¿Qué tan rápido fluye la electricidad?

De vez en cuando me confundo con la física de bajo nivel de la electricidad. Surgió en "De qué manera la electricidad alimenta un circuito ", y no lo entiendo totalmente.

¿Qué tan rápido fluye la electricidad? ¿La velocidad de un electrón es diferente, por ejemplo, en una resistencia que en un cable? ¿Importa? ¿O son los efectos del electrón lo único importante, con niveles más bajos de abstracción que no son útiles en la práctica?

Sé que ya hay materiales sobre este tema, y ​​he leído algunos de ellos. Creo que tener la pregunta en este sitio podría inspirar algunas respuestas interesantes a la antigua pregunta.

Puntos de bonificación por:

• Identificar y aclarar conceptos erróneos comunes
• Explicar de una manera que alguien con un diploma de escuela secundaria pueda entender, sin simplificarlo tanto que es incorrecto

¿Qué tan rápido fluye la electricidad? Esta es una buena pregunta, porque parece una pregunta bastante simple, pero generalmente indica algunos conceptos erróneos subyacentes. La primera dificultad para responder la pregunta es saber, ¿qué es la electricidad? Quieres decir:

1. ¿Qué tan rápido se propagan los cambios en los campos eléctricos? o...
2. ¿Qué tan rápido se mueven los portadores de carga eléctrica?

Por lo general, las personas que hacen esta pregunta en realidad se preocupan por lo primero, pero están pensando en lo segundo. Sin embargo, al no tener una comprensión clara de la diferencia, su preocupación subyacente en realidad no puede abordarse sin dar un paso atrás y abordar los conceptos erróneos subyacentes que conducen a la pregunta.

Comprender es esto: hay fuerzas, y hay cosas que transmiten fuerzas, y no son lo mismo. Aquí hay un ejemplo: estoy sosteniendo un extremo de una cuerda y tú estás sosteniendo el otro extremo. Cuando quiero llamar tu atención, tira de la cuerda. Está la cuerda, y está el tirón. El remolcador viaja como una ola de fuerza por la cuerda a la velocidad del sonido en la cuerda. La cuerda misma se moverá a alguna otra velocidad.

Digamos que tengo dos torres de vigilancia, y cuando veo a los invasores que se acercan, le grito a la otra torre. El sonido viajará como ondas en el aire a la velocidad del sonido. ¿Qué tan rápido se mueven las moléculas en el aire? ¿Te importa?

Algunas personas no lo dejarán pasar hasta que se explique realmente el movimiento de las moléculas, aunque por lo general no es relevante para sus preocupaciones. Así que aquí está la respuesta: las moléculas están volando en todas direcciones al azar, todo el tiempo. Vuelan alrededor porque tienen una temperatura que no es cero. Algunos son muy rápidos. Algunos son muy lentos. Chocan entre sí todo el tiempo. Es muy al azar.

Cuando grita, su tracto vocal comprime (y se enrarece, a medida que sus cuerdas vocales vibran) algo del aire. Las moléculas en esta región comprimida quieren moverse a una región con menos presión, por lo que lo hacen. Pero ahora esta región cercana tiene demasiado aire y está un poco más comprimida que el aire que la rodea, por lo que la región comprimida se expande un poco más hacia afuera. Esta ola de compresión se mueve por el aire a la velocidad del sonido.

Todo esto sucede superpuesto al movimiento aleatorio de las moléculas mencionadas anteriormente. Es poco probable que las mismas moléculas que estaban en su tracto vocal sean las que vibren en el oído del oyente. Si observa moléculas individuales, las observará yendo en todas las direcciones. Solo si observa muchos de ellos notará que un poco más se dirigió en una dirección en comparación con otra. Es cierto para todas las cosas que llamaríamos "sonido" que el movimiento aleatorio de las moléculas debido al ruido térmico es mucho más que su movimiento debido al sonido. Cuando el "sonido" se convierte en el movimiento más relevante, tendemos a llamarlo no "sonido" sino más bien una "explosión".

La situación con la electricidad no es muy diferente. Un conductor de metal está lleno de electrones que son libres de deambular por todo el circuito en direcciones aleatorias, y lo hacen, simplemente porque están calientes. Las cosas en nuestros circuitos forman ondas en este mar de electrones, y estas ondas se propagan a la velocidad de la luz ¹ . En las corrientes que normalmente encontramos en los circuitos, la mayor parte del movimiento de los electrones se debe al ruido térmico.

Entonces ahora podemos responder las preguntas:

¿Qué tan rápido se propagan los cambios en los campos eléctricos? A la velocidad de la luz en el medio en el que se propagan. Para la mayoría de los cables, esto está cerca del 60% al 90% de la velocidad de la luz en el vacío.

