La energía no viaja por los cables
Para responder a esta pregunta, piensa primero en un cable como un conducto por el que fluye algo. Si el conducto está absolutamente lleno, cada vez que una cantidad de material entra por un extremo, una cantidad igual de material debe salir por el otro. Este es el caso de la electricidad. El material que fluye en los cables que transportan electricidad son los electrones y cuando un número determinado de electrones entra en un cable, un número igual debe salir. El cable es simplemente una vía para que los electrones viajen.
Los cables están hechos de metales, que son conductores. Los conductores tienen algunos electrones que se mueven libremente. La corriente eléctrica (electricidad) es un flujo o movimiento de estos electrones a través del conductor. La cantidad de corriente que fluye se expresa en unidades llamadas amperios. Estos electrones se ven obligados a moverse por una diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos del cable. Esta diferencia de potencial puede ser creada por una batería, un generador, una célula solar o un dispositivo similar y se expresa en unidades denominadas voltios.
Consideremos un cable conectado a los bornes de una batería con una diferencia de potencial determinada (tensión). La diferencia de potencial creada por la pila hace que los electrones entren en un extremo del cable y salgan por el otro en igual número. Imagínese un tubo del diámetro de una canica lleno de canicas. Si empuja una canica en un extremo, entonces una canica debe salir por el otro extremo. Así ocurre con un cable. Cuando los electrones entran en un extremo del cable, un número igual sale por el otro. No se crea ni se pierde nada en el cable durante el flujo normal de la corriente. Después de que la electricidad fluya a través de él, hay la misma cantidad de cable que había antes.
La electricidad no fluye
La electricidad o la corriente viaja en la superficie exterior. ¿Por qué? Tomemos el ejemplo de un átomo donde tenemos el núcleo, los protones y los electrones. De nuestro conocimiento básico que los electrones se queda en la cáscara exterior y los electrones más externos o los electrones de valencia tienen la oportunidad de moverse libremente que también responsable de llevar la carga negativa o eléctrica.
Volviendo a su pregunta, el mismo principio que se discutió anteriormente que los electrones se mantiene en la capa exterior que es responsable de llevar la electricidad o la corriente. Cuando se induce el voltaje en la toma de corriente, la corriente se produce y los electrones más externos en el cable ganan algo de carga eléctrica que aumenta la energía para moverse libremente en la superficie.
Cómo viaja el sonido a través de los cables
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 en el 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 están cargados negativamente). 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”.
¿A qué velocidad viaja la electricidad por las líneas eléctricas?
Hace un par de semanas, Derrick Muller, del canal de YouTube Veritasium, realizó un vídeo en el que afirmaba que la energía eléctrica de un circuito no fluye por los cables, sino por los campos. Esto es cierto y a la vez una idea errónea. Este concepto erróneo en su problema surge porque se trata de un circuito que va desde la Tierra a la Luna y viceversa con un espacio de un metro entre los cables. También utiliza una definición de que la luz está “encendida” que parece ser que cualquier cantidad minúscula de corriente fluye a través de la bombilla. Luego justifica que esto será completamente correcto la teoría electromagnética clásica, no relativista. Cuando en realidad para abordar el problema, preguntó completamente, se necesitaría la Teoría Cuántica de Campos (QFT) o más específicamente la Electrodinámica Cuántica (QED).
En la Relatividad Especial calculamos la trayectoria de un sistema dados los postulados de que las leyes de la física no deben cambiar dependiendo de su marco de referencia y que la velocidad de la luz debe ser constante en todos los marcos de referencia. Cuando la velocidad de la luz es relevante para un problema y no puede ser ignorada este es el marco que debe ser utilizado. Podemos ignorar la gravedad y la Relatividad General ya que sus efectos serían pequeños en este problema.