¿Por qué la velocidad de deriva de los electrones no es la velocidad de la electricidad?

Gracias por el A2A.

La velocidad de deriva es la velocidad promedio de los electrones en un conductor en presencia de un campo eléctrico. En realidad, la velocidad de deriva ([matemática] v_d [/ matemática]) y la corriente ([matemática] I [/ matemática]) están relacionadas:

[matemáticas] v_d = \ frac {I} {A ne} [/ matemáticas]

donde [math] n [/ math] es la densidad de los electrones, [math] A [/ math] es el área de la sección transversal del cable y [math] -e [/ math] es la carga del electrón. Entonces, la velocidad asociada con la corriente es la velocidad de deriva.

Sin embargo, una señal eléctrica que atraviesa un cable no solo involucra a los electrones, sino que también involucra el campo electromagnético a través del cual interactúan. Las perturbaciones en el campo electromagnético se propagan a la velocidad de la luz. Cuando un electrón comienza a acelerarse, debido a un campo eléctrico, a su vez modifica el campo eléctrico. Esta perturbación viaja a la velocidad de la luz y se siente rápidamente por los electrones vecinos, que luego se aceleran. Este proceso continúa hasta que el impulso eléctrico inicial viaja desde la fuente hasta el extremo receptor. Debido a que la señal se transmite en gran parte por el campo electromagnético, la velocidad de la señal está cerca de la velocidad de la luz.

La corriente eléctrica ocurre cuando un voltaje empuja electrones a lo largo de un conductor. El voltaje es causado por un campo eléctrico. Es el campo que se mueve en algún lugar cerca de la velocidad de la luz, no los electrones individuales.

La velocidad de la luz es de aproximadamente 300,000 kilómetros por segundo, por lo que la luz tarda aproximadamente 3.33 nanosegundos en recorrer un metro. Si aplica un pulso eléctrico a un extremo de un cable de un metro, tomará un poco más de 3,33 nanosegundos para que el pulso llegue al otro extremo. El pulso se mueve a medida que el campo eléctrico asociado con el voltaje sube por el cable. No es necesario que ningún electrón individual mueva la longitud completa del cable para que esto suceda. El pulso causará corriente en el cable a medida que se propaga, pero los electrones que se mueven no irán a la misma velocidad que el pulso mismo.

La electricidad no es el único fenómeno en el que la velocidad de propagación es diferente de la velocidad del medio. La mayoría de los tipos de ondas son así: las ondas de sonido en el aire viajan a aproximadamente 343 metros por segundo, pero el aire en sí puede no moverse en absoluto (vibra en su lugar). Las olas de agua en el océano pueden moverse sin que haya una corriente oceánica.

A2A, gracias!

No hay velocidad asociada con una corriente que se define como la carga neta que pasa por un área por unidad de tiempo.

Puedo adivinar que podrías estar pensando en la velocidad de propagación de la señal. Por ejemplo, si activa un interruptor en un circuito de CC, el borde de avance de la corriente se moverá a una fracción de la velocidad de la luz. Sería útil tener en cuenta que la energía fluye en el campo EM fuera de los cables. La velocidad de propagación de la señal está determinada por el tiempo que tardan los campos EM en configurar un campo de Poynting a lo largo del cable que depende de las características del material del propio cable.

Nota: No hay electrones (ni ninguna otra cosa) moviéndose a la velocidad de deriva: la respuesta de Harry McLaughlin a ¿La electricidad viaja a la velocidad de la luz?

La corriente se mide en amperios , que son el número de Coulombs de carga eléctrica que pasan por un área de sección transversal fija por unidad de tiempo. No dice nada sobre la velocidad de los electrones. Por lo general, cuando producimos una corriente con un campo eléctrico en un conductor, es un campo eléctrico estático , por lo que la velocidad de propagación de los cambios en el campo eléctrico no es un problema. Se supone que el campo eléctrico que causa la corriente siempre ha sido (y siempre será) el mismo.

A veces ves simulaciones tontas en Internet y en cursos introductorios de computación que no tienen conexión con la realidad. Como señales que se representan como hormigas marchantes. Nada mas lejos de la verdad. La onda cuadrada y los patrones sinusoidales en un cable son gráficos de voltaje vs tiempo, no de distancia.

