¿Cómo se enciende exactamente una bombilla?

Question

Un valor típico de la velocidad de deriva de los electrones en un cable de cobre es $10^3\ \mathrm{m\ s^{-1}}$ . En el siguiente circuito, la longitud del cable de cobre que une el terminal negativo de la batería con la lámpara es $0.50\ \mathrm{m}$ .

(i) El interruptor S está cerrado. Calcula el tiempo que tardaría un electrón en desplazarse desde el terminal negativo de la pila hasta la lámpara.

(ii) La lámpara se enciende en un tiempo muy inferior al calculado en (e)(i). Explica esta observación.

En la segunda parte, no puedo imaginar la situación. Supongo que no todos los electrones viajan con una velocidad de deriva, por lo que los más rápidos llegan a la bombilla y la hacen brillar.

Pero, ¿cómo se produce exactamente esta iluminación? ¿El electrón entra en contacto con el circuito y enciende la bombilla, o es debido al campo eléctrico?

Answer 1

Un solo electrón tarda en pasar de la pila a la bombilla, pero la lámpara se enciende más rápido. La razón se debe a que no son los electrones que viajan desde la pila los que encienden la lámpara cuando ésta se enciende por primera vez, sino que se debe a los electrones cercanos. El campo eléctrico se establece casi instantáneamente en el circuito debido al movimiento de los electrones desde su posición inicial por todo el cable, (a la velocidad de casi c, dependiendo del medio) y los electrones más cercanos a la lámpara pasan por el circuito iluminándola. Así que aunque la velocidad de deriva de los electrones sea tan pequeña, la lámpara se enciende.

Answer 2

Debemos entender que las fuerzas electromagnéticas internas dentro del cable limitan el movimiento de la carga.

No es tan diferente de un cuerpo rígido como un cohete o un barco. La fuente de energía está en la parte trasera en ambos casos, pero la parte trasera sólo puede moverse si todo el cuerpo se mueve. Un barco puede tener una velocidad lenta, pero en cuanto su parte trasera empieza a moverse, su parte delantera (digamos 100 m por delante) también se mueve.

No es posible que los electrones individuales fluyan a través del cable a menos que algunos de sus compañeros por delante también se muevan. De lo contrario, se acumularía un exceso de carga negativa en regiones del cable.