede si en lugar de una batería, usamos una fuente de corriente alterna?
Speaker None
La dirección de la corriente se revierte cada medio ciclo.
Speaker None
Esto quiere decir que tanto los campos eléctricos como magnéticos se invierten a la vez.
Speaker None
Así que, en todo momento, el vector de Poynting sigue apuntando en la misma dirección, de la fuente a la bombilla.
Speaker None
El mismo análisis que usamos con la corriente continua funciona con la alterna.
Speaker None
Y esto explica cómo la energía puede fluir de las centrales eléctricas a los hogares por el tendido eléctrico.
Speaker None
Dentro de los cables, los electrones se mueven hacia atrás y adelante.
Speaker None
Aquí se puede ver de forma exagerada.
Speaker None
Pero no llevan la energía.
Speaker None
Fuera de los cables, los campos eléctricos y magnéticos oscilantes viajan de la central eléctrica a tu hogar.
Speaker None
Puedes usar el vector de Poynting para ver que el flujo de energía va en una dirección.
Speaker None
Quizás creas que esto es solo una discusión académica, que puedes pensar a la energía como transmitida por los campos o por la corriente del cable.
Speaker None
Pero no es así.
Speaker None
Y la gente lo aprendió de la forma difícil cuando colocaron cables submarinos de telégrafo.
Speaker None
El primer cable transatlántico fue colocado en 1858.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Solo funcionó un mes.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Nunca funcionó bien.
Speaker None
Hay todo tipo de distorsiones al enviar señales.
Speaker Dr. Bruce Hunt
Enormes distorsiones, podían usarlo a un par de palabras por minuto.
Speaker None
Hallaron que al enviar señales a tanta distancia bajo el mar, los pulsos se distorsionaban y se alargaban.
Speaker None
Era difícil diferenciar a los puntos de las rayas.
Speaker None
Para explicar estas fallas, hubo un debate entre científicos.
Speaker None
Willian Thomson, el futuro Lord Kelvin, creía que las señales eléctricas a través de cables submarinos eran como agua fluyendo en un tubo de goma.
Speaker None
Pero otros, como Heaviside y Fitzgerald, decían que eran los campos alrededor de los cables los que movían la energía e información.
Speaker None
Y finalmente, se probó que era cierto.
Speaker None
Para aislar y proteger el cable submarino, el conductor de cobre central fue recubierto por un aislante e introducido en una funda de hierro.
Speaker None
El hierro pretendía fortalecer el cable, pero como buen conductor, interfería con la propagación de campos electromagnéticos porque aumentaba la capacitancia del cable.
Speaker None
Por esto, hoy la mayoría de los cables están suspendidos en lo alto.
Speaker None
Incluso la tierra húmeda funciona como un conductor.
Speaker None
Así que es mejor tener un gran espacio de aire que aísle los cables del suelo.
Speaker None
Entonces, ¿cuál es la respuesta a la pregunta sobre el circuito gigante con la bombilla?
Speaker None
Luego de presionar el interruptor, la bombilla se encenderá casi inmediatamente.
Speaker None
En alrededor de uno sobre C segundos.
Speaker None
La respuesta correcta es la D.
Speaker None
Creo que mucha gente imagina que el campo eléctrico necesita viajar de la batería a través del cable de un segundo luz de largo.
Speaker None
Por lo que debería tardar un segundo en encenderse.
Speaker None
Pero lo que hemos aprendido es que lo que importa no es lo que sucede en los cables.
Speaker None
Es lo que pasa a su alrededor.
Speaker None
Y los campos eléctricos y magnéticos pueden propagarse en el espacio hasta la bombilla que está a un metro en nanosegundos.
Speaker None
Y ese es el factor limitante para que se encienda.
Speaker None
Ahora, la bombilla no recibirá el voltaje completo de la batería inmediatamente.
Speaker None
Será una fracción que depende de la impedancia de los cables y de la bombilla.
Speaker None
Le pregunté a varios expertos sobre esto y obtuve respuestas diferentes.
Speaker None
Pero todos coincidían en estos puntos claves.
Speaker None
Pondré sus análisis en la descripción, en caso de que quieras saber más sobre este esquema en particular.
Speaker None
Si no me creen y la gente cree que no es cierto.
Speaker None
Definitivamente podemos invertir y armar la instalación, hacer nuestro cableado en el desierto.
Speaker Dr. Karl Berggren
Intentarán refutarlo.
Speaker Dr. Robert Olsen
Estoy de acuerdo.
Speaker Dr. Robert Olsen
Dirán que no es verdad.
Speaker None
Eso es lo que pienso.
Speaker None
Creo que es algo extraño que esto sea de esas cosas que usamos todos los días y sobre las que casi nadie piensa ni conoce la respuesta.
Speaker None
Las ondas electromagnéticas que viajan alrededor de los cables son las que en verdad traen tu energía.
Topics:electricidadvector de Poyntingcampos electromagnéticoscorriente alternaJames Clerk Maxwellenergía eléctricaelectronescircuitos eléctricosfísicaVeritasium
![[아이온2] 담당자 분들 꼭 보셔야합니다. 마도성 PVE 치명적인 문제점 정리. — Transcript](https://i.ytimg.com/vi/naemKok4kCI/maxresdefault.jpg)