¿Qué tan rápido se mueven los portadores de carga eléctrica? Las velocidades de los portadores de carga individuales son aleatorias. Si toma el promedio de todas estas velocidades, puede obtener cierta velocidad que depende de la densidad del portador de carga, y la corriente, y el área de la sección transversal del conductor, y generalmente es menos de unos pocos milímetros por segundo en un cable de cobre. Por encima de eso, las pérdidas resistivas aumentan en los metales comunes y las personas tienden a agrandar los cables en lugar de obligar a las cargas a moverse más rápido.

Lectura adicional: Velocidad del flujo de electricidad por Bill Beaty

^{1: La velocidad de la luz depende del material en el que se propaga la luz, al igual que con el sonido. Ver Velocidad de propagación de la ola .}

Esto es realmente más una cuestión de física que de electrónica ... La razón por la cual los ingenieros eléctricos y electrónicos rara vez (si alguna vez) consideran tales cálculos subatómicos. El hecho de que los electrones se muevan es lo que realmente importa, lo rápido que se mueven es de poca importancia para el circuito. Lo que puede ser útil para el ingeniero es saber qué tan rápido puede cambiar un potencial eléctrico (voltaje), ya que esto decidirá la transmisión máxima de datos en un cable (velocidad del cable) que está relacionada con la resistencia, la capacitancia y la inductancia del portador de carga, entre otras cosas. Esto también está asociado con la velocidad de propagación de la onda discutida en algunas de las otras respuestas. Estos son dos temas completamente diferentes ...

Resumen de electricidad

Para empezar, la "electricidad" no fluye. La electricidad es la manifestación física del flujo de carga eléctrica. Aunque este término se aplica a un amplio espectro de fenómenos, generalmente se asocia con el movimiento (excitación) de electrones, partículas subatómicas cargadas negativamente. Cuando ciertos elementos se combinan, los electrones pueden moverse libremente a través de la capa más externa de la nube de electrones de un átomo al siguiente. Un conductor permite fácilmente el flujo de electrones, mientras que un aislante lo restringe. Los semiconductores (como el silicio) tienen conductividad controlable, lo que los hace ideales para su uso en la electrónica moderna.

Como ya sabrá, la corriente eléctrica se mide en amperios (amperios). Esta es realmente una medida de cuántos electrones se mueven a través de un solo punto en un segundo:

1 amperio = 1 culombio por segundo = 6.241509324x10 ^ 18 electrones por segundo

Mientras haya un voltaje (potencial) presente a través de un conductor, (un cable, resistencia, motor, etc.) fluirá corriente. El voltaje es una medida del potencial eléctrico entre dos puntos, por lo que tener un voltaje más alto permitirá un mayor flujo de corriente, es decir, el movimiento de más electrones a través de un punto por segundo.

Velocidad de electrones

Por supuesto, la velocidad conocida en ayunas es la velocidad de la luz: 3 * 10 ^ 8 m / s. Sin embargo, los electrones generalmente no se mueven cerca de esta velocidad. De hecho, te sorprendería saber cuán lentamente se mueven realmente.

La velocidad real del electrón se conoce como velocidad de deriva . Cuando fluye una corriente, los electrones no se mueven en línea recta a través de un cable, sino que se mueven a través de los átomos. La velocidad promedio real del flujo de electrones es proporcional a la corriente usando la siguiente fórmula:

v = I / (nAq) = actual / (densidad de portadora * área de sección transversal de portadora * carga de portadora)

Este ejemplo está tomado de Wikepedia , porque no quería buscar los números yo mismo ...

Considere una corriente de 3A que fluye a través de un cable de cobre de 1 mm de diámetro. El cobre tiene una densidad de 8.5 * 10 ^ 25 electrones / m ^ 3 y la carga de un electrón es -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulombs. El cable tiene un área de sección transversal de 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Por lo tanto, la velocidad de deriva sería:

v = (3 Coulombs / s) / (8.5 * 10 ^ 25 electrones / m ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulombs)

v = -0.00028 m / s

Observe la velocidad negativa, lo que implica que la corriente realmente fluye en la dirección opuesta que normalmente se piensa. Aparte de eso, lo único que debe notar es cuán lento es en realidad. ¡Una corriente de 3 amperios no es tan pequeña, y el cable de cobre es un excelente conductor! En realidad, cuanto mayor sea la resistencia en el portador de carga, más rápida será la velocidad. Esto es similar a cómo las diferentes configuraciones en un cabezal de ducha harán que la misma presión de agua salga del grifo a diferentes velocidades. ¡Cuanto más pequeño es el agujero, más rápido debe salir el agua!

