Velocidad de la corriente eléctrica
Hagamos este experimento mental. Imagine que hay un pueblo a una distancia de 100 kilómetros de la ciudad y que se tiende una línea de señal de alambre de unos 100 kilómetros de largo con una bombilla al final desde la ciudad hasta ese pueblo. Línea bifilar blindada, se tiende sobre soportes a lo largo de la calzada. Y si ahora enviamos una señal por esta línea de pueblo en pueblo, ¿cuánto tiempo tardará en ser recibida allí?
Los cálculos y la experiencia nos dicen que una señal en forma de bombilla aparecerá en el otro extremo en al menos 100/300000 segundos, es decir, en al menos 333,3 μs (sin tener en cuenta la inductancia del cable) en el se encenderá una luz, lo que significa que se establecerá una corriente en el cable (por ejemplo, usamos una corriente continua de condensador cargado).
100 es la longitud de cada vena en nuestro cable en kilómetros, y 300 000 kilómetros por segundo es la velocidad de la luz, la velocidad de propagación onda electromagnética en un aspirador. Sí, el "movimiento de los electrones" se propagará a lo largo del cable a la velocidad de la luz.
Pero el hecho de que los electrones comiencen a moverse uno tras otro a la velocidad de la luz no significa en absoluto que los electrones mismos se muevan en el cable a una velocidad tan tremenda. Los electrones o iones en un conductor metálico, en un electrolito o en otro medio conductor no pueden moverse tan rápido, es decir, los portadores de carga no se mueven entre sí a la velocidad de la luz.
La velocidad de la luz en este caso es la velocidad a la que los portadores de carga en el cable comienzan a moverse uno tras otro, es decir, es la velocidad de propagación del movimiento de traslación de los portadores de carga. Los propios portadores de carga tienen una "velocidad de deriva" en corriente continua, digamos en un alambre de cobre, ¡de solo unos pocos milímetros por segundo!
Dejemos este punto claro. Digamos que tenemos un capacitor cargado y le conectamos cables largos de nuestra bombilla instalada en un pueblo a una distancia de 100 kilómetros del capacitor. La conexión de los cables, es decir, el cierre del circuito, se realiza manualmente con un interruptor.
¿Lo que sucederá? Cuando se cierra el interruptor, las partículas cargadas comienzan a moverse en aquellas partes de los cables que están conectadas al capacitor. Los electrones salen de la placa negativa del capacitor, el campo eléctrico en el dieléctrico del capacitor disminuye, la carga positiva de la placa opuesta (positiva) disminuye: los electrones fluyen hacia ella desde el cable conectado.
Por lo tanto, la diferencia de potencial entre las placas disminuye.Y dado que los electrones en los cables adyacentes al capacitor comenzaron a moverse, otros electrones de lugares distantes en el cable llegan a sus lugares, en otras palabras, comienza el proceso de redistribución de electrones en el cable debido a la acción de un campo eléctrico en un circuito cerrado. Este proceso se extiende más a lo largo del cable y finalmente llega al filamento de la lámpara de señales.
Entonces, el cambio en el campo eléctrico se propaga a lo largo del cable a la velocidad de la luz, activando los electrones en el circuito. Pero los propios electrones se mueven mucho más lentamente.
Antes de continuar, considere una analogía hidráulica. Deje que el agua mineral fluya del pueblo a la ciudad a través de una tubería. En la mañana, se encendió una bomba en el pueblo y comenzó a aumentar la presión del agua en la tubería para obligar al agua de la fuente del pueblo a trasladarse a la ciudad. El cambio de presión se propaga a lo largo de la tubería muy rápidamente, a una velocidad de unos 1400 km/s (depende de la densidad del agua, de su temperatura, de la magnitud de la presión).
Una fracción de segundo después de que se encendió la bomba en el pueblo, el agua comenzó a fluir hacia la ciudad. Pero, ¿es esta la misma agua que fluye actualmente por el pueblo? ¡No! Las moléculas de agua de nuestro ejemplo se empujan entre sí y ellas mismas se mueven mucho más lentamente, ya que la velocidad de su desviación depende de la magnitud de la presión. El aplastamiento de las moléculas entre sí se propaga muchos órdenes de magnitud más rápido que el movimiento de las moléculas a lo largo del tubo.
Lo mismo ocurre con una corriente eléctrica: la velocidad de propagación de un campo eléctrico es similar a la propagación de la presión, y la velocidad de movimiento de los electrones que forman una corriente es similar al movimiento de las moléculas de agua directamente.
Ahora volvamos directamente a los electrones. La tasa de movimiento ordenado de los electrones (u otros portadores de carga) se denomina tasa de deriva. Sus electrones ganan a través de la acción. campo electrico externo.
Si no hay un campo eléctrico externo, entonces los electrones se mueven caóticamente dentro del conductor solo por movimiento térmico, pero no hay corriente dirigida y, por lo tanto, la velocidad de deriva en promedio resulta ser cero.
Si se aplica un campo eléctrico externo a un conductor, entonces, dependiendo del material del conductor, de la masa y la carga de los portadores de carga, de la temperatura, de la diferencia de potencial, los portadores de carga comenzarán a moverse, pero la velocidad de este movimiento será significativamente menor que la velocidad de la luz, alrededor de 0,5 mm por segundo (para un alambre de cobre con una sección transversal de 1 mm2, a través del cual fluye una corriente de 10 A, la velocidad promedio de deriva de electrones será de 0,6– 6 mm/s).
Esta velocidad depende de la concentración de portadores de carga libres en el conductor n, del área de la sección transversal del conductor S, de la carga de la partícula e, de la magnitud de la corriente I. Como puede ver, a pesar de El hecho de que la corriente eléctrica (el frente de la onda electromagnética) se propague a lo largo del cable a la velocidad de la luz, los propios electrones se mueven mucho más lentamente. Resulta que la velocidad de la corriente es muy baja.