Qual a velocidade da eletricidade?

De vez em quando, fico confuso com a física de baixo nível da eletricidade. Ele apareceu em "De que maneira a eletricidade alimenta um circuito " e eu não entendo totalmente.

Qual a velocidade da eletricidade? A velocidade de um elétron é diferente, digamos, em um resistor, do que em um fio? Isso importa? Ou os efeitos do elétron são a única coisa importante, com níveis mais baixos de abstração que não são úteis na prática?

Sei que já existem materiais sobre esse tópico e li alguns deles. Acho que ter a pergunta neste site pode inspirar algumas respostas interessantes para a pergunta antiga.

Pontos de bônus por:

• Identificando e esclarecendo equívocos comuns
• Explicar de uma maneira que alguém com um diploma do ensino médio pudesse entender, sem simplificá-lo tanto que sua incorreta

Qual a velocidade da eletricidade? Essa é uma boa pergunta, porque parece uma pergunta bastante simples, mas geralmente indica alguns conceitos errôneos subjacentes. A primeira dificuldade em responder à pergunta é saber, o que é eletricidade? Você quer dizer:

1. Com que rapidez as mudanças nos campos elétricos se propagam? ou...
2. Com que rapidez as transportadoras de carga elétrica se movem?

Geralmente, as pessoas que fazem essa pergunta realmente se preocupam com o primeiro, mas estão pensando no último. No entanto, não tendo um entendimento claro da diferença, a preocupação subjacente não pode ser resolvida sem dar um passo atrás e abordar os equívocos subjacentes que levam à pergunta.

Entender é o seguinte: existem forças e há coisas que transmitem forças, e elas não são a mesma coisa. Aqui está um exemplo: estou segurando uma ponta de uma corda e você está segurando a outra extremidade. Quando quero chamar sua atenção, puxo a corda. Há a corda e há o puxão. O cabo viaja como uma onda de força pela corda na velocidade do som na corda. A corda em si se moverá a outra velocidade.

Digamos que tenho duas torres de vigia e, quando vejo os invasores que se aproximam, grito para a outra torre. O som viaja como ondas no ar na velocidade do som. Qual a velocidade da movimentação das moléculas no ar? Você se importa?

Algumas pessoas não deixam isso acontecer até que o movimento das moléculas seja realmente explicado, mesmo que isso geralmente não seja relevante para suas preocupações. Então aqui está a resposta: as moléculas estão voando em todas as direções aleatórias, o tempo todo. Eles voam por aí porque têm temperatura diferente de zero. Alguns são muito rápidos. Alguns são muito lentos. Eles esbarram um no outro o tempo todo. É muito aleatório.

Quando você grita, seu trato vocal comprime (e rarefaz, à medida que suas cordas vocais vibram) um pouco do ar. As moléculas nesta região comprimida querem se mover para uma região com menos pressão, e o fazem. Mas agora essa região próxima tem muito ar e é um pouco mais compactada do que o ar em torno dela; portanto, a região compactada se expande um pouco mais. Essa onda de compressão se move pelo ar na velocidade do som.

Tudo isso acontece sobreposto ao movimento aleatório das moléculas mencionadas anteriormente. É improvável que as mesmas moléculas que estavam no trato vocal sejam as que vibram no ouvido do ouvinte. Se você observar moléculas individuais, as observará em todas as direções. Somente se você observar muitos deles, notará que um pouco mais foi em uma direção contra outra. É verdade para todas as coisas que chamaríamos de "som" que o movimento aleatório das moléculas devido ao ruído térmico é muito mais do que o movimento devido ao som. Quando o "som" se torna o movimento mais relevante, tendemos a chamá-lo não de "som", mas de "explosão".

A situação com a eletricidade não é muito diferente. Um condutor de metal está cheio de elétrons que podem circular livremente por todo o circuito em direções aleatórias, e o fazem, simplesmente porque são quentes. As coisas em nossos circuitos produzem ondas neste mar de elétrons, e essas ondas se propagam à velocidade da luz ¹ . Nas correntes que normalmente encontramos nos circuitos, a maior parte do movimento dos elétrons é devido ao ruído térmico.

Então agora podemos responder às perguntas:

Com que rapidez as mudanças nos campos elétricos se propagam? Na velocidade da luz no meio em que eles estão se propagando. Para a maioria dos cabos, isso ocorre entre 60% e 90% da velocidade da luz no vácuo.