Dando sentido a esto

Si los electrones se mueven tan lentamente, ¿cómo es posible transmitir datos tan rápido? O incluso, ¿cómo puede un interruptor de luz controlar una luz instantáneamente desde tan lejos? Esto se debe a que no hay un solo electrón que deba fluir de un punto del circuito a otro para que algo funcione. En realidad, hay muchos electrones libres (la cantidad depende de la composición elemental del material portador) en cada punto del circuito en todo momento que se mueven tan pronto como se aplica un potencial (voltaje) lo suficientemente grande.

Piensa en el agua en una tubería. Para empezar, si no hay agua en la tubería, el agua tardará un poco en llegar al grifo cuando se abre una boquilla. Sin embargo, en una casa, ya debe haber agua en cada punto de la tubería, por lo que el agua sale del grifo tan pronto como se abre. No tiene que viajar desde la fuente de agua hasta el grifo porque ya está en la tubería, solo esperando el potencial para empujarlo. Es lo mismo con un cable: ya hay tantos electrones en el cable, esperando a ser empujados por la presencia del potencial de voltaje. La velocidad que le tomaría a un electrón moverse de un punto en el cable a otro es completamente irrelevante.

Por otro lado, la velocidad de transmisión de datos a través de un medio físico es importante y tiene un máximo teórico, como se discutió en esta maravillosa pregunta y respuestas, por lo que no entraré en eso aquí.

Los electrones te están engañando. Ingnóralos. Van en la dirección equivocada, de todos modos. A la gente le encanta construir pequeños modelos animados que los muestren moviéndose, lo cual es cierto, y observar que la comunicación electrónica es casi instantánea, cierta, y concluir que los electrones se mueven casi instantáneamente, lo cual es falso.

1. ¿Qué tan rápido fluye la electricidad?

   Hay dos interpretaciones posibles: "¿qué tan rápido se mueven los electrones?" y "¿qué tan rápido viaja una señal electrónica?"

   Kurt ya ha respondido "¿a qué velocidad se mueven los electrones?" con velocidad de deriva . Sin embargo, las señales electrónicas se definen por la onda electromagnética que se propaga a través del material con la ayuda de los portadores de carga. La señal se propaga a una fracción de la velocidad de la luz, afectada por las propiedades de la línea de transmisión .

   Esto impone limitaciones reales en los sistemas de alta velocidad. En la práctica, se tarda aproximadamente un nanosegundo para que una señal se propague a lo largo de 30 cm de PCB. Como resultado, hay una latencia mínima entre las partes de una computadora.

   La inductancia y la capacitancia de línea restringen cuán "afilado" puede hacer un borde y enviarlo por una línea. Se untará hacia una forma de onda sinusoidal.

   Tenga en cuenta que la cantidad de datos que puede poner a través de un operador es aún diferente, gobernada por su relación señal / ruido. La velocidad de propagación determina la latencia mínima, no el ancho de banda.

2. ¿La velocidad de un electrón es diferente, por ejemplo, en una resistencia que en un cable?

3. ¿Importa?

   Desde arriba sabemos que las respuestas son "sí" y "no", para velocidades de electrones.

   La velocidad de propagación de las ondas se ve afectada por la capacitancia, la inductancia y la constante dieléctrica tanto del material a través del cual se propaga como de los aisladores cercanos a los planos de tierra. Por lo tanto, una señal se propagará a una velocidad muy ligeramente diferente a través de una resistencia que un cable, ya que está hecha de un material diferente y se destaca del tablero.

4. ¿O son los efectos del electrón lo único importante, con niveles más bajos de abstracción que no son útiles en la práctica?

La mayoría de las veces, no tienes que preocuparte por los electrones. Se involucran directamente en tubos de rayos catódicos, pantallas fluorescentes de vacío y "válvulas" termiónicas.

Esto también es cierto para los semiconductores, donde la física es difícil y a veces contraintuitiva, pero el conocimiento básico de cómo usar un transistor, FET o diodo en un circuito es mucho más simple.

Considere una línea de dominó : empuje uno hacia este extremo y la perturbación se desplazará hacia el otro. Las velocidades de las piezas individuales y la de la perturbación o frente de onda son muy diferentes, y ninguna pieza individual viaja de aquí para allá.

Hay varias ideas que son relevantes

• ¿Qué tan rápido se mueven los electrones?
• ¿Qué tan rápido derivan los electrones cuando fluye una corriente?
• qué tan rápido se propaga una señal a lo largo de un cable de cobre

Puede relacionar esto con la antigua analogía del agua en las tuberías

• Las moléculas de H2O siempre se mueven en el estado líquido (¿o en cualquier estado por encima de 0 Kelvin?)
• Las moléculas de H2O en una manguera también derivan lentamente del grifo a la boquilla
• Cuando abre el grifo, la onda de presión viaja mucho más rápido que la velocidad de deriva.

