¿A qué velocidad fluye la electricidad?

Question

De vez en cuando me confundo con la física de bajo nivel de la electricidad. Se trata de " De qué manera la electricidad alimenta un circuito y no lo entiendo del todo.

¿A qué velocidad fluye la electricidad? ¿Es diferente la velocidad de un electrón, por ejemplo, en una resistencia que en un cable? ¿Importa? ¿O son los efectos del electrón lo único importante, sin que los niveles inferiores de abstracción sean 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 vieja pregunta.

Puntos extra por:

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

Answer 1

Esto es más una pregunta de física que de electrónica... La razón es que los ingenieros eléctricos y electrónicos rara vez (o nunca) tienen en cuenta estos cálculos subatómicos. El hecho de que los electrones se muevan es lo que realmente importa, la velocidad a la que se mueven tiene poca importancia para el circuito. Lo que puede ser útil para el ingeniero es saber a qué velocidad puede cambiar un potencial eléctrico (tensión), ya que esto decidirá la máxima transmisión 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 relacionado con la velocidad de propagación de las ondas de la que se habla en algunas de las otras respuestas. Son dos cuestiones completamente diferentes...

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Panorama de la 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, se asocia más típicamente con el movimiento (excitación) de los electrones, partículas subatómicas con carga negativa. Cuando ciertos elementos están compuestos, los electrones pueden moverse libremente por la capa más externa de la nube de electrones de un átomo a otro. Un conductor permite fácilmente el flujo de electrones, mientras que un aislante lo restringe. Los semiconductores (como el silicio) tienen una conductividad controlable, lo que los hace ideales para su uso en la electrónica moderna.

Como sabrás, la corriente eléctrica se mide en amperios. Esto 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 una tensión (potencial) presente a través de un conductor, (un cable, una resistencia, un motor, etc.) la corriente fluirá. El voltaje es una medida del potencial eléctrico entre dos puntos, por lo que tener un mayor voltaje permitirá un mayor flujo de corriente, es decir, el movimiento de más electrones a través de un punto por segundo.

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Velocidad de los electrones

Por supuesto, la velocidad más rápida conocida es la de la luz: 3*10^8 m/s. Sin embargo, los electrones no se mueven ni de lejos a esta velocidad. De hecho, te sorprendería saber lo lento que se mueven en realidad.

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 entre los átomos. La corriente media La velocidad del flujo de electrones es proporcional a la corriente mediante la siguiente fórmula:

v = I/(nAq) = corriente / (densidad del portador * área de la sección transversal del portador * carga del portador)

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Este ejemplo está tomado de Wikepedia Porque no quise buscar los números yo mismo...

Considere una corriente de 3A que fluye a través de un cable de cobre de 1mm de diámetro. El cobre tiene una densidad de 8,5*10^25 electrones/m^3 y la carga de un electrón es de -1,6*10^(-19) culombios. El cable tiene una sección transversal de 7,85*10^(-7) m^2. Por lo tanto, la velocidad de deriva sería:

v = (3 culombios/s) / (8,5*10^25 electrones/m^3 * 7,85*10^(-7) m^2 * -1,6*10^(-19) culombios)

v = -0,00028 m/s

Obsérvese la velocidad negativa, que implica que la corriente fluye en realidad en la dirección opuesta a la que se suele pensar. Aparte de eso, lo único que hay que notar es lo lenta que es. 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 la forma en que diferentes ajustes en una regadera causarán que la misma presión de agua salga del grifo a diferentes velocidades. Cuanto más pequeño sea el orificio, más rápido tendrá que salir el agua.

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Cómo entenderlo

Si los electrones se mueven tan lentamente, ¿cómo es posible transmitir datos tan rápidamente? O incluso, ¿cómo puede un interruptor luminoso controlar una luz instantáneamente desde tan lejos? Esto se debe a que no hay un solo electrón que deba fluir de un punto a otro del circuito 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 en cuanto se aplica un potencial (tensión) lo suficientemente grande.

Piensa en el agua en una tubería. Si no hay agua en la tubería para empezar, el agua tardará un tiempo en llegar al grifo cuando se abra la llave. Sin embargo, en una casa, ya debería haber agua en todos los puntos de la tubería, por lo que el agua sale del grifo en cuanto se abre. No tiene que viajar desde la fuente de agua hasta el grifo porque ya está en la tubería, sólo esperando el potencial para empujarla. Lo mismo ocurre con un cable: ya hay muchos electrones en el cable, esperando a ser empujados por la presencia del potencial de tensión. La velocidad con la que un electrón se desplaza de un punto a otro del cable 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 comenta en este maravilloso preguntas y respuestas así que no voy a entrar en eso aquí.

Answer 2

¿A qué velocidad fluye la electricidad? Esta es una buena pregunta, porque parece una cuestión bastante sencilla, pero suele indicar algunos conceptos erróneos subyacentes. La primera dificultad para responder a la pregunta es saber, ¿qué es la electricidad? ¿Quieres decir:

1. ¿A qué velocidad se propagan los cambios en los campos eléctricos? o...
2. ¿A qué velocidad se mueven los portadores de carga eléctrica?

Normalmente, las personas que hacen esta pregunta se preocupan realmente 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 ser abordada sin dar un paso atrás y abordar los conceptos erróneos subyacentes que conducen a la pregunta.

