Para cosas prácticas, consulte las respuestas de George Gonzalez y Loring Chien. Por lo tanto, explico solo la teoría.
Un circuito eléctrico no es solo conductores. También es el espacio que los rodea. Debido a que la electricidad se basa en la electrodinámica, esa es una teoría de campo. Los cables crean un campo magnético pero cargas de transporte , no energía. La energía, que está en curso entre la fuente y la carga, se concentra en el campo. No contiene mucha energía, pero fluye muy rápidamente. Para un cable coaxial, las estimaciones cuantitativas están presentes en la sección inferior. La energía del campo fluye donde el campo magnético y el campo eléctrico están presentes, es decir, conductores externos, en un espacio de aislamiento. La dirección del flujo de energía electromagnética está determinada por el vector de Poynting, E × H , y por lo tanto depende tanto de la polaridad del voltaje (a través de E ) como de la dirección de la corriente (a través de H ). Estos son problemas bien investigados; se puede ver el papel de Kirk T. McDonald’s Flow of Energy and Momentum in a Coaxial Cable para un análisis de la transferencia de energía en un entorno simplificado.
La carga tiene alguna caída de voltaje, por lo tanto, campo eléctrico. Junto con el campo magnético, esto trae la energía. Del mismo modo, la fuente genera voltaje (el mecanismo específico depende de su naturaleza) y, junto con el campo magnético, saca la energía. No hay nada malo con la conservación de energía para la electricidad; uno solo debe entender bien la teoría.
Calculemos la energía eléctrica y magnética, así como el flujo de energía en un cable coaxial con conductor interior de radio R i, conductor exterior de radio R e = 2⋅ R i. Deje que U sea el voltaje. La intensidad de campo en el aislante será
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[matemáticas] E = \ frac {U} {r \ cdot \ ln (R _ {\ rm e} / R _ {\ rm i})} \, [/ matemáticas]
y la energía es integral de ϵ⋅E ² sobre el volumen del aislante, donde ϵ es permitividad. Es decir, por unidad de longitud del cable tendremos
[matemáticas] \ int_ {R _ {\ rm i}} ^ {R _ {\ rm e}} 2 \ pi \ cdot r \ cdot \ epsilon \ cdot E ^ 2 \ cdot dr = \ frac {2 \ pi \ cdot U ^ 2 \ cdot \ epsilon} {\ ln ^ 2 (R _ {\ rm e} / R _ {\ rm i})} \ cdot \ int_ {R _ {\ rm i}} ^ {R _ {\ rm e}} \ frac {dr} {r} [/ math] = 2π ⋅U ² ⋅ϵ / ln ( R e / R i)
energía. Para U, de unos cientos de voltios y una permitividad típica, proporciona microjulios por metro de cable.
Campo magnético: se suponen dos corrientes en direcciones opuestas (con la suma cero) para los conductores. Usé este artículo en colorado.edu, ejemplo 12.7. Da formulæ
[matemáticas] B = \ frac {\ mu_0 \ cdot I \ cdot r} {2 \ pi \ cdot R _ {\ rm i} ^ 2} \, \ quad r \ le R _ {\ rm i} \, [/ math ]
[matemáticas] B = \ frac {\ mu_0 \ cdot I} {2 \ pi \ cdot r} \, \ quad R _ {\ rm i} \ le r \ le R _ {\ rm e} \, [/ math]
donde μ₀ es permeabilidad.
La energía es integral de B ⋅ H sobre el volumen, donde H = B / μ₀. Para el campo entre y R i y R e obtenemos, de manera similar a la caja eléctrica, ln ( R e / R i) ⋅I ²⋅μ₀ / 2π energía por unidad de longitud del cable. El campo dentro de R i no es más fuerte que I ⋅μ₀ / 2π⋅ R i, por lo que su energía por unidad de longitud puede estimarse, por el área de un disco, como no mayor que I ²⋅μ⋅ / 4π (la integración exacta da I ²⋅μ₀ / 8π). Para unos pocos amperios, ambos términos dan, también, microjulios por metro del cable.
Por lo tanto, en condiciones típicas de los circuitos eléctricos de la red doméstica, el campo contendrá una cantidad muy pequeña de energía. Para un cable con dos cables paralelos, no coaxiales, tendremos menos energía de campo eléctrico y aproximadamente la misma cantidad de energía de campo magnético, por lo que el contenido de energía del campo EM también será pequeño. La energía magnética puede volverse insignificante si se colocan dos cables con corrientes opuestas a una distancia considerable, pero tal práctica se desaconseja en la mayoría de los lugares.
Pero, ¿cuál es el vector de Poynting? Por definición es E × H. El campo magnético rodea el cable, mientras que las líneas de campo eléctrico conectan los conductores, por lo que en un cable coaxial son perpendiculares y el vector Poynting corre a lo largo del cable. Por ejemplo, en R i (donde es máximo) vemos
E ⋅ H = U⋅I / 2π⋅ln ( R e / R i) ⋅ R i²,
es decir, la energía eléctrica ( U⋅I ) se transmite a lo largo de una estrecha capa de aislamiento entre dos conductores.