Com que rapidez as transportadoras de carga elétrica se movem? As velocidades de portadores de carga individuais são aleatórias. Se você calcular a média de todas essas velocidades, poderá obter uma velocidade que depende da densidade do portador de carga, da corrente e da área da seção transversal do condutor, e normalmente é inferior a alguns milímetros por segundo em um fio de cobre. Acima disso, as perdas resistivas se tornam altas em metais comuns e as pessoas tendem a aumentar os fios em vez de forçar as cargas a se moverem mais rapidamente.

Leitura adicional: Velocidade do fluxo de eletricidade por Bill Beaty

^{1: A velocidade da luz depende do material em que a luz está se propagando, assim como no som. Consulte Velocidade de propagação da onda .}

Esta é realmente mais uma questão de física do que de eletrônica ... A razão de os engenheiros elétricos e eletrônicos raramente (se alguma vez) considerarem esses cálculos subatômicos. O fato de os elétrons estarem se movendo é o que realmente importa, a rapidez com que eles se movem tem pouca importância para o circuito. O que pode ser útil para o engenheiro é saber com que rapidez um potencial elétrico (tensão) pode mudar, pois isso decidirá a transmissão máxima de dados em um fio (velocidade do fio) relacionado à resistência, capacitância e indutância do transportador de carga, entre outras coisas. Isso também está associado à velocidade de propagação da onda discutida em algumas das outras respostas. Estas são duas questões completamente diferentes ...

Visão geral da eletricidade

Para começar, "eletricidade" não flui. Eletricidade é a manifestação física do fluxo de carga elétrica. Embora esse termo se aplique a um amplo espectro de fenômenos, é mais tipicamente associado ao movimento (excitação) de elétrons - partículas subatômicas com carga negativa. Quando certos elementos são compostos, os elétrons podem se mover livremente através da camada mais externa da nuvem de elétrons de um átomo para o outro. Um condutor permite facilmente o fluxo de elétrons, enquanto um isolador o restringe. Os semicondutores (como o silício) têm condutividade controlável, o que os torna ideais para uso em eletrônicos modernos.

Como você deve saber, a corrente elétrica é medida em amperes (amperes). Esta é realmente uma medida de quantos elétrons estão se movendo através de um único ponto em um segundo:

1 Amp = 1 Coulomb por segundo = 6.241509324x10 ^ 18 Elétrons por segundo

Enquanto houver uma tensão (potencial) presente através de um condutor, (um fio, resistor, motor, etc.) a corrente fluirá. A tensão é uma medida do potencial elétrico entre dois pontos; portanto, ter uma tensão mais alta permitirá um fluxo de corrente mais alto, ou seja, o movimento de mais elétrons através de um ponto por segundo.

Velocidade do elétron

Obviamente, a velocidade conhecida em jejum é a velocidade da luz: 3 * 10 ^ 8 m / s. No entanto, os elétrons normalmente não se movem nem perto dessa velocidade. Na verdade, você ficaria surpreso em saber quão lentamente eles realmente se movem.

A velocidade real do elétron é conhecida como velocidade de desvio . Quando uma corrente flui, os elétrons não se movem em linha reta por um fio, mas meio que oscilam através dos átomos. A velocidade média real do fluxo de elétrons é proporcional à corrente usando a seguinte fórmula:

v = I / (nAq) = corrente / (densidade da transportadora * área da seção transversal da transportadora * carga da transportadora)

Este exemplo foi retirado da Wikepedia , porque eu não queria pesquisar os números ...

Considere uma corrente 3A fluindo através de um fio de cobre com 1 mm de diâmetro. O cobre tem uma densidade de 8,5 * 10 ^ 25 elétrons / m ^ 3 e a carga de um elétron é -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulombs. O fio tem uma área de seção transversal de 7,85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Portanto, a velocidade de desvio seria:

Qual é o número de elétrons que um átomo possui em um átomo de hidrogênio?

v = -0.00028 m / s

Observe a velocidade negativa, implicando que a corrente realmente flua na direção oposta normalmente pensada. Além disso, a única coisa a notar é o quão lento isso realmente é. Uma corrente de 3 amperes não é tão pequena e o fio de cobre é um excelente condutor! Na verdade, quanto maior a resistência no transportador de carga, mais rápida será a velocidade. É semelhante à forma como configurações diferentes em um chuveiro fazem com que a mesma pressão da água saia da torneira em velocidades diferentes. Quanto menor o buraco, mais rápido a água sai!

