Cuando un simple cable de cobre se conecta a la corriente alterna o a la corriente continua, ¿qué ocurre realmente con los electrones dentro del cable?
Es decir, ¿qué tipo de camino siguen cuando llegan al final del cable? Si alguien puede proporcionar un enlace de demostración en vídeo sería estupendo.
Los átomos contienen varias capas o capas de electrones. El átomo de hidrógeno tiene un electrón en la primera capa, el átomo de helio tiene dos en la primera capa, el siguiente átomo (litio) tiene dos en la primera capa y uno en la segunda, etc. Cada capa sólo puede contener un número determinado de electrones.
Los mejores conductores tienen un átomo en su capa más externa, y están más que contentos de cederlo. Considere el átomo de cobre . Tiene el siguiente recuento de electrones en cada capa: 2, 8, 18, 1. Cederá ese electrón bajo un campo débilmente cargado, y entonces estará cargado positivamente y "tirará" de un electrón de un átomo de cobre vecino. Si observamos la plata y el oro, están dispuestos de forma similar: 2, 8, 18, 18, 1 para la plata, y 2, 8, 18, 32, 18, 1 para el oro.
Se puede despojar a cualquier átomo de un electrón, pero los mejores "conductores" sólo necesitan un campo débil para hacerlo.
Así que si saco un electrón del extremo de un cable de cobre, utilizando un campo eléctrico débil, entonces ese átomo podría sacar un electrón de su vecino, y finalmente un átomo de cobre en algún lugar del cable perderá su electrón, pero será incapaz de conseguir el de otro porque está demasiado lejos, o interactuando con algún otro campo. Si empujo un electrón en el extremo del cable, entonces el átomo de cobre que lo reciba tendrá demasiados, exhibirá una carga negativa, y esencialmente empujará su electrón extra sobre algún otro átomo de cobre hasta que encuentre un átomo que no pueda deshacerse de él, o un átomo al que ya le falte uno.
Los electrones también pueden entrar y salir de los aislantes; esto se hace, por ejemplo, cuando se acumulan cargas estáticas con telas y plásticos.
Pero los conductores redistribuyen la carga internamente, por lo que si se carga un extremo de un cable con electrones adicionales, se puede considerar que el otro extremo del cable tiene una carga similar.
Una pila, a menudo mediante una reacción química, establece una carga positiva en un extremo y una carga negativa en el otro. Si conecta un conductor entre los dos extremos, forzará a los electrones a atravesar el conductor mientras viajan desde el lado cargado negativamente (demasiados electrones) al lado cargado positivamente (muy pocos electrones).
Los electrones se mueven en una sola dirección para la CC, y se mueven en una dirección y luego en otra para la CA. Debido al cambio del campo magnético (es decir, el cable se convierte en un inductor) las señales de CA de alta frecuencia suelen viajar cerca de la superficie del cable. Puede buscar el "efecto piel" para entenderlo mejor. Los electrones viajan entre los átomos del conductor.
Cada vez que empujas 6,28x10^18 electrones a través del cable, has movido un amperio de corriente. Es decir, 6,28 billones de electrones. Sin embargo, hay alrededor de 4,38x10^22 átomos de cobre en un metro de cable de calibre 20, por lo que si empujas un amperio completo a través de él, suponiendo una distribución uniforme, no sacarás ninguno de los electrones que empujaste hacia dentro - habrás empujado electrones que ya estaban en el cable. Los electrones se mueven lentamente, de forma individual, pero la carga se distribuye rápidamente - tan pronto como empujas un electrón, encuentras que es más fácil sacar uno del otro extremo casi a la velocidad de la luz en el otro extremo. No es el mismo electrón, pero el efecto y la carga son los mismos.
Un buen conductor distribuye la carga muy, muy rápidamente, y no convierte gran parte del movimiento en calor. Si haces pasar la misma corriente por el mismo tamaño de cable de oro y por el mismo tamaño de cable de cobre, el cable de oro se calentará más, porque es más difícil que esos átomos de oro cedan y acepten electrones.
Es decir, ¿qué tipo de camino siguen cuando llegan al final del cable?
No lo hacen. Si hay un circuito abierto, no hay corriente.
La corriente es realmente un flujo de electrones: 1A de corriente en una dirección = 6,24 x 10 18 electrones que fluyen en la otra dirección. (Dale las gracias a Benjamin Franklin por ello: fue él quien decidió la convención de signos para la corriente, basándose en el movimiento de lo que él pensaba que era la carga positiva).
La corriente en un conductor está causada, en cierto modo, por los campos eléctricos. En un conductor, la densidad de corriente J = σE donde J está en amperios / m 2 σ es la conductividad del material y E es el campo eléctrico.
Si tienes un cable conectado en un circuito con componentes (por ejemplo, resistencias, etc.) a una fuente de tensión, esa tensión impone campos eléctricos a lo largo del circuito, haciendo que fluya la corriente. Cuando los electrones llegan al extremo del cable que está conectado a otro componente, se mueven hacia ese componente y continúan en un bucle alrededor del circuito.
