¿Cómo se determina la velocidad de la electricidad?

Creo que el problema fundamental es que la "electricidad", como la describe, en realidad no existe. La palabra "electricidad" tiene muchas definiciones separadas y contradictorias, por lo que no puede servir como un término útil en física.

Analogía: si preguntabas por la "velocidad de la óptica", nadie podría responder, ya que la palabra "óptica" podría significar varias cosas completamente separadas. ¿La velocidad de caída de las lentes? :) Para hacer una pregunta significativa, pregunte sobre la velocidad de las lentes, o tal vez la velocidad de la luz, y evite la palabra "óptica".

De manera similar, la palabra "electricidad" carece de una definición científica estricta. No existe una sola "electricidad". La palabra se usa comúnmente para referirse a la propagación de energía electromagnética a lo largo de cables (que se mueven casi a la velocidad de la luz). Pero "velocidad de la electricidad" también se refiere al flujo de cargas durante la corriente eléctrica (que se desplazan a centímetros por minuto y menos). .) La palabra también puede significar cualquier fenómeno eléctrico: los cables son electricidad, las chispas son electricidad, las baterías son electricidad (pero los transistores no son electricidad, sino que son electrónicos. ¡Mira, confuso!)

En otras palabras, las chispas no están hechas de "electricidad", como tampoco las lentes están hechas de "óptica" o los engranajes de las bicicletas están hechos de "física". Para hacer una pregunta sensata, evite la palabra "electricidad", ya que tiene múltiples significados contradictorios.

Velocidad de la energía eléctrica: aproximadamente la velocidad de la luz, pero inferior a c debido al índice de refracción del dieléctrico de los cables.

Velocidad de la corriente eléctrica: "velocidad de deriva" muy lenta de los portadores de carga, pero es proporcional a la corriente, al tamaño del conductor (área de la sección) y a la densidad del portador (por ejemplo, metal versus agua salada versus haces de electrones). -deriva, y con corriente cero los portadores de carga se detienen.

¿Cuál es la velocidad de las chispas que saltan? Las chispas son un ejemplo de plasma eléctrico, también llamado "serpentinas de plasma". La velocidad de una chispa que salta visiblemente es la velocidad de crecimiento de la punta de una serpentina de plasma. Cuando una serpentina de plasma se extiende, el plasma no se mueve. En cambio, el nitrógeno y el oxígeno en el aire antes de la chispa se convierten en plasma, lo que se suma a la punta del líder en crecimiento. El rayo es una conversión progresiva de aire en plasma. En otras palabras, el rayo es en realidad una "figura de lichtenberg" hecha de nitrógeno-oxígeno, en lugar de estar hecha de madera húmeda. Estos fractales de madera se fabrican convirtiendo madera aislante en caminos de carbono conductor, mientras que los rayos convierten el aire aislante en caminos de plasma conductor.

Tal crecimiento puede tener muchas velocidades diferentes, desde la velocidad cero de las coronas que no crecen mostradas por las Escaleras de Jacob y por las diminutas bobinas de Tesla, hasta el crecimiento fácilmente visible de los relámpagos Anvil Crawler, hasta la propagación extremadamente rápida de "líderes escalonados" en un relámpago más grande. descargar.

Vea ejemplos de guías de relámpagos continuos y escalonados, video de 9,000 FPS:

https://www.youtube.com/watch?v=4q6gHWN8fDE

https://www.youtube.com/watch?v=Q6h9jfURJ6Q

O bien, vea los patrones de relámpagos de "rastreo de yunque" que se propagan relativamente lentamente a través de una base de tormenta horizontal:

https://www.youtube.com/watch?v=Y5CzaVctGWg&t=1s

La "velocidad de un rayo" es la velocidad a la que se propaga el campo eléctrico en el aire. Se establece una diferencia de potencial entre las nubes y el suelo, y esta diferencia de potencial aumenta dramáticamente. Se crean caminos de aire ionizado entre las nubes y el suelo. Cuando estos caminos hacen una conexión entre las nubes y el suelo, obtienes una descarga que ves como un rayo. Sin embargo, el gran destello que ves no es movimiento de electrones. Esta conexión permite la transferencia de energía eléctrica, y los efectos de esta transferencia de energía (ionización del aire en la conexión entre el suelo y las nubes en un plasma muy brillante) se mueven a cualquier velocidad de propagación de la luz en el aire ya que los fotones son responsables de la fuerza electromagnética. Este proceso es el mismo en los cables.

La velocidad de deriva de los electrones también se debe a la aplicación de un campo eléctrico. Sin embargo, los electrones no se mueven en un alambre a la velocidad del campo eléctrico en el alambre. Antes de que se aplique un campo, los electrones se mueven aleatoriamente dentro del material. Cuando se aplica un campo, a este movimiento aleatorio se le da una dirección, pero su magnitud suele ser muy pequeña y depende de muchos factores. De Wikipedia, la velocidad de deriva$u$es

$$u=\frac{m\sigma\Delta V}{\rho efl},$$ dónde $m$es la masa molecular del metal, en kg; $\Delta V$es el voltaje aplicado a través del conductor, en V; $\rho$es la densidad (masa por unidad de volumen) del conductor, en $\text{kg}/\text{m}^3$; $e$es la carga elemental, en C; $f$es el número de electrones libres por átomo; $l$es la longitud del conductor, en m; $\sigma$es la conductividad eléctrica del medio a la temperatura considerada, en S/m.

Entonces, para resumir y quizás ser más claro, las únicas "velocidades" que existen en este caso son la propagación electromagnética y la velocidad de deriva. La razón por la que los rayos son tan rápidos es porque estás viendo los efectos del campo eléctrico propagándose a través del aire. Lo que sigue es muy informal pero quizás más digerible. Las unidades para la intensidad del campo eléctrico son V/m, por lo que si considera la enorme diferencia de potencial, o voltaje, entre las nubes y el suelo, puede deducir que la magnitud del campo eléctrico entre ellos también es enorme. Esta intensidad de campo alcanza el punto en el que los electrones pueden desprenderse de los átomos para crear plasmas. y es este desprendimiento de electrones de los átomos lo que ocurre a la velocidad de la luz en el aire (en sucesión entre las nubes y el suelo en la conexión establecida a partir de las trayectorias del aire ionizado en el primer párrafo). Esta ionización emite fotones visibles. Intuitivamente, uno relaciona en la mente el destello del relámpago como resultado del movimiento de los electrones, pero de hecho no se debe al movimiento de los electrones en absoluto.

Editar: aquí digo mucho "velocidad de la luz en el cable / ruta", pero físicamente no hay campo eléctrico dentro de los conductores, por lo que no se produce propagación en el interior. Gracias a @andars por señalar esto.