¿Por qué no hay corriente neta en un cable cuando no se aplica voltaje?

Question

Los átomos de materiales con electrones externos débilmente unidos intercambian constantemente cargas entre sí con el tiempo, y a estos materiales se les llama conductores. Ahora, el proceso de conducción es diferente al que a menudo se describe en los libros de ingeniería eléctrica.

Esto implica que para que circule corriente en el circuito, un electrón tiene que moverse desde un extremo hasta el otro, lo cual simplemente no es cierto. La realidad es algo así:

El electrón en el extremo izquierdo que proviene del polo negativo de una batería, por ejemplo, choca con el átomo más cercano y debido a su aceleración está sacando el electrón que está girando en este nivel de capa. El electrón sacado se dirige a su átomo más cercano y a su vez hace lo mismo, sacando un electrón que crea una reacción en cadena. Entonces, básicamente, los electrones se mueven solo un poco, pero el resultado general es virtualmente instantáneo.

Lo que no entiendo es que si tomamos un alambre conductor normal SIN voltaje aplicado, los electrones aún siguen rebotando constantemente de átomo en átomo, lo que significa que literalmente hay "un flujo de electrones" en el alambre, pero si conectamos el cable a un LED, no pasaría nada. Entonces, lo que realmente estoy preguntando es cómo difiere "un flujo de electrones CON voltaje aplicado" de "un flujo de electrones SIN voltaje aplicado" en un alambre.

Answer 1

Estadísticamente, hay tantos electrones moviéndose en una dirección como en la opuesta de 180º, por lo que efectivamente no hay corriente neta. Lo que conocemos como "corriente" es el movimiento de más electrones en una dirección que en todas las demás (1D, 2D o 3D a través de una pieza de metal). Así es como puedes tener "toneladas de electrones libres" pero sin corrientes netas fluyendo o medibles.

La agitación aleatoria de esos electrones tiene un nombre: ruido térmico. Esta agitación es proporcional a la temperatura, por lo que obtienes más de ella al calentar las cosas. Sin embargo, el movimiento promedio siempre es cero, por lo que nunca puedes hacer ningún "trabajo" útil o extraer energía utilizable del proceso.

Esto está en acuerdo con las leyes de la termodinámica.

Answer 2

Respuesta corta: algunos libros de texto están infectados con un error, la idea de que los electrones siempre orbitan los átomos individuales de metal. Incorrecto. También te dirán que los electrones solo saltan entre átomos cuando se aplica un voltaje a lo largo de los cables. Equivocado.

En los metales, el(los) electrón(es) exterior(es) de cada átomo de metal han abandonado su átomo original. Esto sucede cuando el metal se forma por primera vez. Si los electrones siguieran pegándose a cada átomo, entonces el metal sería un aislante, y a valores bajos de corriente, los ohmios no serían constantes. En realidad, los electrones de la banda de conducción exterior están orbitando entre todos los átomos de metal todo el tiempo. Un cable de metal se asemeja a una especie de "plasma solidificado". Los metales son raros.

Los físicos llaman a la población móvil de electrones del metal con el nombre de "mar de electrones" o "océano de carga". En química se llama "enlace metálico".

Desde un punto de vista no cuántico, podemos ver los objetos de metal como contenedores llenos de un "fluido eléctrico", ¡al estilo de Ben Franklin! Los electrones del metal se mueven rápidamente, deambulando por todas partes, al igual que las moléculas de gas dentro de una manguera. Pero este movimiento de electrones es en direcciones aleatorias. Es un almacén de energía térmica, pero no tiene una dirección única, por lo que no es "viento"; no es corriente eléctrica. Por cada electrón que va en una dirección, hay otro que va hacia atrás.

Por lo tanto, una corriente eléctrica continua real en un metal es una lenta deriva promedio de esta nube de electrones. Los electrones individuales no se mueven lento, por supuesto. En cambio, deambulan a casi la velocidad de la luz todo el tiempo. Pero durante una corriente continua, su trayectoria deambulante promedio tiene una pequeña deriva de corriente continua superpuesta. La atmósfera terrestre hace lo mismo: cada molécula se mueve a casi la velocidad del sonido, incluso en condiciones de total calma; sin viento. Consideramos el deambular como "térmico", como el movimiento browniano. Lo mismo con los electrones individuales en un metal.

Una animación correcta de los átomos/electrones de los metales mostraría a los electrones saltando en ambas direcciones para una corriente nula. O, mostrarlos moviéndose de un lado a otro a través de varios átomos, con movimiento aleatorio durante corrientes nulas. (O, mostrar el interior del cable como 'nieve de televisión', como ruido blanco intermitente.) Luego, durante una corriente continua, todo el patrón de electrones se deslizará lentamente como una unidad. Cuanto mayor sea la corriente, más rápido será el flujo. El "ruido blanco líquido" se mueve lento, como el agua en una tubería, pero las partículas individuales nunca permanecen quietas.

Nota que esta imagen NO SE APLICA A TODOS LOS CONDUCTORES. Solo se aplica a los metales sólidos (la forma más común de conductor utilizada en ingeniería eléctrica), pero no a agua salada, ácidos, corrientes de tierra, tejido/huesos humanos, metales líquidos, metales en movimiento, plasma, chispas, etc. La electricidad no son electrones, por eso los ingenieros y científicos utilizan la "Corriente Convencional" que se aplica a todo tipo de conductores. El flujo de electrones dentro de los metales es un caso especial de corrientes eléctricas en general.

PD
Ten en cuenta que los electrones no son invisibles. (De hecho, los electrones son una de las pocas cosas que son visibles). Así que cada vez que miramos un cable desnudo, estamos viendo su mar de electrones. Los electrones móviles son reflectores extremos de ondas electromagnéticas. El aspecto "metálico" de una superficie de metal es nuestra vista de los electrones libres. Así que los electrones son como un fluido plateado. Durante las corrientes eléctricas en un metal, es la sustancia plateada la que fluye. Pero no hay suciedad ni burbujas en este flujo, por lo que aunque podemos ver el "fluido", no podemos ver su movimiento. (Incluso si pudiéramos ver algo moverse, la deriva de carga sería demasiado lenta para notarla; ¡como la manecilla de los minutos en un reloj!)

Answer 3

Si el cable es un superconductor, la corriente puede fluir sin voltaje.

Answer 4

Hubo este ejemplo que me dio uno de mis profesores.

Los electrones sin voltaje son simplemente como personas independientes mirando alguna ciudad al azar. Se mueven libremente pero no son parte de ningún movimiento. Son individuos que no importan.

Ahora, de repente, una parte extranjera establece la regla. Eso hace que los electrones marchen hacia el establecimiento de la parte extranjera (no la corriente convencional) en revuelta, rebelión, etc. Son parte del movimiento y eso se llama Corriente.

Answer 5

La corriente actual requiere que los electrones en la banda de conducción fluyan, y sin voltaje (o presión como una analogía de flujo), no hay energía para excitar a los electrones en la banda de conducción. La resistencia siempre está presente debido a las propiedades atómicas, y la caída de voltaje debe ser el voltaje total ya que la resistencia se vuelve esencialmente infinita debido a que las capas de valencia en los metales son muy diferentes a las bandas de conducción en el sentido de que están unidas a la estructura cristalina del metal. Requieren excitación y un gradiente para romper su enlace con la capa de valencia. Los electrones de valencia pueden interactuar pero no tienen una dirección uniforme y no fluyen libremente como lo harían si se excitaran en la banda de conducción. Esto es por supuesto para metales conductores simples.