Si los electrones viajan lentamente en un circuito eléctrico, ¿qué efecto eléctrico es el que viaja a la velocidad de la luz a través del cable?

Alguien con mejores antecedentes físicos que los míos probablemente responderá esto más científicamente, pero así es como lo pienso:

La velocidad real de los electrones es (relativamente) lenta y depende de la corriente. Entonces, ¿cómo es que el voltaje se propaga a través de conductores con una velocidad comparable a la velocidad de la luz? (En realidad, es un poco menos y depende del material conductor). ¿Cómo es que se propaga incluso si no hay corriente y el circuito está abierto?

La respuesta es simple: el voltaje (diferencia de potenciales) es creado por el campo eléctrico, no por los electrones en sí.

Una buena analogía es la presión en un recipiente cerrado con líquido. Imagine que tiene un tubo muy largo lleno de agua hasta el borde. Un lado del tubo está sellado y tiene un sensor de presión. El otro lado tiene una membrana sellada que puede empujar. Encontrará que empujar la membrana aumentará casi instantáneamente la presión en el otro lado del tubo, a pesar de que prácticamente no hay movimiento de partículas de agua. De la misma manera, la aplicación de voltaje a un extremo del conductor (aumentando el potencial o “presión”) se extenderá casi instantáneamente por todo el conductor.

La corriente eléctrica es el flujo de electrones en los alambres de metal (o en fluidos como los electrolitos). Los electrones se mueven en el cable a la velocidad de deriva [matemática] V_d = \ dfrac {I} {neA} [/ matemática]

donde: [matemáticas] I [/ matemáticas] es la corriente eléctrica; [matemáticas] e [/ matemáticas] es la carga eléctrica del electrón; [matemática] n [/ matemática] es la densidad del número de electrones en el material metálico del alambre; [matemáticas] A [/ matemáticas] el área de la sección transversal del cable.

velocidad [matemática] V_d [/ matemática] tiene un valor típico de varios [matemática] cm / s [/ matemática]

Sin embargo, la causa del movimiento de los electrones es el campo eléctrico , que se coloca en el cable cuando enciende la luz, que viaja a lo largo del cable a la velocidad de la luz. A medida que el campo se desplaza a lo largo del cable tan rápido, los electrones se mueven a lo largo del cable. Entonces parece que los electrones se mueven muy rápido, cuando en realidad no lo hacen.

Piensa en los electrones como espaciados. Uno recibe un golpe, golpea el electrón adyacente, y así sucesivamente en un círculo completo desde el generador a través de la carga, y de regreso al generador (en realidad empujando y tirando porque es CA, no CC). El primer electrón real no se movió (o se movió muy poco).

Una analogía que se me ocurre es la casa de máquinas de la plataforma petrolera. Consistía en un edificio con un motor conectado a un gran volante como excéntrico. En lugar de comprar 10 o 20 motores más pequeños y colocarlos en la plataforma petrolera como hoy, conectaron el motor de la central eléctrica a esas plataformas a través de cables de acero que empujaban y tiraban. Los cables se instalaron en postes de madera, algunos yendo a mil pies de distancia a la plataforma donde el tirón del cable se convirtió en el movimiento hacia arriba y hacia abajo que acciona la plataforma. Ver La transmisión mecánica de potencia (2): Jerker Line Systems

La velocidad es considerablemente más lenta que la velocidad de la luz, puede medirla fácilmente con un osciloscopio ordinario y un generador de impulsos. La versión profesional de esto se llama Reflectómetro de dominio de tiempo (una forma de obtener más dinero para ello, sin duda).