La analogía más fácil en este caso es probablemente el flujo de agua. La corriente es análoga al flujo de agua, el voltaje es análogo a la presión, las baterías son análogas a las bombas, los cables son análogos a las mangueras o tuberías. (A diferencia de la analogía del agua, si se corta un circuito, la corriente se detendrá, porque la conductividad en el aire de los electrones es muy baja, mientras que si se corta una manguera, el agua se derramará).
Bueno, vale, la descarga de corona + los chorros de iones + esas cosas requieren altos campos eléctricos para superar la fuerza de ruptura del aire. :-)
Un conductor metálico es un mar de electrones libres mantenidos en un pozo de potencial por la carga positiva de los núcleos de átomos que componen el metal. Así es como funciona: Algunos electrones están fuertemente ligados al núcleo de los átomos y otros son libres de moverse. Los que están fuertemente ligados no se mueven, pero los libres pueden ir donde quieran... más o menos. El calor (movimiento browniano) hace que todas estas partículas se agiten y vayan más rápido a medida que aumenta la temperatura. Como algunos electrones son libres de moverse, el empuje tiende a alejarlos del resto de los átomos. Se empieza a formar una nube de electrones más allá de la superficie del cable, que se hace más grande a medida que se calienta. A medida que la nube de electrones se aleja, los átomos que están atrapados en su lugar (en una red cristalina, en realidad) desarrollan una carga eléctrica positiva que tiende a tirar de los electrones hacia atrás. Así que hay un equilibrio entre el empuje debido al calor que tiende a hacer que la nube de electrones se expanda (algo así como las moléculas de un gas que quieren expandirse cuando se calienta) y el campo eléctrico que se desarrolla porque los electrones negativos están pasando parte de su tiempo más lejos del cable que los átomos positivos que quedan atrás. El efecto neto es que todos los electrones tienen que permanecer cerca del cable, pero se alejan a medida que aumenta la temperatura. Hay un montón de cosas que suceden debido a este "mar de electrones".
En primer lugar, es un mar y podemos hacer una analogía con el océano. A lo largo de la costa este de EE.UU. hay algo que se llama la corriente del Golfo. Es una corriente en el mar. Se mueve a unos pocos kilómetros por hora y lleva mucha agua hacia el norte. En el océano también hay olas. Si hubiera un terremoto en el Atlántico, el tsunami resultante se movería por el océano a 600 millas por hora. Así que tenemos la experiencia de que en un mar, las olas pueden moverse muy rápido mientras que la corriente se mueve mucho más despacio. En un cable ocurre lo mismo. Cuando aplicas un potencial positivo al extremo de un cable, los electrones de la nube que lo rodea son atraídos hacia él. En realidad, su carga positiva compite ahora con la carga positiva de los átomos, y algunos de los electrones se desplazarán en su dirección. Algunos pueden incluso moverse físicamente hacia la carga positiva que usted aplicó, pero la mayoría de la nube de electrones en el extremo del cable se desplazará hacia usted. Una vez que se desplazan, los que están un poco más adentro verán el cambio porque ahora hay menos electrones negativos en el lado hacia usted. Así que se desplazarán. Este proceso se propaga a lo largo del cable, cada grupo de electrones se desplaza debido al cambio de campo que se produce al desplazarse los demás. Cuando la "onda" llegue al otro extremo del cable, la nube se desplazará hacia el extremo opuesto, exponiendo más carga positiva de los átomos, de modo que se verá un potencial positivo al final. Pero esto no ocurre inmediatamente. El campo en el cable tiene que cambiar y eso lleva tiempo. Ahora aquí está la parte realmente interesante: los campos eléctricos se mueven a la velocidad de la luz fuera del cable, pero se mueven MUY LENTAMENTE dentro del cable. No tengo cifras exactas, pero fuera del cable los campos se mueven a una velocidad de 3x10^8 metros/seg. Dentro del cable no llega ni a un metro por segundo. Si se aplica corriente continua, un solo electrón tarda mucho tiempo en recorrer el cable hasta el otro extremo. Pero, si aplicas un pulso positivo al cable, verás un pulso positivo en el otro extremo a la velocidad de la luz (si pones un aislante alrededor del cable, en realidad va un poco más lento, pero eso es un detalle por el momento). ¿Cómo puede ser esto? Si los campos viajan muy lentamente dentro del cable, ¿cómo llega el pulso al otro extremo tan rápido? Lo hace gracias al campo que hay alrededor del cable. Un cable, especialmente para las señales de corriente alterna, actúa hasta cierto punto como una guía de ondas de adentro hacia afuera. Los campos no pueden penetrar en el interior del cable, por lo que permanecen cerca de la superficie, y sólo empujan a los electrones cerca de la superficie. En el caso de la corriente continua, los campos pueden finalmente penetrar en todo el cable y hacer que todo se mueva, pero en el caso de la corriente alterna el campo se invierte a intervalos regulares, de modo que justo cuando se adentra un poco en el cable, se invierte y tiene que volver a empezar. El efecto neto es que las corrientes en los cables viajan en una región estrecha cerca de la superficie: esto se llama el "efecto piel". No creo que lo haya descubierto el Dr. Skin (pero podría equivocarme), sino que se refiere a que la corriente se pega a la superficie, o "piel", del cable. Si te preguntas cuánto importa esto: mucho, mucho, mucho. Toneladas. Muchísimas. He construido profesionalmente ecualizadores de cable para señales de vídeo. El efecto piel me ha permitido ganar un buen sueldo durante algunos años. Tome un cable de calibre 24 (digamos, Cat 5) y aplique una señal que tenga frecuencias desde muy bajas (digamos 30 Hz) hasta razonablemente altas (digamos 5MHz). Las frecuencias bajas pueden penetrar mucho más en el cobre, por lo que en realidad ven un cable mucho más grande. Las altas frecuencias sólo ven un tubo delgado. ¿Cuál es la diferencia? La resistencia. Las señales fluyen mucho más fácilmente en un cable grueso que en un tubo fino. Así que las altas frecuencias se hacen cada vez más pequeñas a medida que se desciende por el cable. En el caso de una señal de vídeo, esto significa que la imagen se vuelve cada vez más borrosa y, finalmente, el color desaparecerá. Después de viajar a través de una milla de cable Cat 5, las partes de 5MHz de una señal de vídeo serán aproximadamente un millón de veces más pequeñas que las bajas frecuencias.
