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¿Cómo la velocidad de la electricidad se vuelve igual a la velocidad de la luz?

"El campo debido a la batería establece una carga superficial en el cable. La carga superficial es negativa cerca del polo negativo de la batería y positiva cerca del terminal positivo, y varía más o menos linealmente a lo largo del cable. La carga superficial a su vez establece dentro del cable un campo eléctrico que es constante en el diámetro del cable y a lo largo de su longitud. Este campo acelera electrones"

Si hay cargas siendo establecidas en el cable, las cargas (electrones) tienen masa y no pueden moverse a $c$. Entonces, ¿cómo no afectan la velocidad de la electricidad y nos dan su velocidad como igual a $c$?

¿Los electrones en un cable (carga) afectan la velocidad de la electricidad debido a su propia velocidad?

Piensa en un circuito con una batería de 5 V y una resistencia muy larga con dos interruptores en su extremo. Entonces, cuando ambos interruptores estaban abiertos, no había carga establecida dentro de las resistencias. Cuando cerramos ambos interruptores, la carga se establecerá y la señal viajará a la velocidad de $c$ dentro de esa resistencia. ¿Cómo?

¿No ralentizan la velocidad de la señal la carga que se establece y sus propios campos eléctricos creados?

25voto

lizzie Puntos 1

Si hay cargas establecidas en el alambre, las cargas (electrones) tienen masa y no pueden moverse a la velocidad de la luz. ¿Cómo es entonces que no afectan la velocidad de la electricidad y nos dan una velocidad igual a la velocidad de la luz?

Sí afectan la velocidad.

La velocidad de la señal en un cable u otro canal de comunicación se determina mediante el factor de velocidad que es la velocidad de la señal expresada como un porcentaje de c. Esto es del 100% para una onda de radio en el vacío, pero es aproximadamente del 75% para un cable de par trenzado CAT 7. El factor de velocidad depende principalmente del aislante en lugar del conductor. Entonces, un cable coaxial con aire como aislante podría propagar señales al 93% de c, mientras que uno con polietileno podría tener un factor de velocidad de alrededor del 80%.

A veces se considera que el factor de velocidad es la velocidad de la luz en el material en lugar de c que es la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, es un poco complicado ya que la estructura no es simplemente un material homogéneo simple (el dieléctrico) sino una guía de ondas complicada.

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Roger Puntos 16

La información sobre la perturbación del equilibrio de carga estática (activación de interruptores) viaja a la velocidad de grupo de la luz en la materia, la cual está relacionada a su vez con el índice de refracción en la materia, o más precisamente con su dispersión (tasa de cambio del índice de refracción con la frecuencia/número de onda). La velocidad de grupo a veces es cercana a la velocidad de la luz, pero a veces significativamente más baja (pero nunca mayor, lo cual sería una violación de la causalidad/relatividad especial; para la causalidad en la electrodinámica material, ver también las relaciones Kramers-Kronig).

Los modelos de permitividad dieléctrica (y por ende, el índice de refracción) en la materia, especialmente en los conductores, son los modelos de Lorentz y Drude (ver esta referencia para un modelo compuesto). Estos modelos también muestran cómo la masa de los electrones influye en las relaciones de dispersión. En otras palabras, el hecho de que la masa del electrón no sea cero se codifica de una forma más o menos complicada en las relaciones de dispersión (y por ende en la velocidad de la luz) de las ondas electromagnéticas en la materia. Determinan la liberación de los electrones para moverse alrededor de los osciladores de Lorentz, por así decirlo, lo que determina la velocidad efectiva de la luz en la materia.

No hace falta decir que incluso si la velocidad de la información está alrededor (pero, probablemente bien por debajo) de c, el tiempo de relajación para recuperar el equilibrio de carga estática puede ser considerablemente más largo que el tiempo de viaje del circuito completo. Esto se debe a que la perturbación causa oscilaciones, las cuales se amortiguan dependiendo de las propiedades del circuito individual. Existe amortiguamiento resistivo y amortiguamiento radiativo, todo lo cual determina cuánto tiempo tardan las cargas agitadas en calmarse.

8voto

BZ. Puntos 1101

Los electrones no necesitan chocar entre sí para transferir movimiento, como las bolas de billar. Son partículas cargadas que interactúan entre sí a gran distancia a través del campo electromagnético.

Imagina una habitación llena de globos: si empujas los globos en un lado de la habitación, la onda viaja varios metros hasta el otro extremo de la habitación en cuestión de segundos, incluso si ninguno de los globos viajó más de unos pocos centímetros. En esta analogía, los globos representan a los electrones junto con el campo que producen.

