Manteniendo la sencillez, ¿cuál es el planteamiento físico de una corriente en un cable conectado a una batería? ¿Cómo se comporta el campo eléctrico?
He leído en alguna parte que, en contra de la concepción común, los electrones no fluyen realmente como el agua en una manguera, así que, ¿qué está pasando realmente ahí? ¿Cómo se transporta la energía a la velocidad de la luz si los electrones no fluyen como el agua a gran velocidad?
¿Cómo se transporta la energía a la velocidad de la luz si los electrones no fluyen como el agua a gran velocidad?
Permítanme responder con el analogía hidráulica es decir, con la sustitución de la corriente eléctrica por el flujo de agua.
Abra el grifo de su cocina. Entonces el agua sale instantáneamente, aunque la fábrica de agua que alimenta las tuberías de agua puede estar a muchos kilómetros de tu casa.
Por supuesto, esto no es sorprendente. Antes de abrir el grifo, el agua ya estaba presente en las tuberías de todo el camino de la fábrica de agua hasta el grifo de su cocina. Es el presión no el agua, que se propaga tan rápido (teóricamente con la velocidad del sonido) a través de las tuberías.
Este escenario del agua es muy análogo al escenario eléctrico.
Cuando enciendes la luz de tu habitación, la corriente eléctrica a través de su lámpara comienza a fluir instantáneamente, aunque la central eléctrica esté a cientos de de kilómetros de tu casa.
Esto tampoco es sorprendente en este caso. Los electrones ya estaban presentes en los cables todo el camino desde la central eléctrica hasta el interruptor y la lámpara en tu casa. Es la tensión en los cables y el campo electromagnético alrededor de los cables, no los electrones, que se propagan tan rápido (teóricamente con la velocidad de la luz).
A continuación se muestra una ilustración que hice de esto, basada en una simulación razonablemente realista de un simple circuito de CC con forma rectangular.
La energía no fluye en la misma dirección que la corriente: si lo hiciera, saldría tanta energía de la resistencia como entraría en ella. En realidad, la pila está utilizando su energía química y la resistencia está emitiendo energía en forma de calor, por lo que el flujo de energía de la pila a la resistencia es siempre hacia la derecha.
En electromagnetismo, medimos el flujo de energía utilizando algo llamado vector de Poynting. Por ejemplo, dentro de un rayo láser, el vector de Poynting apunta en la dirección del rayo. El vector de Poynting es proporcional a $\textbf{E}\times\textbf{B}$ , donde $\textbf{E}$ es el campo eléctrico, $\textbf{B}$ es el campo magnético, y $\times$ es una cosa llamada producto vectorial cruzado. El producto vectorial cruzado es perpendicular a los dos vectores que se multiplican.
Para un cable que es un conductor perfecto, el campo eléctrico dentro del cable es cero, por lo que el vector de Poynting desaparece. Por lo tanto, no hay flujo de energía dentro del cable. El flujo de energía está fuera del cable. Las flechas blancas de la figura muestran la dirección de los vectores de Poynting.
¿Cómo se transporta la energía a la velocidad de la luz si los electrones no fluyen como el agua a gran velocidad?
Los electrones fluyen más bien como agua muy lenta, y ésta es otra forma de ver que la energía no se transporta junto con los electrones. Si se abre o cierra un interruptor en un circuito como éste, se producen cambios que ondulan hacia fuera en el campo electromagnético. Esas ondas electromagnéticas transportan la energía y la información a velocidades que suelen ser cercanas a la de la luz.
La mejor manera en que me lo explicaron fue que si imaginas una piscina llena hasta arriba de pelotas de ping pong, y empujas una pelota extra en el extremo poco profundo, otra pelota saldrá en el extremo profundo (bueno, es una visión simplificada del problema lógico). Así es como funciona el flujo de electrones: un electrón saldrá del terminal negativo de la pila (debido a la tensión, o diferencia de potencial a lo largo del circuito) y entrará en el cableado. Este cable está formado por moléculas de cobre; el electrón golpeará una molécula y desplazará a otra, que a su vez golpeará a otra molécula, siguiendo el flujo alrededor del circuito. El propio electrón original puede tardar mucho tiempo en propagarse por el circuito (o esa pelota de ping pong concreta que pones en la parte poco profunda puede tardar mucho tiempo en salir de la parte profunda). Pero el efecto total de uno-en-uno-sale se mantiene.
Dicho de otro modo, el cable ya está lleno de electrones (o la piscina de bolas) antes de que se cierre el interruptor. Añadir bolas/electrones en un extremo (casi) instantáneamente empuja uno hacia el otro, pero los propios electrones pueden moverse muy lentamente de un extremo al otro.
Volviendo a la analogía hidráulica, es probable que su casa esté conectada a un suministro municipal (o presa, perforación, lo que sea) a través de decenas o cientos de kilómetros de tuberías. Dentro de esta tubería hay agua. Con el grifo de su casa cerrado, el agua está bajo presión (tensión) dentro de la tubería debido a las bombas del suministro/altura de la presa. Al abrir el grifo, el agua empieza a fluir instantáneamente. Sin embargo, se trata del agua (electrones) que ya estaba en la tubería. Si la presa/bomba ha añadido un tinte rojo al agua, pueden pasar horas hasta que este tinte salga de su grifo, ya que toda el agua "limpia" (electrones) acaba de ser eliminada de la tubería.
Se trata de una explicación muy general y no incluye aspectos como las bandas de valencia (la conductividad eléctrica de las moléculas) o los efectos semiconductores (las moléculas se cargan positivamente al carecer de un electrón), pero sirve para el propósito en cuanto a explicaciones. Si prefiere una explicación más detallada, le recomiendo que se haga con un ejemplar de Neamen, DA 2010, Microelectronics: circuit analysis and design, 4th edn, McGraw Hill, London. Es el texto de licenciatura que utilicé, y entra en todos los detalles que probablemente necesites sobre el "cómo".
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