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Velocidad de la gravedad
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”.
Movilidad de los electrones
Si organizara un experimento en el que la luz compitiera con la electricidad, ¿cuáles serían los resultados? Digamos que se dispara un láser rojo al mismo tiempo que se cierra un interruptor que aplica 110 voltios a un bucle de cable de cobre de calibre 12 con un metro a una distancia de diez metros. Además, ¿la velocidad de la electricidad depende de la tensión aplicada o de la resistencia del conductor? Para esta prueba digamos que la distancia es de diez metros a través del aire. No busco una respuesta exacta. Una aproximación está bien.
La velocidad de la electricidad es conceptualmente la velocidad de la señal electromagnética en el cable, que es algo similar al concepto de la velocidad de la luz en un medio transparente. Así que normalmente es menor, pero no demasiado menor que la velocidad de la luz en el vacío. La velocidad también depende de la construcción del cable. La geometría del cable y el aislamiento reducen la velocidad. Los buenos cables alcanzan el 80% de la velocidad de la luz; los excelentes, el 90%. La velocidad no depende directamente de la tensión o la resistencia. Sin embargo, las distintas frecuencias tienen una atenuación diferente. En tu ejemplo, el momento de la conexión representa un frente de alta frecuencia que se atenuará. Mientras que en la entrada la tensión aumentaría muy rápidamente, en la salida lo haría gradualmente, como con un retardo. En realidad no es un retardo en sí, porque la señal inicial de bajo nivel llegaría casi con la velocidad de la luz, pero su amplitud sólo aumentaría gradualmente y alcanzaría la tensión total con un retardo considerable que dependería de la impedancia del cable y del circuito (sobre todo de la inductancia del cable). Si se utiliza un cable coaxial de alta velocidad (como un cable de televisión por satélite de 3 GHz) en lugar de un cable, el retardo sería mucho menor (80-90% de la velocidad de la luz hasta la tensión total). Espero que esto te ayude.
Velocidad de la oscuridad
¿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 luz
En un cañón de electrones, los electrones salen de la superficie de una placa metálica caliente. Salen de la placa con velocidades muy pequeñas, y luego el campo eléctrico los acelera hacia el ánodo. Ver la nota orientativa
Los electrones ganan energía cinética. A diferencia de los electrones en un cable, estos electrones no tienen nada que golpear, nada a lo que transferir energía, mientras viajan hacia el ánodo. Así que cada electrón gana energía cinética igual a la cantidad de energía transferida eléctricamente.
Un modelo burdo sería el de una colección de canicas que bajan por un tablero inclinado para estrellarse contra una pared en la parte inferior, excepto unas pocas que podrían chocar con un hueco en la pared y seguirían por el suelo plano del otro lado de la pared. La pendiente corresponde al campo eléctrico que aplicamos dentro de la pistola para acelerar los electrones. El suelo plano corresponde a la región más allá del ánodo donde los electrones continúan a velocidad constante.
Un tubo de televisión tiene un cañón de este tipo, para disparar los electrones directamente a la pantalla del tubo. Allí los electrones crean un punto brillante al excitar un resplandor en la pantalla, pero en su camino pueden ser sacados de la línea recta por campos magnéticos.