Compreendendo isso

Se os elétrons se movem tão lentamente, como é possível transmitir dados tão rapidamente? Ou ainda, como um interruptor de luz pode controlar uma luz instantaneamente de tão longe? Isso ocorre porque não há um único elétron que deve fluir de um ponto no circuito para outro para que algo funcione. Na verdade, existem muitos elétrons livres (a quantidade depende da composição elementar do material transportador) em todos os pontos do circuito em todos os momentos que se movem assim que um potencial (tensão) suficientemente grande é aplicado.

Pense em água em um cano. Se não houver água no cano para começar, levará algum tempo até que a água alcance a torneira quando um bico for ligado. No entanto, em uma casa, já deve haver água em todos os pontos do tubo, para que a água saia da torneira assim que for aberta. Ele não precisa viajar da fonte de água para a torneira, porque ela já está no cano, apenas esperando o potencial de empurrá-lo. É o mesmo com um fio: já existem tantos elétrons no fio, apenas esperando serem empurrados pela presença do potencial de tensão. A velocidade necessária para um elétron se mover de um ponto no fio para outro é completamente irrelevante.

Por outro lado, a velocidade de transmissão de dados através de um meio físico é importante e tem um máximo teórico, conforme discutido nesta maravilhosa pergunta e respostas, para que não entremos nisso aqui.

Os elétrons estão enganando você. Ignore-os. Eles vão na direção errada, de qualquer maneira. As pessoas gostam de construir pequenos modelos animados que os mostram se movendo - o que é verdade, e observam que a comunicação eletrônica é quase instantânea - verdadeira e concluem que os elétrons se movem quase instantaneamente - o que é falso.

1. Qual a velocidade da eletricidade?

   Existem duas interpretações possíveis: "com que rapidez os elétrons se movem?" e "com que rapidez um sinal eletrônico viaja?"

   Kurt já respondeu "quão rápido os elétrons se movem?" com velocidade de deriva . No entanto, os sinais eletrônicos são definidos pela onda eletromagnética que se propaga através do material com a assistência dos portadores de carga. O sinal se propaga em alguma fração da velocidade da luz, afetada pelas propriedades da linha de transmissão .

   Isso impõe limitações reais em sistemas de alta velocidade. Na prática, leva cerca de um nanossegundo para que um sinal se propague ao longo de 30 cm de PCB. Como resultado, existe uma latência mínima entre partes de um computador.

   A indutância e capacitância da linha restringem o quão "nítido" você pode fazer uma aresta e enviá-la por uma linha. Ele ficará manchado em direção a uma forma de onda senoidal.

   Observe que a quantidade de dados que você pode colocar através de uma operadora ainda é diferente, governada por sua relação sinal / ruído. A velocidade de propagação determina a latência mínima, não a largura de banda.

2. A velocidade de um elétron é diferente, digamos, em um resistor, do que em um fio?

3. Isso importa?

   De cima, sabemos que as respostas são "sim" e "não", para velocidades de elétrons.

   A velocidade de propagação das ondas é afetada pela capacitância, indutância e constante dielétrica do material pelo qual você está propagando e de quaisquer isoladores próximos aos planos de terra. Portanto, um sinal se propaga a uma velocidade muito diferente através de um resistor que de um fio, pois é feito de um material diferente e fica fora do quadro.

4. Ou os efeitos do elétron são a única coisa importante, com níveis mais baixos de abstração que não são úteis na prática?

Na maioria das vezes, você não precisa se preocupar com elétrons. Eles se envolvem diretamente em tubos de raios catódicos, displays fluorescentes a vácuo e "válvulas" termiônicas.

Isso também se aplica aos semicondutores, onde a física é difícil e às vezes contra-intuitiva, mas o conhecimento básico de como usar um transistor, FET ou diodo em um circuito é muito mais simples.

Considere uma linha de dominós - empurre um ao extremo e o distúrbio viaja para o outro. As velocidades das peças individuais e da perturbação ou frente de onda são muito diferentes, e nenhuma peça individual viaja daqui para lá.

Há várias idéias relevantes

• Quão rápido os elétrons se movem?
• Quão rápido os elétrons flutuam quando uma corrente está fluindo?
• quão rápido um sinal se propaga ao longo de um fio de cobre

Você pode relacionar isso com a antiga analogia da água nos canos

• As moléculas de H2O estão sempre tremendo no estado líquido (ou em qualquer estado acima de 0 Kelvin?)
• As moléculas de H2O em um tubo de mangueira também passam lentamente da torneira para o bico
• Quando você abre a torneira, a onda de pressão viaja muito mais rápido que a velocidade da deriva.

