¿Por qué mi luz se enciende rápidamente al encenderlos a pesar de que los electrones tienen una velocidad de deriva lenta?

Hay un par de cosas pasando aquí.

1. El voltaje, que puede considerarse algo análogo a la presión del agua, está presente en el interruptor todo el tiempo. Al igual que cuando abre un grifo, el agua no tiene que viajar desde el depósito hasta su casa antes de que el agua comience a fluir. De manera similar, los electrones que ya están en el cable, ya bajo “presión” del voltaje, fluyen a través de un interruptor recién cerrado sin tener que viajar desde la estación generadora.

2. Aunque la velocidad de deriva es muy lenta, esto se debe a que un cable de metal tiene una cantidad estupenda de electrones. Eso incluso cuenta solo los electrones de valencia externos, los que se mueven de un átomo a otro. Incluso un cable bastante delgado, como el cable de calibre 14 o 12 en las paredes de su hogar. Entonces, el porcentaje muy pequeño que se dibuja a través de la bombilla es solo una fracción muy pequeña del número total de electrones móviles disponibles.

Es un poco como tener el Ganges o el Amazonas, y abres un grifo y echas un chorro de agua. La velocidad del agua en el río debido a su pequeño grifo será extremadamente baja. Sin embargo, el agua comenzará a fluir casi de inmediato.

Además de todo eso, la velocidad de deriva no es la velocidad de la electricidad. Puede pensarlo como una tubería de agua conectada a un tanque de agua. El agua fluye por el extremo de la tubería a medida que fluye más agua desde el tanque de agua.

La velocidad real de un electrón, entre átomos, en realidad es bastante lenta en comparación con la velocidad de la luz. Algo así como 1/100 de la velocidad de la luz. El flujo de electricidad, también conocido como la velocidad de la señal, es más como 50 a 90% de la velocidad de la luz. Básicamente, es como empujar agua hacia un extremo de una tubería que ya está llena de agua, la presión aumentada viaja a través del agua a la velocidad del sonido en el agua, no a la velocidad de una molécula de agua que vuela libremente. Pero incluso eso solo entraría en juego si el interruptor de la luz estuviera en la estación generadora a muchas millas / kilómetros de la luz. Esto es como la tubería presurizada y el grifo que proporciona agua casi instantáneamente. En este caso, su interruptor de luz solo tiene de 10 a 20 pies o de 3 a 6 m de cable a la luz.

Las ondas electromagnéticas son responsables de esa corriente en movimiento. Esas ondas se mueven a la velocidad de la luz dentro de la materia y renuncian a su energía al trabajar en portadores de carga. Estas ondas pierden tanta energía para cargar los portadores que dentro de un conductor (cable de cobre, por ejemplo) son muy débiles, pero aún se mueven a la velocidad de la luz tanto dentro como fuera del conductor.

Hay mucha confusión sobre este tema debido a un “cuento de esposas” de décadas de que las ondas electromagnéticas no se mueven a la velocidad de la luz dentro de los conductores. Muchos ingenieros eléctricos e incluso doctores en física a menudo creen que no hay energía electromagnética a la velocidad de la luz que viaja dentro de un cable de corriente. A menudo afirman que viaja solo dentro del aislamiento. Esto es falso ya que descuida completamente la energía electromagnética que mantiene esa corriente en fase a lo largo del cable. ¿El origen del cuento de las esposas? Hay al menos 3 razones por lo que he podido determinar …

1. La energía debida a estas ondas electromagnéticas a la velocidad de la luz dentro de un conductor es increíblemente débil porque está impulsando continuamente el movimiento del portador de carga dentro. Debido a que es tan débil, a menudo se descuida al considerar el flujo de energía neto debido a la propagación electromagnética sola. Ese flujo neto proviene del exterior del conductor hacia adentro. Debe ser principalmente del exterior para que se conserve la energía, porque la mayor parte de la energía en el interior se debe a los portadores móviles en el interior, el fuerte campo magnético creado por estas cargas móviles. y, por supuesto, la energía perdida por el conductor en forma de calor cuando los portadores de carga se ralentizan por la materia que constituye la mayor parte del material conductor.

2. En algunas condiciones, casi toda la corriente que se mueve dentro de un conductor viaja cerca del exterior del conductor. Para esos casos, está muy claro cómo la corriente puede mantener la relación de fase correcta con la diferencia de voltaje entre los cables a medida que uno se mueve a lo largo de los cables. Pero este es un caso limitante. Para más del 99% de los casos en que la energía eléctrica se transmite desde el punto A al punto B a lo largo de los cables, lo hace * en todas partes * dentro del cable y no solo cerca del exterior. Este es el caso de la CA de baja frecuencia (50 o 60 hz) que suministra al mundo energía de movimiento rápido. La mayor parte de la corriente se debe a los portadores de carga más profundos dentro de los cables y lejos de la superficie. Esos portadores de carga están siendo impulsados ​​por energía electromagnética de velocidad de la luz que se propaga por todas partes dentro del cable.

