¿Cómo se mueven los electrones tan rápido en un circuito eléctrico?

Question

Cuando encendemos una bombilla...... no tarda casi nada en encenderse.....Pero sabemos que los átomos de un sólido están muy apretados y hay muy poco espacio entre ellos. Entonces, ¿cómo se desplazan los electrones a través de ellos sin tener en cuenta tantos bloqueos en el conductor?

Answer 1

Los electrones en sí no se mueven tan rápido. La energía de la onda es la parte que se mueve rápidamente.

Imagínatelo así.

Tienes 500 metros de tubería, con un pequeño agujero en el otro extremo. La tubería está llena de agua y usted aumenta la presión en su extremo. El agua saldrá inmediatamente por el otro extremo. Esto es la energía eléctrica (presión) y el cobre (agua).

Ahora añade un poco de colorante al agua y observa cuánto tiempo tarda el agua coloreada en salir por el agujero. El colorante representa los nuevos electrones, y éstos tardan un tiempo considerable en moverse por el sistema. La presión se mueve inmediatamente.

(vale, en este caso la presión se mueve a la velocidad del sonido en el agua)

Answer 2

De hecho, la velocidad del electrón no es tan rápida como para que la bombilla se encienda inmediatamente. Es el campo electromagnético que viaja en el circuito a una velocidad cercana a la de la luz el que es responsable de ello.

Después de encender la luz, el electrón sólo adquiere un poco de velocidad además de su velocidad térmica. La velocidad térmica del electrón puede ser estimada por $mv^2/2\approx k_BT/2$ , donde $k_B$ es la constante de Boltzmann y $T$ es la temperatura absoluta y casi 300 K. Así que la velocidad térmica es de unos 67,4 km/s.

En el campo eléctrico dentro del circuito, la distancia que el electrón recorre libremente antes de chocar con el núcleo se estima en unos 300 nm en el cobre. Si la tensión es de 110 V, la velocidad aumenta en 86 m/s. De hecho, el aumento es el límite superior, porque asumo que el cambio de voltaje en 300 nm es de 110 V, lo que no es cierto. El voltaje cambia en una distancia mucho mayor.

Como ves, el aumento de la velocidad del electrón es sólo de unos 86 m/s. La velocidad del electrón no es realmente alta (comparada con la velocidad térmica).

Answer 3

Los electrones pueden pasar a hurtadillas por todos los átomos debido a su función de onda. Se comportan como ondas, no como partículas. En definitiva, por la mecánica cuántica. En un conjunto periódico de átomos como el sólido metálico no deberían sentir ninguna resistencia al atravesarlo, pero como no es perfectamente periódico sienten un potencial aperiódico y por eso se dispersan. Se dispersan por las vibraciones de los átomos. Y, se mueven muy rápido pero no tienen una dirección definida. Cuando aplicas un campo eléctrico a ese metal, la señal viaja a través del cable y todos los electrones prácticamente a la vez empiezan a moverse en una dirección, pero lentamente. Esto se conoce como velocidad de deriva. Mientras que todavía se mueven caóticamente y con gran velocidad, se desplazan lentamente en una dirección definida y es esta velocidad la que se suma al movimiento caótico original y todavía existente que está relacionado con la corriente y nuestra energía de cosecha de electrones en movimiento.

Answer 4

Quizá te preguntes cómo es que el metal es un conductor tan eficiente.

Algunos de los electrones se mueven libremente como un fluido. No están encerrados alrededor de los átomos y no necesitan "espacio" en el sentido clásico.

Aquí hay una página de la wikipedia repasando los detalles reales.

A una escala mucho mayor que la distancia interatómica, un sólido puede verse como un agregado de un plasma cargado negativamente del gas de electrones libres y un fondo cargado positivamente de núcleos atómicos. El fondo es el fondo bastante rígido y masivo de los núcleos atómicos y los electrones del núcleo, que consideraremos infinitamente masivo y fijo en el espacio. El plasma cargado negativamente está formado por los electrones de valencia del modelo de electrones libres que están distribuidos uniformemente en el interior del sólido