As respostas reais para elétrons são

• Não sei, muito rápido. 2 x 10 ^ 6 m / s? ( ref †)
• Um valor típico pode ser de 1 metro por hora.
• Uma fração da velocidade da luz. ( ref ‡)

_{† Para um elétron em uma órbita específica, provavelmente muito diferente para elétrons "livres" em cobre :-).
‡ Para um sinal em salmoura, provavelmente muito diferente para o cobre :-)}

Outro aspecto disso:

Antes que alguém possa responder à pergunta do OP, primeiro precisamos definir a palavra "Eletricidade". Quando os elétrons fluem, isso é um "fluxo de eletricidade?" Não e sim! Diferentes livros didáticos se contradizem. Não existe uma resposta simples sobre a qual os especialistas possam concordar.

A física diz que a quantidade de eletricidade é definida como coulombs; como carga. (Veja o Manual do CRC, por exemplo. Ou os padrões NIST ou MKS SI para unidades de física.) Sob essa definição de "eletricidade", diríamos que o elétron carrega uma pequena quantidade de eletricidade enquanto se move. Nos metais, a eletricidade que flui, a corrente elétrica, é um elétron que flutua lentamente.

Por que isso é um problema? Simples: a maioria dos livros não-físicos discorda completamente. Em vez disso, afirmam que "eletricidade" significa "fluxo de elétrons" ou corrente. Para eles, "eletricidade" não são os coulombs, mas a taxa de fluxo; os amperes. Para eles, sempre que o fluxo pára, a "eletricidade" desaparece.

Mas para os físicos, quando o fluxo para, a eletricidade fica imóvel nos fios, uma vez que a densidade das transportadoras não muda quando os amperes mudam. Para os físicos, todos os fios já estão cheios de eletricidade; sempre contendo um "mar de elétrons"; as operadoras móveis de todos os metais. Mas para os livros didáticos não-físicos, os fios são como canos vazios, onde a "eletricidade" se aproxima da velocidade da luz.

O que é então eletricidade? Os padrões de física (MKS, a convenção de padrões do SI) definem claramente a eletricidade. Mas nossos livros escolares ignoram isso ou fingem silenciosamente que os padrões de física podem ser alterados conforme desejado. Em vez disso, todos os livros escolares concordam em definir "eletricidade" de uma maneira muito diferente: não como quantidade de cobranças, mas como o movimento contínuo das cobranças.

O que é então eletricidade? (Ou, mais facultativamente, a eletricidade é ... o fluxo da eletricidade? E sempre que a eletricidade começa a fluir, chamamos esse fluxo pelo nome "... eletricidade?")

:)

Essa loucura até infecta a linguagem da engenharia. Os físicos dizem que os elétrons são os portadores de carga nos metais. Os engenheiros os chamam de transportadores atuais? Sim. Verifique qualquer texto de engenharia da universidade. Os físicos conhecem a conservação da carga. É uma lei básica. Mas nós, engenheiros, aprendemos sobre ... A Conservação da Corrente ?! Somos ensinados que a corrente é o "material" que flui através dos fios. Os livros didáticos de EE estão repletos da frase "fluxo de corrente" e raramente, se é que alguma vez mencionam, a versão correta, "fluxo de carga".

A solução tradicional para esses problemas é bem conhecida: desenvolva padrões e defina termos técnicos estritamente. Em seguida, siga cuidadosamente esses padrões de idioma. Não use definições populares; em vez disso, use exclusivamente terminologia científica restrita. Isso corta toda a neblina, o vento e a confusão. No entanto, nesse caso, haveria uma batalha difícil, pois o uso de padrões de física significaria que milhares de livros didáticos de ciências / eletrônica / engenheiro não-físicos e gerações de especialistas estão errados de maneira fundamental. Por causa de seu uso indevido constante da terminologia científica básica, muitas gerações de estudantes agora não têm idéia do que realmente é "eletricidade" e, portanto, devem constantemente perguntar se ela flui lentamente junto com o Drift Velocity (o fluxo de carga,

Mais corte BS: as correntes não fluem, mas se propagam. Quando pressionamos uma ponta de uma haste, o movimento não flui. Em vez disso, ele se propaga como uma onda. O mesmo ocorre com correntes em circuitos: fluxo de cargas sim, mas propagação de ondas por correntes. A propagação de correntes à velocidade da luz é a mesma que uma onda EM.

E, finalmente, faça a si mesmo esta pergunta criticamente importante: em rios e córregos, a "corrente" está fluindo? Ou o material é realmente chamado de "água"?