Las respuestas reales para los electrones son

• No sé, bastante rápido. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( ref †)
• Un valor típico puede ser de 1 metro por hora.
• Una fracción de la velocidad de la luz. ( ref ‡)

_{† Para un electrón en una órbita específica, probablemente muy diferente para los electrones "libres" en cobre :-).
‡ Para una señal en salmuera, probablemente muy diferente para el cobre :-)}

Otro aspecto de esto:

Antes de que alguien pueda responder la pregunta OP, primero debemos definir la palabra "Electricidad". Cuando los electrones fluyen, ¿es eso un "flujo de electricidad"? ¡No y sí! Diferentes libros de texto se contradicen entre sí. No existe una respuesta simple sobre la cual los expertos puedan ponerse de acuerdo.

La física dice que la cantidad de electricidad se define como culombios; como cargo. (Consulte el Manual de CRC, por ejemplo. O el NIST, o los estándares MKS SI para unidades físicas). Según esta definición de "electricidad", diríamos que el electrón lleva consigo una pequeña cantidad de electricidad a medida que avanza. En los metales, la electricidad que fluye, la corriente eléctrica, son electrones de deriva lenta.

¿Por qué es esto un problema? Simple: la mayoría de los libros de texto no físicos están completamente en desacuerdo. En cambio, afirman que "electricidad" significa "flujo de electrones" o corriente. Para ellos, la "electricidad" no es el culombio, sino el caudal; Los amperios. Para ellos, cada vez que se detiene el flujo, la "electricidad" se ha desvanecido.

Pero para los físicos, cuando el flujo se detiene, la electricidad simplemente permanece inmóvil en los cables, ya que la densidad de los portadores no cambia cuando cambian los amperios. Para los físicos, todos los cables ya están llenos de electricidad; siempre contiene un "mar de electrones"; Los operadores móviles de todos los metales. Pero para los libros de texto no físicos, los cables son como tubos vacíos donde la "electricidad" se acerca casi a la velocidad de la luz.

¿Qué es entonces la electricidad? Los estándares de física (MKS, la convención de estándares SI) definen claramente la electricidad. Pero nuestros libros escolares ignoran esto, o silenciosamente pretenden que los estándares de física se pueden cambiar como se desee. En cambio, los libros de texto escolares acuerdan definir "electricidad" de una manera muy diferente: no como la cantidad de cargas, sino como el movimiento fluido de las cargas.

¿Qué es entonces la electricidad? (O más curiosamente, ¿es la electricidad ... el flujo de la electricidad? Y cada vez que la electricidad comienza a fluir, ¿llamamos a este flujo por el nombre "... electricidad?")

:)

Esta locura incluso infecta el lenguaje de ingeniería. Los físicos dicen que los electrones son los portadores de carga en los metales. Los ingenieros en cambio los llaman ... ¿operadores actuales? Sí. Verifique cualquier texto de ingeniería de la universidad. Los físicos saben sobre la conservación de la carga. Es una ley básica. Pero los ingenieros aprendemos sobre ... ¿La conservación de la corriente? Nos enseñan que la corriente es el "material" que fluye a través de los cables. Los libros de texto de EE están plagados de la frase "flujo de corriente" y rara vez mencionan la versión correcta, "flujo de carga".

La solución tradicional a tales problemas es bien conocida: desarrollar estándares y definir términos técnicos de manera limitada. Luego adhiérase cuidadosamente a esos estándares de lenguaje. No utilice definiciones populares, en su lugar, emplee exclusivamente una terminología científica limitada. Esto atraviesa toda la niebla y las BS y la confusión. Sin embargo, en este caso habría una batalla cuesta arriba, ya que el uso de estándares de física significaría que miles de libros de texto de ciencia / electrónica / ingeniería no físicos y generaciones de expertos están equivocados de manera fundamental. Debido a su uso indebido constante de la terminología científica básica, muchas generaciones de estudiantes ahora no tienen idea de qué es realmente la "electricidad", por lo que deben preguntarse constantemente si fluye lentamente junto con la Velocidad de deriva (el flujo de carga,

Más corte BS: las corrientes no fluyen, sino que se propagan. Cuando empujamos un extremo de una barra, el movimiento no fluye. En cambio, se propaga como una ola. Lo mismo con las corrientes en los circuitos: flujo de cargas, sí, pero propagación de las ondas por las corrientes. La propagación de corrientes cercanas a la velocidad de la luz es lo mismo que una onda EM.

Y finalmente, hágase esta pregunta de importancia crítica: en ríos y arroyos, ¿fluye "corriente"? ¿O las cosas se llaman realmente "agua"?