¿En qué dirección fluyen las señales eléctricas?

Si las señales eléctricas son la propagación de ondas EM cercanas a c, ¿en qué dirección viajan estas ondas? ¿En la dirección convencional? ¿En la dirección del flujo de electrones? ¿En ambas direcciones?

"Ambas" direcciones, así como un componente omnidireccional.

El mejor ejemplo podría ser un cable Ethernet. Un bit se representa como un pulso. Para transmitir este pulso, el chip controlador pone una salida baja y otra alta brevemente. Si los dejara así, entonces se formaría un circuito convencional con corriente fluyendo en un bucle entre ellos a través de la resistencia de terminación en el otro extremo. Sin embargo, no lo hace, rápidamente (digamos un nanosegundo) mueve los controladores de nuevo a voltajes iguales.

Esto lanza un flanco ascendente en el cable de transmisión positivo y un flanco descendente en el cable de transmisión negativo. Si tiene un osciloscopio lo suficientemente rápido conectado al cable, estos aparecerán como voltajes, pero en realidad son un pequeño pulso EM que viaja por el cable.

Cada pulso también irradia una onda EM fuera del conductor. Debido a que los cables están retorcidos a una distancia constante, la onda "positiva" emitida cancela casi por completo la onda "negativa" emitida. Si no se hiciera esto, no podría usar su radio en la misma habitación debido a la interferencia EM.

El cable se puede modelar como una cadena de diminutos inductores a lo largo del cable, con una escalera de diminutos condensadores entre los dos conductores. Cada inductor almacena la energía del cambio de corriente entrante en un campo magnético, antes de volver a emitirla a lo largo del cable.

El tema general se denomina "línea de transmisión". La velocidad efectiva está por debajo de la velocidad de la luz, pero no mucho (ver "factor de velocidad").

recorrido de agujeros que se acerca a la velocidad de la luz

Es un poco más complicado que eso. (¡No me he molestado en entenderlo completamente!) Sin embargo, creo que esta es la razón por la cual los transistores NPN (movilidad de agujeros en la región P) son preferidos a los transistores PNP (movilidad de electrones en la región N).

Uno de estos días voy a escribir un artículo canónico sobre por qué los electrones son una distracción para aprender sobre electricidad. La electricidad es bastante sencilla y sigue algunas leyes matemáticas que se pueden analizar con cálculo básico. Los electrones no son pequeñas pelotas de ping pong en un tubo, son extraños objetos cuánticos que son capaces de aparecer, desaparecer, atravesar objetos sólidos y son mucho más difíciles de modelar correctamente.

las señales viajan en todas direcciones como las olas en un estanque, son una perturbación en la corriente, no necesariamente una corriente en sí mismas.

La señal en un cable es transportada por una onda de radio que se propaga en el espacio alrededor de los cables. Los cables paralelos o de par trenzado tienen esta capacidad. El cable coaxial también lo tiene, pero la onda se limita a la capa de aislamiento entre el cable central y el blindaje.

La onda ocurre como campos eléctricos y magnéticos, no está dentro del metal. Los electrones en los metales solo hacen posible que la onda se propague a lo largo del cable. Los campos de la onda inducen algo de corriente en la superficie del metal y también podemos exprimir la fuerza del campo eléctrico a un solo número, el voltaje que, por supuesto, depende del lugar y el tiempo si hay ondas. A bajas frecuencias prácticamente podemos olvidarnos de las ondas y hacer todos los cálculos con tensiones y corrientes. Una línea de energía eléctrica de 60 Hz debe tener más de 100 millas de largo antes de que omitir la existencia de una onda comience a causar un error sustancial.

Una práctica común es decir que los cables de más del 10% de la longitud de onda deben considerarse como líneas de transmisión que transportan ondas. Si no se diseñaran como líneas de transmisión adecuadas, el resultado sería impredecible. He encontrado en mis experimentos que el 1% o menos de la longitud de onda más corta es un límite más seguro para cableados de forma libre.

La onda parte de cualquier cambio de campo eléctrico o magnético. Uno puede por ej. cambie los extremos del cable a una fuente de voltaje (los circuitos integrados del transmisor de línea lo hacen) o cambie la polaridad. La onda se propaga a lo largo del cable más allá del punto donde se inició el cambio. Los electrones se mueven localmente como la fuerza de los campos. Al mismo tiempo, la corriente bien puede estar en diferentes direcciones en diferentes lugares de un cable. Eso no sucede con DC continuo e invariable.

AGREGAR debido a la batería insertada + interruptor + cable de 1 km + Led + resistencia + ejemplo de cable de 2 km.

La geometría de los cables y cómo se colocan sobre el suelo afectan radicalmente cómo llega la señal al LED. Si invirtió la batería y el LED y volvió a intentarlo, no existiría ninguna diferencia, la polaridad no afecta la onda. Esta no es una línea de transmisión si los cables no son paralelos. No es posible calcular ni simular el caso sin conocer la geometría exacta. Si los cables están enrollados en bobinas, son inductores, lo que seguramente tiene algún efecto en el circuito. En un caso afortunado de otra geometría, emites una onda de radio medible al espacio porque puedes tener una antena que funcione.