3. E&M se propaga a lo largo de una línea de transmisión aproximadamente a la velocidad de la luz dividida por la raíz cuadrada de la permitividad relativa del aislamiento. ¿Dónde está la dependencia de la permitividad relativa del medio conductor? Para el propósito en cuestión, la contribución a la permitividad relativa total debido a la del conductor es insignificante; de ​​hecho, es casi igual a 1. Los detalles son complicados e involucran números complejos, pero este punto se explica claramente en Jackson 2nd edition sección 7.5 (d). El punto es que la velocidad de la luz a lo largo de una línea de transmisión se debe a las propiedades dieléctricas tanto del aislamiento como del medio conductor. Debido a que la permitividad relativa es 1 para el medio conductor para los fines de esta publicación, no cambia mucho la fórmula: E&M se propaga a lo largo de una línea de transmisión a aproximadamente la velocidad de la luz en el vacío dividida por la raíz cuadrada de la permitividad relativa. Esa permitividad relativa se debe principalmente al aislamiento.

Elija cualquier texto respetado sobre este tema: JD Jackson, Zangwill, Hayt, Lorrain y Corson … la lista es larga. Todos sus tratamientos tienen claro que descuidan la energía electromagnética de la velocidad de la luz * dentro * de los conductores, no porque no exista sino porque es increíblemente débil. Débil y moviéndose a la velocidad de la luz.

FYI: la entrada de Wikipedia para “Velocidad de la electricidad” es incorrecta con respecto a este tema. Actualmente se está editando.

Porque el campo electromagnético (EM), en lugar de los electrones, es lo que se mueve tan rápido. Tan pronto como enciende el interruptor de alimentación, conecta todo el circuito (los cables y la bombilla) a una fuente de energía eléctrica. Por lo tanto, los electrones que siempre están presentes dentro del circuito eléctrico se energizan instantáneamente debido a que la fuente de energía los mueve a un nivel de energía más alto. Debido a que los electrones con mayor energía intentan moverse hacia una ubicación de menor energía, comienzan a interactuar con los electrones vecinos. La interacción electrostática b / n electrones vecinos provoca el movimiento no aleatorio de los electrones en todas partes del circuito. Esto es lo que llamamos flujo de carga (corriente). El flujo de carga a su vez crea un campo magnético alrededor del cable. Todo esto sucede al instante. Esta onda electromagnética es lo que viaja tan rápido. La velocidad del flujo de carga (corriente) es mínima (~ 0.5 mm / seg). Pero la onda EM viaja cerca de la velocidad de la luz.

Considere una pista estrecha de rodamientos de bolas sostenidos en una canaleta lo suficientemente ancha como para permitir que estos rodamientos se presionen entre sí en una sola fila. La pista está abierta en ambos extremos y la pista está llena de rodamientos.

Ahora empuje un rodamiento en un extremo. Inmediatamente, aparece un rodamiento en el otro extremo. Ahora su mano es el interruptor, el final de la pista es donde está su luz y los cojinetes representan los electrones que forman la electricidad. Por lo tanto, es un electrón diferente que enciende la luz. La velocidad a la que empuja y reemplaza los rodamientos; la velocidad a la que ‘derivan’ a lo largo del canal; es tu velocidad de deriva; generalmente solo unos pocos cm por segundo.

Los electrones tienen una velocidad de deriva lenta, pero el campo eléctrico causado por el voltaje (diferencia de potencial) alcanza rápidamente todo el cable (a medida que el campo eléctrico viaja con la velocidad de la luz).

Por lo tanto, no es necesario que los electrones en un extremo lleguen al otro para encender la bombilla porque al encender el interruptor, el campo eléctrico llega al otro extremo y hace que los electrones en el cable cerca de la bombilla fluyan a través de su bulbo.

La velocidad a la que los electrones se mueven a través de un cable se llama “deriva de electrones”, y ocurre a alrededor de 0.1-0.4 milímetros por segundo. Enfrenta un electrón contra tu caracol promedio, que viaja alrededor de 3-10 milímetros por segundo, y ni siquiera es una competencia. Pero si los electrones se mueven tan lentamente, ¿cómo puede un interruptor encender una lámpara instantáneamente? Piense en un tubo lleno de canicas: si agrega una canica en un extremo, una canica saldrá por el otro extremo casi en el mismo instante, a pesar de que cada canica no se movió tan lejos por sí misma. Del mismo modo, un cable de cobre contiene muchos electrones (8,5 × 10 ^ 28 por metro cúbico, para ser exactos). Esos electrones están tan apretados que incluso un pequeño movimiento viajará por el cable de un electrón a otro a una velocidad impresionante, lo que le permite encender las luces sin tener que esperar a que los electrones viajen por allí.

