A qué velocidad se mueven los electrones en un átomo
¿A qué velocidad viajan las señales por una línea de transmisión? A menudo se cree erróneamente que la velocidad de una señal por una línea de transmisión depende de la velocidad de los electrones en el cable. Con esta falsa intuición, podríamos imaginar que reducir la resistencia de la interconexión aumentará la velocidad de una señal. De hecho, la velocidad de los electrones en un cable de cobre típico es en realidad unos 10.000 millones de veces más lenta que la velocidad de la señal.
Es fácil calcular la velocidad de un electrón en un cable de cobre. Supongamos que tenemos un cable redondo de calibre 18, de 1 mm de diámetro, con 1 amperio de corriente. Podemos calcular la velocidad de los electrones en el cable basándonos en cuántos electrones pasan por una sección del cable por segundo, la densidad de los electrones en el cable y el área de la sección transversal del cable. Esto se ilustra en la Figura 7-5. La corriente en el cable está relacionada con:
Para un cable de 1 mm de diámetro, el área de la sección transversal es de aproximadamente A ∼ 10-6 m2. Combinando estos términos y utilizando una corriente de 1 amperio en el alambre, la velocidad de un electrón en el alambre puede estimarse en aproximadamente:
Velocidad de la electricidad
Para responder a esta pregunta tenemos que analizar la materia en sí misma a un nivel muy básico. La materia está formada por pequeñas unidades llamadas átomos. En este nivel atómico, la materia posee dos características básicas. La materia tiene masa y puede tener una carga eléctrica, ya sea positiva, negativa, o puede ser neutra sin carga. Cada átomo contiene tres tipos de partículas con características diferentes: protones positivos, neutrones neutros y electrones negativos.
La corriente eléctrica (electricidad) es un flujo o movimiento de carga eléctrica. La electricidad que se conduce a través de los cables de cobre de su casa está formada por electrones en movimiento. Los protones y neutrones de los átomos de cobre no se mueven. La progresión real de los electrones individuales en una dirección determinada a través del cable es bastante lenta. Los electrones tienen que abrirse camino a través de los miles de millones de átomos del cable y esto lleva un tiempo considerable. En el caso de un cable de cobre de calibre 12 que transporta 10 amperios de corriente (típico del cableado doméstico), los electrones individuales sólo se mueven unos 0,02 cm por segundo o 1,2 pulgadas por minuto (en la ciencia esto se llama la velocidad de deriva de los electrones). Si esta es la situación en la naturaleza, ¿por qué se encienden las luces tan rápidamente? A esta velocidad, los electrones tardarían horas en llegar a las luces.
¿Los electrones viajan a la velocidad de la luz en el vacío?
La velocidad de la electricidad depende realmente de lo que se entienda por la palabra “electricidad”. Esta palabra es muy general y significa básicamente “todo lo relacionado con la carga eléctrica”. Supondré que nos referimos a una corriente de carga eléctrica que viaja a través de un cable metálico, como por ejemplo el cable de alimentación de una lámpara. En el caso de las corrientes eléctricas que viajan a través de cables metálicos, existen tres velocidades diferentes, todas ellas físicamente significativas:
Ahora bien, si se conecta el cable a una batería, se ha aplicado un campo eléctrico externo al cable. El campo eléctrico apunta en una dirección a lo largo del cable. Los electrones libres del cable sienten una fuerza de este campo eléctrico y se aceleran en la dirección del campo (en realidad, en la dirección opuesta, porque los electrones tienen carga negativa). Los electrones siguen chocando con los átomos, lo que hace que sigan rebotando en diferentes direcciones. Pero además de este movimiento térmico aleatorio, ahora tienen un movimiento neto ordenado en la dirección opuesta al campo eléctrico. La corriente eléctrica en el cable consiste en la parte ordenada del movimiento de los electrones, mientras que la parte aleatoria del movimiento sigue constituyendo sólo el calor en el cable. Por lo tanto, un campo eléctrico aplicado (como el de la conexión de una batería) hace que fluya una corriente eléctrica por el cable. La velocidad media a la que se mueven los electrones por un cable es lo que llamamos “velocidad de deriva”.
¿Pueden los electrones viajar a la velocidad de la luz?
Los átomos están formados por tres componentes básicos: electrones, protones y neutrones. Basándose en los resultados de los experimentos de dispersión, el físico Rutherford sugirió que los electrones cargados negativamente se mueven en órbitas circulares alrededor de la región cargada positivamente llamada núcleo.
Los campos electromagnéticos aceleran a los electrones cuando llevan carga. Si conoces el valor del potencial del campo eléctrico, puedes calcular la velocidad de un electrón que se mueve bajo su influencia utilizando la ecuación de la energía cinética. Sigue leyendo para aprender a calcular la velocidad de un electrón acelerado por un campo eléctrico.
¿Sabías que el movimiento de los electrones en campos magnéticos y eléctricos ayudó a determinar el signo de su carga? En 1879, el físico y químico inglés William Crookes descubrió que los campos magnéticos curvaban los rayos catódicos y la dirección de la desviación indicaba que eran partículas con carga negativa. Posteriormente, en 1897, J. J. Thomson observó que los rayos catódicos se doblaban hacia la placa positiva y se desviaban de la negativa cuando se les dejaba pasar entre ellas. El descubrimiento de Thomson estableció que la electricidad implicaba el flujo de partículas cargadas negativamente. Thomson llamó a estas partículas electrones.