Esta respuesta sobre cómo se establece el campo eléctrico en un circuito de CC podría ayudarlo a visualizar lo que sucede en los momentos iniciales en su circuito imaginado.
Cuando cierre el interruptor, la carga superficial que se había acumulado en la terminal del interruptor comenzará a recombinarse y redistribuirse para establecer un campo eléctrico uniforme.$E = j/\sigma$dirigido a lo largo de la trayectoria del conductor.
Así, la forma del circuito y la posición del interruptor y la carga cambia la forma en que se produce esta redistribución, independientemente de que una vez alcanzado el estado estacionario el resultado sea el mismo.
Un circuito circular ancho se comportará de manera diferente a un circuito en el que los dos cables se colocan cerca uno del otro, y de manera diferente a un circuito en el que los dos cables se retuercen o incluso se colocan dentro del otro (cable coaxial).

Si quieres saber qué sucede, debes resolver las ecuaciones de Maxwell con las condiciones de contorno correctas que dependen de la geometría del circuito y la posición de los elementos.

También se puede intentar modelar el circuito como una línea de transmisión aproximándolo a una cadena de elementos distribuidos, cuya capacidad e inductancia depende de la geometría de las conexiones y de la permeabilidad del espacio entre ellas. La capacidad por unidad de longitud representa la forma en que la carga en un lado de los cables afecta la carga en el lado opuesto, mientras que la inductancia por unidad de longitud representa la interacción entre el flujo magnético asociado con las corrientes hacia adelante y hacia atrás (hablando en términos muy generales; puede traducir esto cuánto resiste la línea los cambios de voltaje y corriente).
Tenga en cuenta que este tipo de modelado requiere que divida su circuito en piezas donde la conexión entre los puntos finales sea uniforme (espaciado uniforme de la línea de banda, torsión uniforme del cable, relación de radios uniforme en la línea coaxial).

Según las leyes de Maxwell, existen 2 tipos de señales eléctricas:

1 - Señales de corriente de conducción

La energía de la señal es proporcional a la energía cinética general de todos los electrones que se mueven en un material huésped como el cobre o el silicio.

2 - Señales de corriente de desplazamiento

La energía de la señal es proporcional a la energía eléctrica y magnética general (vector de Poyinting) de la onda de radio que transporta la señal.

Ejemplo 1 En la vía del cobre, que transporta una corriente lenta variable en el tiempo, tenemos principalmente señales de corriente de conducción.

Ejemplo 2 En la vía del cobre, que transporta una corriente rápida variable en el tiempo, tenemos tanto señales de corriente de conducción como señales de corriente de desplazamiento. En este caso, los campos eléctricos y magnéticos viajan en la pista, en el PCB y en el aire circundante.

Ejemplo 3 En el aire, solo podemos tener campos eléctricos y magnéticos viajando a "la velocidad de la luz en el aire" que es casi igual a "la velocidad de la luz en el vacío" llamada c.

Solo pensé en decir que la velocidad promedio de los electrones que fluyen a través de un cable de cobre debido al campo eléctrico es solo de aproximadamente 1 milla por hora, pero efectivamente se empujan entre sí.

Las señales no se propagan a la velocidad de la luz en el vacío (es decir, c = 300 000 000 m/s), por supuesto. Si está pensando en fibras ópticas, las partículas de luz (fotones) viajan a aproximadamente 2/3 de esa velocidad (debido al índice de refracción del vidrio), pero en realidad es un poco más complicado que eso, ya que también hay interacciones entre los fotones en cada pulso de luz. Efectos similares con electrones viajando a lo largo de líneas de transmisión.

Tu preguntaste:

¿En qué dirección fluyen las señales eléctricas?

A lo que responderé con otra pregunta: ¿qué es una "señal eléctrica"?

¿Es un electrón individual? ¿El movimiento neto de los electrones? ¿Quizás no electrones sino alguna otra partícula cargada?

¿O es una onda en el campo electromagnético?

O, a veces, "señal" significa "la diferencia de potencial eléctrico (voltaje) entre estos dos puntos". Si se pregunta qué tan brillante es un LED, probablemente se refiera a la señal en este sentido. Pero una señal de este tipo no puede "fluir", ya que está por definición entre dos puntos.

Antes de que pueda tener una respuesta rigurosa, debe hacer una pregunta rigurosa. La "señal eléctrica" ​​no es algo con ningún significado a menos que le des uno.

Puede encontrar ¿Cómo sabe la corriente cuánto fluir, antes de haber visto la resistencia? ser perspicaz.

Según tengo entendido, las señales a lo largo de una línea de transmisión no se propagan a la velocidad de la luz, sino a un porcentaje de 'c', según las propiedades de la línea. En el pasado, cuando se usaba un reflectómetro en el dominio del tiempo, tenía que tener en cuenta la 'Velocidad de propagación' (VOP) si quería una lectura precisa de la distancia para decir un corto o abierto.