Porque no necesitas un electrón para viajar desde el interruptor a la luz. La mejor analogía que se me ocurre es la cuna de Newton:

El impulso viaja a través de las bolas en el centro sin que tengan que moverse porque cada bola empuja a la que está al lado. El impulso se transfiere a la velocidad del sonido.

De la misma manera, cuando cierra el interruptor de la luz, crea un voltaje (piense en él como un impulso eléctrico) que empuja los electrones en línea desde la fuente de energía a través de la luz. A pesar de que cada electrón se mueve lentamente, la luz se enciende casi instantáneamente porque los electrones que ya están en el filamento están siendo puestos en movimiento.

Permítame responder esta pregunta con otra pregunta.

¿Cómo fluye el agua del grifo tan pronto como abrimos el grifo? ¿El agua no necesita tiempo para fluir del tanque al grifo?

¡No! Porque Las tuberías ya están llenas de agua. De la misma manera, el cable de cobre en el circuito de su bombilla está lleno de electrones.

Tienes razón en que cada electrón individual se mueve muy lentamente, pero la corriente se mueve muy rápido.

Piense en ello como otro fluido (que es de donde proviene la palabra corriente). Si deja caer una roca en un estanque, entonces una ola de ondas se extenderá desde el punto de impacto con relativa rapidez. Sin embargo, las moléculas de agua individuales no se mueven mucho.

Del mismo modo, no disparas aire por la boca a más de 300 mph cada vez que hablas, y sin embargo, las ondas de sonido viajan tan rápido porque la información se transfiere más rápido a través de colisiones en lugar de depender de la velocidad de cada partícula.

El circuito tiene una capacitancia casi nula, luego el voltaje aplicado en el interruptor alcanza la carga a casi la velocidad de la luz, luego la potencia se aplica tan rápido, el único retraso observado es calentar el filamento o atravesar el balasto. La velocidad de deriva es lenta, pero el cable ya está lleno de electrones libres que se mueven casi simultáneamente, los que se encuentran en el interruptor tomarán mucho tiempo (en CC) para hacer todo el viaje, si es que lo hacen.

Porque, aunque la velocidad de deriva es lenta, la velocidad de la señal es enorme, quizás 0.5 c. Usted sabe que las señales pueden viajar a altas velocidades a través de los cables de su computadora. Exactamente lo mismo es cierto de la señal que dice que la corriente fluye a través de su luz.

La analogía es el tren. Si la locomotora en la parte delantera comienza a moverse, la parte trasera del tren comienza a moverse al mismo tiempo, para los sentidos humanos. La señal que dice que el tren se mueve viaja de adelante hacia atrás cerca de la velocidad del sonido. De manera similar, la señal que dice que el circuito está completo viaja alrededor del cableado a una velocidad cercana a la de la luz. A lo largo de toda la longitud del cable, los electrones se empujan entre sí en su intento de nivelar los voltajes en los extremos.

Porque la onda de choque que los lleva a todos a la deriva viaja a la velocidad de la luz.

A pesar de que los electrones no viajan lejos o rápido, la fuerza del EMF se siente casi de inmediato. EMF es el campo de voltaje.

Es como su plomería, a pesar de que el agua es forzada al sistema por una bomba a 10 millas de distancia, ¡el agua fluye de su grifo inmediatamente! ¡Magia!

Esto se debe a que el campo eléctrico se establece en el cable con una velocidad cercana a la de la luz y los electrones libres están en todas partes en el conductor.

• La velocidad de la onda EM en el vacío es = c.
• En medio será un poco menos pero aún muy alto.
• Al encender el campo eléctrico se establece en un momento y ese ejerce fuerza sobre cada electrón libre presente en el cable. Por lo tanto, la corriente se establece casi en el mismo instante al encender.

Luces de bombilla debido a la corriente. Actual significa carga cruzada por unidad de tiempo. Como la velocidad de deriva del electrón es baja, es una pregunta válida, pero la densidad de electrones es un no muy grande. No hay un solo electrón, pero millones de ellos cruzan cada segundo y constituyen una buena corriente.

Por eso es

El cambio en la velocidad de deriva promedio de los electrones se propaga rápidamente por el cable cuando se cierra el interruptor. No necesita un electrón individual para pasar del interruptor a la bombilla para que brille.

Si bien la velocidad de deriva es realmente lenta, cuando enciende el interruptor, está configurando un campo eléctrico que recorre todo el cable a la velocidad de la luz. Por lo tanto, todos los electrones en los cables, incluso en la bombilla, sienten un “empuje” casi instantáneamente y comienzan a moverse a su velocidad de deriva en el instante en que sienten este campo eléctrico.

Los electrones están presentes en todas partes en el cable que conecta la bombilla y el interruptor tan pronto como enciende el interruptor, la corriente comienza a fluir en estos electrones libres de cable metálico

Entonces la bombilla se ilumina instantáneamente