Walking the Loop — Where the Potential Rises and Falls
Una batería de plomo-ácido sellada de 12 V alimenta una resistencia de potencia en un único circuito cerrado sobre una placa. Una carga de prueba sale del punto a, en el borne negativo de la batería, y recorre el circuito una vez: atraviesa la batería, pasa por b, atraviesa la resistencia R y vuelve a a. Una valla translúcida sobre su camino sube y baja con el potencial eléctrico, y una gráfica dibuja la misma historia a medida que avanza el recorrido. Tres controles deslizantes fijan la fem de la batería, su resistencia interna y la resistencia R. Un amperímetro en el circuito muestra la corriente, y un multímetro sujeto a los bornes de la batería muestra la tensión que la batería entrega de verdad.
Cómo usar esta simulación
- Fem de la batería V_B: de 1 a 12 V, empezando en 12 V.
- Resistencia interna r: de 0 a 2 Ω, empezando en 0,5 Ω; está escrita en la etiqueta de la batería, que desaparece cuando r = 0.
- Resistencia R: de 0,5 a 20 Ω, empezando en 5,5 Ω. Un cambio vuelve a resolver el circuito y deja la línea de tiempo donde está.
- Reproducir/pausa, volver al inicio, una línea de tiempo que puede arrastrar a cualquier instante y cámara lenta ½×, ¼×, ⅛×.
- Arrastre sobre la escena para mirar alrededor.
Qué observar
- Con los valores iniciales el amperímetro marca 2,000 A y el multímetro 11,00 V, no 12 V: el voltio que falta se gasta dentro de la batería.
- Dentro de la batería la valla primero sube los 12 V completos y luego baja Ir = 1 V antes de que la carga llegue al borne +.
- A lo largo de cada cable la valla se mantiene horizontal; a través de R baja 11 V, y el recorrido termina exactamente donde empezó: +12 − 1 − 11 = 0.
- Ponga r a 0 y el multímetro marca la fem completa. Suba r a 2 Ω y baje R a 0,5 Ω: circulan 4,8 A, Ir vale 9,6 V y en los bornes quedan solo 2,4 V.
- Sean cuales sean los valores, la gráfica vuelve siempre a 0 V en a: la batería da a cada culombio exactamente la energía que el circuito le quita.
La física detrás
La segunda ley de Kirchhoff es la conservación de la energía para una carga que recorre un circuito cerrado: los cambios de potencial suman cero, ΣV = 0, o, de forma equivalente, las fem equilibran las caídas IR, ΣV_B = ΣIR. Al atravesar la batería de − a +, el potencial sube su fem V_B; la propia resistencia de la batería, r, le quita Ir; al atravesar R en el sentido de la corriente, el potencial baja IR; los cables de conexión no cambian nada. Así, V_B − Ir − IR = 0, de donde I = V_B/(R + r). Con V_B = 12 V, r = 0,5 Ω y R = 5,5 Ω la corriente es 12 ÷ 6 = 2 A: la batería eleva cada culombio 12 J, de los que 1 J se gasta dentro de la batería y 11 J en la resistencia. Un voltímetro entre los bornes mide la tensión en bornes V = V_B − Ir = 11 V, menor que la fem siempre que circula corriente. Multiplicando por la corriente se obtiene la potencia: la batería convierte 24 W, de los que 2 W calientan la propia batería y 22 W calientan R.