Whatever Flows In Must Flow Out — the Junction Rule
Cinco cables se encuentran en un borne de latón, c, sobre una placa de circuitos de laboratorio. Cuatro de ellos llevan corrientes que usted ajusta con deslizadores — 4 A entran por la izquierda, 5 A por la derecha, 2 A por arriba a la izquierda y 8 A salen hacia atrás — y un amperímetro LED en cada cable muestra su lectura. La corriente del quinto cable es la incógnita: elija el sentido que supone y su amperímetro gira para que la flecha impresa en él muestre su suposición. Pulse reproducir para ver cuatro segundos de flujo estacionario, en el que cada esfera luminosa representa 1 C de carga, mientras dos contadores suman la carga que cruza un anillo discontinuo alrededor del nudo.
Cómo usar esta simulación
- Desde la izquierda, hacia c — I₁, de 0 a 10 A en pasos de 0,5 A, empezando en 4 A.
- Desde la derecha, hacia c — I₂, de 0 a 10 A, empezando en 5 A.
- Arriba a la izquierda, hacia c — I₃, de 0 a 10 A, empezando en 2 A.
- Hacia arriba, saliendo de c — I₄, de 0 a 20 A, empezando en 8 A.
- I supuesta: hacia c / saliendo de c — un interruptor de dos posiciones para el sentido que usted supone para la corriente desconocida. El quinto amperímetro gira para que su flecha impresa muestre la suposición y marca un valor negativo cuando la suposición es errónea. Un cambio 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 quinto amperímetro marca −3,000 A mientras la suposición es «hacia c» y 3,000 A cuando es «saliendo de c»: el tamaño no cambia, solo el signo. Las esferas y la flecha sólida muestran siempre el sentido real: saliendo de c.
- Durante los 4 s, la carga que entró y la que salió crecen juntas, 11 C por segundo, y la carga acumulada en c se queda en 0,0 C.
- Cuente las esferas: cada una es 1 C, así que 44 cruzan el anillo hacia dentro y 44 hacia fuera en los 4 s.
- Suba I₄ a 15 A: la incógnita pasa a entrar en c, I = 4 A, y las esferas del quinto cable dan la vuelta.
- Haga I₁ + I₂ + I₃ igual a I₄ y el quinto cable no lleva corriente alguna: las cuatro corrientes conocidas ya se equilibran.
La física detrás
Un nudo no puede almacenar carga. La carga se conserva, así que en cualquier intervalo de tiempo la carga que llega a c es igual a la que sale de él, y al dividir por el tiempo se obtiene la ley de corrientes de Kirchhoff: ΣI_in = ΣI_out. Contando como positiva una corriente que entra y como negativa una que sale, la misma regla se escribe ΣI = 0. Si se supone que la incógnita I entra en c: 4 + 5 + 2 + I = 8, luego I = −3 A. Si se supone que sale: 4 + 5 + 2 = 8 + I, luego I = +3 A. Las dos suposiciones dan el mismo resultado físico — 3 A saliendo de c — porque un resultado negativo solo significa que la corriente circula en sentido contrario al supuesto. En 4 s entran por el anillo (4 + 5 + 2) A × 4 s = 44 C y salen (8 + 3) A × 4 s = 44 C; nada se acumula. Las corrientes son convencionales: los electrones derivan en sentido contrario, así que una flecha que indique el movimiento de los electrones debe invertirse antes de aplicar la regla.