Imagine que dos personas sostienen un poste de bambú por los extremos. La altura del poste representa el voltaje en un cable. Cuando el voltaje cambia, todo el polo se mueve hacia arriba o hacia abajo. Todo el cable también está al mismo voltaje. Es como una luz que se apaga o se enciende. Hablando de Estados Unidos a China en un solo cable, todo el cable cambia de potencial a la vez. Cualquier retraso es causado por etapas de procesamiento donde el cable se divide en segmentos. No por el cable en sí.

Sin embargo, una persona que sostiene el poste es nominada como remitente. Cuando dejan caer un extremo, hay un ligero retraso, el mínimo retraso posible es la velocidad de la luz, para cualquier sistema de señalización. La caída mínima también puede ser infinitamente pequeña, un bit sería suficiente. Entonces, la energía mínima necesaria para enviar una señal sería extremadamente pequeña. Entonces, el trabajo realizado por los electrones que se desplazan en el cable para efectuar esa señal también se acerca a cero en un mundo ideal. Usted sabe que la corriente, el campo eléctrico y el gradiente de voltaje son conceptos inseparables.

Si fluye una corriente base constante, eso es simplemente lo mismo que tener un palo inclinado para empezar. DC estable no transmite señales.

La influencia de la presión del flujo de electrones, mediada por la fuerza repulsiva entre los electrones, viaja mucho más rápido que los electrones individuales, así como la presión del agua viaja más rápido que las moléculas de agua individuales. Si aplico presión a un balde de agua, que está conectado por una manguera hacia usted, verá que el agua sale inmediatamente de la manguera a su extremo, a pesar de que ninguna de las moléculas de agua individuales viajó por la manguera en ese momento. Cada molécula de agua simplemente empujó a sus vecinos, y fue el “empuje” que viajó a gran velocidad hasta el final de la manguera. Lo mismo con los electrones.

Sí, solo un campo eléctrico viaja casi a la velocidad de la luz y no de los electrones.

Los electrones libres en el conductor son acelerados por el campo eléctrico aplicado en un conductor, pero al chocar entre sí los ralentiza, de modo que un electrón puede tardar unas horas en recorrer un metro en el conductor en circuitos de CC.

Mientras que los electrones no progresan en absoluto en el conductor en una corriente alterna, todos los electrones están configurados para oscilar de un lado a otro simultáneamente por un campo eléctrico aplicado.

La energía en un campo eléctrico activa los electrones en vibración y, en el caso de las bombillas, estos electrones vibrantes proporcionan parte de su energía en forma de luz. Y si se pregunta cómo son posibles las corrientes más grandes con una velocidad de electrones tan lenta, recuerde que también habrá un mayor número de electrones libres involucrados.

Debido a que los electrones se combinan con protones que se desvían entre sí en una cadena molecular rota que se carga contra la ocurrencia negativa que se neutralizaría sin ninguna carga, donde la electricidad es positiva, una carga de voltios amplificada por la misma resistencia en un material conductor. como un electrolito o células que tienen este o ciertos remanentes de tierra electrocargables como la medalla o el ámbar. En ese caso, el electrón conecta los frunces y se expande, y la electricidad tiene una medida con la chispa, el encendido y el flujo de amperios que viaja.

Una analogía ayudaría.

Si tiene una tubería muy larga llena (digamos un kilómetro de largo) con agua llena y un pistón conectado a uno de sus extremos. Ahora, si empuja el pistón, el agua saldrá del otro extremo casi al instante. Pero el pistón habría viajado solo unos centímetros durante este tiempo.

Aquí, a pesar de que las partículas de agua individuales se movieron a muy baja velocidad, el aumento de presión se movió a través de la tubería a alta velocidad. Puede relacionar el movimiento del pistón o el agua con la velocidad de los electrones y el movimiento del aumento de presión a través de la tubería con la velocidad de la electricidad.

El hecho de que lo que llamamos electricidad son varias cosas diferentes agrupadas bajo un mismo nombre, es por eso que parece tan confuso.

Primero debes hacer lo más difícil de todo, desaprender la mayor parte de lo que te enseñaron en la escuela primaria.

Conceptos erróneos sobre electricidad difundidos por los libros de texto de K6

Esto debería ayudar.

Esta analogía aproximada podría ayudar: la velocidad del sonido (propagación de la onda de compresión) es bastante grande incluso cuando la velocidad del viento (velocidad de deriva de las moléculas de aire) es bastante pequeña.

La velocidad de la corriente electrónica es la velocidad promedio de deriva de electrones, que varía según el conductor y la cantidad de corriente.