Por eso, las señales eléctricas viajan a 0.7c, mientras que los electrones individuales se mueven a menos del 1% de esa velocidad (dependiendo de la temperatura), incluso a nivel microscópico. A nivel macroscópico, la deriva de carga ocurre aún más lentamente, con velocidades típicas en mm/s o cm/s, dependiendo de las densidades de carga y corriente.

3voto

Para responder a tu pregunta del título, la velocidad de la electricidad no se convierte en la velocidad de la luz. Pero muchos "mensajes" o, más correctamente, efectos transitorios que configuran el flujo estable final de hecho viajan a la velocidad de la luz en el medio en el que está inmerso tu circuito

Imagina tu circuito en el preciso instante en que cierras el interruptor. El interruptor cambia una condición de frontera del campo electromagnético, de repente (digamos para simplificar, instantáneamente) impartiendo una diferencia de potencial entre los dos conductores en el extremo de la batería, mientras que la diferencia de potencial justo antes de cerrar el interruptor era nula.

Sea $+z$ la dirección a lo largo de los conductores. Para simplificar, pensamos en tus conductores como una guía de ondas cuya sección transversal es invariantie en la dirección $z$.

Si resuelves este problema de valores en la frontera dado que la Diferencia de Potencial (DP) inicial era nula pero ahora es repentinamente +V en un extremo del conductor, la solución es que la diferencia de potencial ahora viaja por los conductores como una onda electromagnética en el espacio libre, aumentando progresivamente la DP de 0 a +V en puntos de $z$ crecientes a medida que la onda viaja.

La velocidad de esta onda no es simple: la guía de ondas compuesta por los conductores con espacio libre entre ellos tiene un sistema de modos propios con diferentes velocidades que dependen de la geometría de la sección transversal. Pero el modo de orden más bajo, el modo TEM (ver nota al pie) para un sistema de dos conductores, de hecho se desplaza a la velocidad $c$ si los conductores están inmersos en el espacio libre. La perturbación comprende modos propios que viajan a velocidades $c$ y menores que $c$.

A medida que esta perturbación viaja, el campo electromagnético actúa sobre los electrones de conducción en los cables. Comienzan a moverse. No pueden moverse a $c$ como mencionaste correctamente porque tienen masa en reposo distinta de cero. A medida que aceleran, generan su propia radiación: nuevas ondas electromagnéticas que viajan por los conductores como un sistema de modos con velocidades $c$ y menores.

Mientras tanto, la onda en el espacio libre llega a la resistencia. Si la resistencia no está adaptada a la impedancia característica de la guía de ondas, comienza a volver una onda reflejada, compuesta por modos propios a velocidades que viajan $c$ y menores.

Y todas estas ondas que rebotan de un lado a otro mueven a los electrones que irradian sus propios campos de reacción. Tenemos, muy brevemente, un sistema enormemente complicado de ondas rebotando de un lado a otro, provenientes tanto de la cerradura original del interruptor como de la radiación de los electrones acelerados.

Eventualmente, estas perturbaciones se disipan con los electrones moviéndose uniformemente a través del conductor a una velocidad de deriva determinada por la diferencia de potencial $V$. Esto es MUCHO más lento que $c$. Ya no hay más ondas rebotando: el campo electromagnético ahora es estático y los electrones derivan en su aburrido patrón de velocidad constante alrededor del circuito.

Pero, debido a que la perturbación inicial incluye el modo TEM que se desplaza a $c$, el primer movimiento de los electrones en el extremo de la resistencia del sistema de hecho comienzan a moverse un tiempo $L/c$ después de que se cierra el interruptor, donde $L$ es la distancia en la dirección $z$ a lo largo de los conductores desde la batería hasta la resistencia.

Nota al pie: Los modos TEM ("Transversales Electromagnéticos") surgen en guías de onda de dos conductores, es decir, aquellas con un "retorno" hacia adelante y hacia atrás, es decir, un sistema que se puede considerar como un circuito cerrado. Para conductores en el espacio libre, siempre tienen velocidad $c$ y, curiosamente, la configuración del campo EM en la sección transversal es la misma que una configuración electrostática/magnetostática, pero esta variación estática transversal está sujeta a un cambio de amplitud que se mueve como una onda, como explico en mi respuesta aquí y también aquí también.

1voto

Mike Cole Puntos 173

Los electrones en sí mismos no se están moviendo tan rápido, hay un campo electromagnético que hace que los electrones se muevan en una dirección dentro de un conductor. Puede ser útil pensar en ello como presión.

No es equivalente, pero piensa si conectas una manguera y la llenas de agua. Luego bombeas más agua en un extremo. La presión hará que el agua salga por el otro extremo muy rápidamente, pero las moléculas de agua que salen ciertamente no son las mismas que bombeaste en el otro extremo.

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