Hay que entender esto: hay fuerzas y hay cosas que transmiten fuerzas, y no son lo mismo. He aquí un ejemplo: Yo sostengo un extremo de una cuerda y tú el otro. Cuando quiero llamar tu atención, tiro de la cuerda. Está la cuerda y está el tirón. El tirón viaja como una onda de fuerza por la cuerda a la velocidad del sonido en la cuerda. La cuerda en sí se mueve a otra velocidad.

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

Algunas personas no dejarán pasar esto hasta que se explique realmente el movimiento de las moléculas, aunque normalmente no es relevante para sus preocupaciones. Así que aquí está la respuesta: las moléculas están volando en todas las direcciones al azar, todo el tiempo. Vuelan porque tienen una temperatura distinta de cero. Algunas son muy rápidas. Algunas son muy lentas. Chocan entre sí todo el tiempo. Es muy aleatorio.

Al gritar, el tracto vocal comprime (y enrarece, al vibrar las cuerdas vocales) parte del aire. Las moléculas de esta región comprimida quieren desplazarse a una región con menos presión, y así 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 fuera. Esta onda de compresión se mueve por el aire a la velocidad del sonido.

Todo esto ocurre superpuesto al movimiento aleatorio de las moléculas antes mencionado. Es poco probable que las mismas moléculas que estaban en su tracto vocal sean las que vibren en el oído del oyente. Si observas moléculas individuales, observarás que van en todas las direcciones. Sólo si observas muchas de ellas, te darás cuenta de que hay un poco más de ellas que van en una dirección que en otra. En todas las cosas que llamamos "sonido", el movimiento aleatorio de las moléculas debido al ruido térmico es mucho mayor que su movimiento debido al sonido. Cuando el "sonido" se convierte en el movimiento más relevante, tendemos a llamarlo no "sonido" sino "explosión".

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

Así que ahora podemos responder a las preguntas:

¿A qué velocidad 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, ésta se sitúa entre el 60% y el 90% de la velocidad de la luz en el vacío.

¿A qué velocidad se mueven los portadores de carga eléctrica? Las velocidades de los portadores de carga individuales son aleatorias. Si se toma la media de todas estas velocidades, se obtiene una velocidad que depende de la densidad de portadores de carga, de la corriente y del área de la sección transversal del conductor, y que suele ser inferior a unos pocos milímetros por segundo en un cable de cobre. Por encima de este valor, las pérdidas resistivas son elevadas en los metales ordinarios y se tiende a hacer los cables más grandes en lugar de forzar a las cargas a moverse más rápido.

Más información: Velocidad del flujo eléctrico por Bill Beaty

1: La velocidad de la luz depende del material en el que se propaga, al igual que el sonido. Véase Velocidad de propagación de las ondas .

Answer 3

Los electrones te engañan. Ignóralos. De todos modos, van en la dirección equivocada. A la gente le encanta construir pequeños modelos animados que muestran cómo se mueven, lo cual es cierto, y observar que la comunicación electrónica es casi instantánea, lo cual es cierto, y concluir que los electrones se mueven casi instantáneamente, lo cual es falso.

1. ¿A qué velocidad fluye la electricidad?

   Hay dos interpretaciones posibles: "¿a qué velocidad se mueven los electrones?" y "¿a qué velocidad viaja una señal electrónica?".

   Kurt ya ha respondido a la pregunta "¿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 a los sistemas de alta velocidad. En la práctica, una señal tarda aproximadamente un nanosegundo en propagarse a lo largo de 30 cm de PCB. En consecuencia, existe una latencia mínima entre las partes de un ordenador.

   La inductancia y la capacitancia de la línea restringen el grado de "nitidez" que puede tener un borde y enviarlo por una línea. Se difuminará hacia una forma de onda sinusoidal.

   Hay que tener en cuenta que la cantidad de datos que puede pasar por una portadora es diferente todavía, y se rige 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?

   De lo anterior sabemos que las respuestas son "sí" y "no", para las velocidades de los electrones.

   La velocidad de propagación de las ondas se ve afectada por la capacitancia, la inductancia y la constante dieléctrica tanto del material por el que se propaga como de los aislantes 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 de un cable, ya que está hecha de un material diferente y se encuentra fuera de la placa.

4. ¿O lo único importante son los efectos del electrón, y los niveles inferiores de abstracción no son útiles en la práctica?

La mayoría de las veces, no hay que preocuparse por los electrones. Intervienen directamente en los tubos de rayos catódicos, las pantallas fluorescentes de vacío y las "válvulas" termoiónicas.

Lo mismo ocurre con los semiconductores, cuya física es difícil y a veces contraintuitiva, pero el conocimiento básico de cómo utilizar un transistor, un FET o un diodo en un circuito es mucho más sencillo.

Answer 4

Considere una línea de dominó - empuja uno en este extremo y la perturbación viaja al 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.

Answer 5

Hay una serie de ideas que son relevantes

• ¿A qué velocidad se mueven los electrones?
• ¿A qué velocidad se desplazan los electrones cuando circula una corriente?
• ¿a qué velocidad se propaga una señal por un cable de cobre?

Se puede relacionar esto con la vieja analogía del agua en las tuberías

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

Las respuestas reales para los electrones son

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

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