¿Por qué empieza a fluir la corriente eléctrica?

Question

¿Qué ocurre a nivel microscópico cuando empieza a fluir una corriente eléctrica? Me gustaría entender microscópicamente lo que sucede en detalle cuando los electrones comienzan a moverse (cuasi-clásicamente).

Los electrones pueden tener diferentes velocidades, pueden producir campos electromagnéticos, los conductores tienen electrones libres y núcleos atómicos rígidos y existen campos electromagnéticos. ¿Esos son todos los ingredientes que se necesitan?

Los electrones sólo se mueven debido a los campos EM, así que básicamente esta pregunta se reduce a cómo son los campos EM y cómo se acumulan En estado estacionario, ¿cuál es la distribución del campo eléctrico y magnético en/alrededor del plomo? ¿Y en estado transitorio?

¿Qué ocurre cuando se ataca una batería a un plomo? ¿Hay campos EM entre los polos de la batería o por qué son empujados los electrones? ¿Cómo empieza el campo EM a empujar los electrones a lo largo de un plomo largo de forma arbitraria?

[EDIT: Lo ideal sería una explicación con el modelo de Drude (que deriva en parte del modelo de Fermi) o una explicación de por qué ese modelo no es suficiente. También sería importante indicar los campos EM consistentes con la distribución de la densidad de electrones (por ejemplo $\vec{E}(r,\theta,z)$ y $\vec{B}(r,\theta,z)$ ) porque de lo contrario son argumentos de mano].

(Tenga en cuenta todas las observaciones de esta pregunta. Sé que los argumentos comunes para las partes de la pregunta, pero nunca he visto una explicación completa microscópica en detalle).

Answer 1

Los electrones de conducción en una longitud de cable pueden modelarse como un gas (Fermi). Al igual que las moléculas de un gas, los electrones individuales se desplazan aleatoriamente, y un aumento local de la densidad de electrones provoca una presión localmente mayor. Incluso se pueden obtener ondas de densidad de electrones análogas a las ondas sonoras.

Utilizando esta analogía, supongamos que tenemos un tubo lleno de aire y de repente aumentamos la presión en un extremo. Generarás una onda de presión que se desplaza por el tubo haciendo que las moléculas de gas empiecen a moverse al llegar a ellas. Suponiendo que se mantenga la presión en el extremo del tubo, las moléculas de gas se moverán por término medio hacia abajo. Digo "en promedio" porque cualquier molécula de gas individual difunde al azar, pero cuando hay un gradiente de presión el flujo neto es hacia abajo del gradiente.

Todo esto se transfiere directamente a los electrones del cable. La batería tiene un exceso de electrones en el borne negativo y un déficit en el positivo (igual que un condensador cargado). Cuando la conectas al cable, el exceso de electrones en el terminal negativo de la batería empieza a difundirse en el cable. Los electrones en el cable comienzan a difundirse lejos del terminal negativo a lo largo del cable y el resultado final es una onda de voltaje que viaja por el cable a unas pocas décimas de la velocidad de la luz. Como hay cierta resistencia al movimiento de los electrones (¡suponiendo que el cable no sea un superconductor!), acabas teniendo un gradiente de presión, es decir, de tensión, a lo largo del cable.

Parece que lo digo en cada respuesta, pero la Wikipedia tiene artículos sobre el modelo de gas de electrones. Véase http://en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model y los enlaces en ese artículo como http://en.wikipedia.org/wiki/Nearly-free_electron_model