¿La electricidad viaja a la velocidad de la luz?

La velocidad de la luz, a menudo llamada “C”, se refiere comúnmente a la velocidad de la luz en el vacío, que es la más rápida. Son unos 300 millones de metros por segundo.

La propagación del campo eléctrico o la señalización eléctrica utilizando señales eléctricas en un cable es un poco más lenta. Puede ser de aproximadamente 50% de C a 99% de C, dependiendo de la composición y construcción del cable y el aislamiento. Ver el artículo wiki Factor de velocidad.

Hay otra velocidad que es la velocidad de deriva. Esto puede considerarse como el seguimiento de un electrón individual y es muy lento, del orden de fracciones de metros por segundo. No puede imaginar la propagación de la señal eléctrica como un solo electrón o un lote de electrones que viajan en el cable de un extremo al otro al 75% de la velocidad de la luz … debe considerar que los electrones chocan entre sí y cambian de lugar con un pocos agujeros para propagar el campo, al igual que cuando escuchas un sonido a una distancia de 1000 pies, la presión del sonido en tu oído no es que las moléculas de aire se movieron originalmente a mil pies de distancia, sino una onda de compresión que se mueve de una molécula a otra distancia. Ver artículo wiki Velocidad de deriva

Sin mucho alboroto, la respuesta podría ser sencilla.

La electricidad se trata de cualquier cosa relacionada con una partícula cargada. Una partícula cargada tiene varias configuraciones, en cuyo caso cada configuración tiene una respuesta diferente a la pregunta:

1. Partículas cargadas quietas

Cuando una partícula cargada se detiene, produce una fuerza eléctrica. Esa es una fuerza que retrae o repele otra partícula cargada. Esta fuerza eléctrica viaja a la velocidad de la luz.

2. Una partícula cargada retraída o repelida

Cuando una partícula cargada es retraída o repelida por una fuerza eléctrica, se movería con la aceleración habitual de acuerdo con la fórmula de Newton, que es: “a = F / m”; donde “a” es la aceleración, “F” es la fuerza eléctrica y “m” es la masa de esa partícula cargada.

3. Partícula cargada en aceleración

Cuando una partícula cargada se mueve en aceleración, produce una onda electromagnética ( radiación ). Como la onda electromagnética no es otra que la luz misma, en el vacío, viaja a la velocidad de la luz.

4. La onda electromagnética viaja a través de diferentes medios.

La onda electromagnética viaja en diferentes medios, como gas o líquido, tiene diferentes velocidades. Eso es porque “choca” con esas partículas de gas o líquido. Como resultado, matemáticamente, hay dos tipos de velocidad. Sin embargo, ambos tipos describen un solo fenómeno. El primero se llama velocidad de fase y el otro se llama velocidad de grupo.

La velocidad de fase podría ser un poco más lenta o más rápida que la velocidad de la luz ( sí, más rápido ). Puede sonar como un fenómeno sorprendente, pero lamentablemente no lo es. Esta velocidad aparente más rápida que la luz es en realidad solo un cambio de fase de la onda electromagnética misma. No podía transportar ninguna información más rápido que la luz, por lo que no rompe la velocidad de la barrera de luz.

La velocidad del grupo, es decir, la velocidad de la onda electromagnética que transporta la información real, es cercana a la velocidad de la luz, pero siempre muy por debajo de ella. Nuevamente, nunca rompe el límite de velocidad universal.

( Para una explicación más detallada, verifique esta respuesta: ¿Cómo podría la velocidad de fase de la luz viajar más rápido que la luz sin violar la relatividad especial? ¿Cómo es su mecanismo real? )

5. Electrones en un cable

Cuando se conecta un cable a alguna fuente eléctrica, por ejemplo una batería, los electrones dentro del cable se moverían debido a un impulso de la fuerza eléctrica generada.

Cuando se mueve, golpea otros electrones o partículas en el cable. Podría desviarse por completo, o podría llegar al final del cable. Cuando calculamos la velocidad promedio de los electrones que llegan al final del cable, su velocidad promedio es aproximadamente 1% ( uno por ciento ) de la velocidad de la luz. Esta velocidad se llama velocidad de “deriva”.

Pero estos electrones no son necesariamente los electrones que transportan información, como una computadora o la fuerza eléctrica que enciende nuestras lámparas. Cuando un electrón dentro de un cable golpea a otro electrón, este otro electrón también golpeará a otro electrón, y así sucesivamente, hasta que golpee a la mayoría de los electrones al final del cable. Estos lejanos electrones son finalmente los que transportan información o fuerza eléctrica. Cuando calculamos el tiempo entre una fuente eléctrica encendida y el momento en que llega un poco de información al receptor, o el momento en que se enciende nuestra lámpara, su velocidad promedio es de aproximadamente el 50% ( cincuenta por ciento ) de la velocidad de la luz.

La velocidad de la luz es una constante generalmente conocida como ‘c’ (aproximadamente 3 × 10 ^ 8 metros por segundo). los electrones no pueden viajar a ‘c’ ya que tienen masa, por lo tanto, ¡las dos velocidades no son iguales!

Hace un tiempo escribí una respuesta a una pregunta sobre la velocidad a la que los electrones fluyen a través de un material, ¡la he incluido a continuación para leer más!

En general, si observamos un cable delgado de un conductor (cobre, ensayo), podemos observar que los electrones deslocalizados no se mueven mucho.

Llamamos al movimiento físico de los electrones la ‘velocidad de deriva’. ¡Así que volvamos al ejemplo del cobre!

“La velocidad de deriva a través de un cable de cobre de área transversal 3.00 x 10-6 m2, con una corriente de 10 A será aproximadamente 2.5 x 10-4 m / so aproximadamente un cuarto de milímetro por segundo”. (Valores tomados de http://www.physlink.com/Educatio …).

Entonces, ¿cómo se produce la corriente eléctrica tan rápido? Usemos canicas en un tubo como analogía.

Como puede ver en la imagen, insertar una canica en un extremo del tubo produce, casi instantáneamente, una canica en el otro extremo. Si tomamos las canicas como electrones y el tubo como cable, podemos notar que aunque el movimiento de electrones individuales es lento, el movimiento neto general de carga es bastante rápido.

Espero que esto ayude a explicar tu pregunta 🙂

Editar: pensé que también podría incluir la ecuación para la deriva aproximada de los portadores de carga a través de un material conductor.

dónde

u es la velocidad de deriva de los electrones, en m⋅s − 1

m es la masa molecular del metal, en kg

ΔV es el voltaje aplicado a través del conductor, en V

ρ es la densidad (masa por unidad de volumen) del conductor, en kg⋅m − 3

e es la carga elemental, en C

f es el número de electrones libres peratom

ℓ es la longitud del conductor, en m

σ es la conductividad eléctrica del medio a la temperatura considerada, en S / m.

(Fórmula descaradamente pellizcada de Wikipedia, la enciclopedia libre …)