Otra cosa que explica este "mar de electrones": los rayos catódicos. En los viejos tiempos, las señales eléctricas se amplificaban mediante tubos de vacío. El tubo de vacío tenía un filamento (por el que pasaba la corriente, por lo que brillaba de color naranja) y una rejilla (una especie de pantalla metálica) junto al filamento. Más allá había algo llamado placa (que no era más que una placa metálica con una conexión terminal). Cuando el filamento estaba caliente, el mar de electrones se expandía y muchos electrones se alejaban bastante de su cable de origen. Si se aplicaba una carga positiva a la rejilla, ésta podía sacar algunos de esos electrones del filamento, y si, al mismo tiempo, se aplicaba una carga positiva a la placa, éstos se escurrían por el vacío dentro del tubo y aterrizaban en la placa provocando una corriente. Así que la rejilla podía controlar la corriente a través del tubo, y ese fue el primer amplificador electrónico. Se inventó a partir de las primeras bombillas. De hecho, Edison estuvo a punto de inventarlo, pero nunca terminó el experimento, así que el guiño es para un señor llamado DeForrest. (Creo que... tal vez debería consultar la Wikipedia). Si esa placa era una pantalla recubierta de fósforos, se convirtió en un CRT (tubo de rayos catódicos) y eso se convirtió en la primera televisión. Así que hay muchas cosas que se pueden explicar con esta visión de un cable/conductor como un mar de electrones mantenidos sin apretar por sus átomos madre. No estoy seguro de si es lo que buscabas, pero a mí siempre me ayudó una vez que lo aprendí. Mucha suerte. Dave
Has explicado de forma sucinta el efecto Piel. Sin embargo,tengo una duda mucho más tonta y fundamental.Está relacionada con la generación del campo eléctrico alterno. Por favor, explica el campo alterno y el comportamiento de los electrones como causa y efecto. Como,si la causa es la CA,el ciclo positivo hace que los electrones se aceleren más,&el ciclo negativo los impide,así que esto forma grupos de electrones en algunos puntos y vacíos en otros. Por lo tanto, el campo efectivo debido a los iones positivos y los electrones hace el contorno alternativo. Pero si la CA es la causa,entonces como ayudan los electrones en la propagación,o lo hacen?
Cuando fluye una corriente eléctrica, los electrones se mueven desde el polo negativo hacia el positivo a una velocidad muy pequeña, algo del orden de \$ 0.02 mm/sec \$ en un cable estándar hacia una bombilla. Los electrones se mueven en sentido contrario a lo que llamamos corriente. Cuando llegan al final del cable, se transfieren al material del terminal, la bombilla o lo que sea. La facilidad de la movilidad de los electrones es lo que llamamos conductancia.
En los circuitos de corriente alterna, los electrones se mueven un poco, dependiendo de la frecuencia de la corriente alterna, siguiendo la polaridad de la corriente.
Gracias por su respuesta, pero la pregunta sigue sin respuesta, quiero saber cómo fluyen los electrones dentro del cable cuando la fuente es CA.
Sólo para ampliar la analogía con el agua; supongamos que tenemos una larga tubería, con alguna fuente de agua en un extremo y una válvula en el otro: la tubería está llena de agua y cuando se abre la válvula, empieza a derramarse "instantáneamente". No se dice que el agua haya viajado a una velocidad infinita por la tubería, sino que estaba dentro de ella y esperaba una forma de ir a alguna parte.
Lo mismo ocurre con la electricidad: los electrones están en el cable y, al aplicar la tensión, empiezan a moverse. Se ve casi instantáneamente el efecto porque había algunos "esperando" en el extremo del cable, empujados por los que están cerca de ellos y así van a la fuente. Así que, aunque los electrones estén lento En el caso de las señales, éstas se propagan mucho más rápido (2/3 c es una referencia común) debido a esta reacción en cadena.
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