¿Cómo averiguan los electrones cuál es el camino de menor resistencia?

Cuando se enciende un interruptor, una ruta con mayor resistencia ofrece más oposición al flujo de electrones, en comparación con una ruta con menor resistencia.

Considere el escenario en el que se encuentra en un McDonald’s abarrotado, esperando su turno para hacer un pedido. ¿Esperaría en línea con un servicio más lento para su pedido de comida para llevar, o tomaría la línea con un servicio más rápido?

Tome el camino de menor resistencia a su comida favorita (Crédito: @ AZ.BLT / Twenty20.com)

Con todas las probabilidades, tomará la línea que parece moverse más rápido, es decir, el camino de menor resistencia. Algo similar también ocurre con los electrones que fluyen a través de los cables. Aunque la respuesta pueda parecer obvia, el mecanismo del flujo de electrones para tomar el camino de menor resistencia es algo más complejo.

¿Qué es un electrón?

La escuela nos enseñó que los átomos son los componentes básicos de toda la materia. Un átomo consta de partículas más pequeñas llamadas partículas subatómicas. Un electrón es una clase de partículas subatómicas elementales llamadas leptones. Los leptones son elementales porque no están compuestos de subpartículas más pequeñas.

El modelo estándar de física de partículas (Crédito: Wikimedia Commons)

Establezcamos algunas leyes fundamentales sobre los electrones:

• Todos los electrones son idénticos.
• Los electrones tienen una carga negativa (-1,602 × 10-19 C).
• Los electrones se repelen entre sí.
• Los electrones se mueven casi a la velocidad de la luz, es decir, 300.000 km / s (¡imagínese viajando alrededor del ecuador 7 veces en un solo segundo!)

¿Qué es la corriente eléctrica?

El flujo de carga por unidad de tiempo se llama corriente eléctrica.

La dirección del flujo de corriente es opuesta a la dirección del flujo de electrones (Crédito de la foto: VectorMine / Shutterstock)

Todos los aparatos eléctricos, como luces de tubo, acondicionadores de aire, géiseres, etc., tienen cargas que fluyen a través de los cables dentro de ellos cuando se encienden. En un mundo ideal, esas cargas podrían fluir a través del camino que tienen por delante sin ninguna obstrucción, pero la naturaleza pensó lo contrario …

Supongamos que tenemos un cable que se opone al flujo de cargas a través de él. Se dice que dicho cable tiene una resistencia R.

¿Ha llegado el momento de hacer que la naturaleza obedezca al hombre?

Observe que la dirección del flujo de corriente es opuesta a la dirección del flujo de electrones. Para hacer que fluyan los electrones, conecte los extremos opuestos de un cable a una batería. Se desarrolla una diferencia de potencial en los extremos opuestos.

La diferencia de potencial explica qué tan lejos está una partícula de un estado energéticamente estable. Todas las partículas tienden a alcanzar su estado energéticamente más estable, es decir, poseen la menor energía posible dentro de su entorno (movimiento de un estado de alto potencial a uno de bajo potencial).

Dentro de un cable desconectado de una batería, algunos electrones están unidos a los átomos y no pueden moverse. Aún así, algunos electrones libres se mueven en direcciones aleatorias. Esta situación es análoga a un restaurante abarrotado donde algunas personas están sentadas y no se mueven, mientras que los que están de pie caminan en direcciones aleatorias dentro del restaurante.

Electrones libres en presencia de una diferencia de potencial.

Cuando se conecta una batería, existe una diferencia de potencial en los extremos opuestos del cable (o en nuestra metáfora, el mostrador de comida para llevar se abre y los que están esperando comienzan a formar filas), lo que tiene las siguientes consecuencias:

• Los electrones en el extremo conectado al terminal negativo de la batería experimentan una fuerza repelente desde el terminal, empujando hacia el cable alejándose de la batería.
• Los electrones en el extremo conectado al terminal positivo experimentan una fuerza de atracción hacia el terminal, alejándose del cable hacia la batería.
• Los electrones en el medio son empujados hacia adelante por los electrones detrás de ellos y empujados hacia atrás por los electrones al frente.
• El efecto neto de lo anterior es que un flujo direccional organizado de electrones comienza desde el extremo negativo hasta el extremo positivo.
• La obstrucción que se ofrece a este flujo es la resistencia del alambre.

Circuito paralelo (Crédito de la foto: Drp8 / Shutterstock)

Deje que dos cables, A y B, estén conectados a la misma batería. Además, sea Ra la resistencia de A y Rb la resistencia de B y suponga que Ra> Rb.

¿Puedes adivinar qué cable permitirá que fluya una mayor cantidad de electrones, dado que las dimensiones físicas de ambos cables (largo y ancho) son las mismas?

La respuesta es B, pero intentemos comprender el mecanismo para una mayor claridad.

Mecanismo

Cuando se enciende el interruptor, los electrones en ambos cables conectados al terminal negativo fluyen desde el terminal hacia los cables, pero A ofrece más oposición al flujo de electrones que B. Por lo tanto, los electrones en B fluyen más fácilmente que en A Esto es análogo a la línea McDonalds con un servicio más rápido. Gradualmente, más personas notarán que B tiene un tiempo de servicio más rápido que A y, por lo tanto, ingresarán a la línea B.

De manera similar, en el terminal positivo, los electrones en B se mueven más fácilmente hacia la batería y se alejan del cable que en A.

Los electrones dentro de la batería en el terminal negativo tienen la opción de ingresar a A o B. Dado que la oposición al flujo es menor en B que en A, más electrones fluyen a través de B que A durante una duración fija. Esta acumulación de flujo de electrones dentro de B continúa hasta que no puede acomodar más electrones libres. Por lo tanto, se establece un estado estable (llamado equilibrio). Este equilibrio se mantiene hasta que se conecta la fuente de alimentación. Una vez que se elimina el suministro, los electrones vuelven a su deambular sin rumbo (la gente se aleja en diferentes direcciones una vez que el restaurante cierra).

Conclusión

Es fascinante que los electrones estén contenidos en toda la materia que nos rodea. También parece un poco más plausible que existan similitudes entre humanos y electrones que antes se desconocían. Elegir el camino de menor resistencia puede ser algo natural para los electrones, ¡pero también es una práctica que los humanos también deberían adoptar!