Encendido de una bombilla. EM inicial/pulso de electrones/propagación de ondas [cerrado]

TLDR
Cuando se enciende un dispositivo eléctrico (por ejemplo, una bombilla o un calentador), hay una onda inicial (pulso) que viaja a una velocidad muy alta (cerca de la velocidad de la luz) y "lleva la información" de que el dispositivo se encendió . ¿Cuál es el tipo de onda : 1) una onda EM que viaja en el espacio libre a lo largo del circuito o 2) una onda de materia ("sonido") de electrones en "gas de electrones" dentro de los conductores? O ambos tipos de ondas (materia y ondas de campo). ¿Cuál es el mecanismo de reflexión de la onda antes de que se establezca la corriente de equilibrio (valor establecido por la ley de Ohm)?

Pregunta completa
Suponga que hay
1) una fuente de alimentación de CC,
2) un interruptor,
3) una resistencia,
4) dos cables de resistencia relativamente baja (en comparación con la resistencia) que conectan la fuente y la resistencia.

Antes de cerrar el interruptor habrá acumulaciones de carga en los extremos del interruptor. Cuando los dos extremos del interruptor estén lo suficientemente cerca, habrá una descarga de arco (encender el circuito) seguida de un contacto físico de los terminales del interruptor (contacto eléctrico). Llamémoslo el Momento 1 Encendido .

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Durante la descarga, habrá un flujo acelerado de electrones que provocará un pulso EM que se propaga principalmente a lo largo de los cables ; probablemente en ambas direcciones (no 100% seguro), es decir, uno a la batería y otro a la resistencia.

A partir de entonces, estos dos pulsos se reflejarán varias veces en la fuente de alimentación y en la resistencia hasta que
1) la energía de los pulsos se convierta en energía térmica de la resistencia y los cables y
2) se establezca el equilibrio (Momento 2 Equilibrio) .

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En cuanto al equilibrio, el campo EM estacionario y el flujo de energía son claros (ver la imagen de arriba) ( {1} , {2} , {3} ). Hay campos eléctricos y magnéticos estáticos con el vector de Poynting S → = mi → × B → Líneas que van desde la fuente de alimentación hasta el resistor y que muestran la dirección de la transferencia de energía desde la fuente hasta el resistor (consumidor de energía).

Las cuatro preguntas son sobre la física de la transición del Momento 1 Encendido al Momento 2 Equilibrio :

1) ¿Cuántas veces se refleja el pulso inicial de un lado a otro antes de alcanzar el equilibrio ?
Obviamente, la respuesta depende de cómo se solucione el equilibrio del momento 2: digamos, la corriente dentro del cable es el 90% del valor de equilibrio ( 90 % ⋅ V R ).

2) ¿Qué procesos físicos se encuentran detrás de este “reflejo” (describa el mecanismo del “reflejo”)?

3) ¿Dentro de qué medio (espacio libre o cables) se propaga el pulso? Su trayectoria.

Estoy casi seguro (pero no al 100%) de que la propagación del pulso ocurre en el espacio libre que rodea los elementos del circuito , no dentro de los cables, la resistencia o la fuente de alimentación. Por favor, confirme o desmienta.

4) ¿Qué sucede dentro del circuito después de encenderlo ?
A saber: ¿Hay ondas "electrónicas" (materia) o EM (campo) dentro del conductor que transportan la energía o "información" de que el circuito se encendió?
La pregunta es sobre los procesos transitorios entre los momentos 1 y 2.
En caso afirmativo, ¿cuál es la velocidad de propagación de estas ondas? ¿Es una onda dentro de un “gas de electrones” similar a una onda de sonido? En caso afirmativo, ¿cuáles son los procesos físicos detrás de la transferencia de energía dentro de dicho "gas" de electrones?
O si se trata de una propagación de ondas EM dentro del conductor, ¿cuál es la velocidad de propagación? ¿Debería tal onda ser absorbida inmediatamente por los conductores (dada la abundancia de electrones libres en el interior)?

Tenga en cuenta que la velocidad de fase de la luz dentro del cobre es del orden de varios cientos de metros por segundo.

PD: Dado que hay muchas preguntas, las respuestas parciales son bienvenidas .
PPS: Este es un circuito no bien diseñado. Así que se producen reflexiones.

Hay una pregunta similar , sin embargo, se trata del estado de equilibrio, no del transitorio.
Esas son muchas preguntas... pero lo que sucede en detalle solo puede responderse con una simulación completa de Maxwell, ya que depende completamente de la geometría. En general, un circuito electrónico bien diseñado en el que esto importa no contendrá una geometría tan abierta sino que utilizará estructuras de línea de transmisión con impedancias bien definidas, en cuyo caso no hay reflexiones, en absoluto.
@CuriousOne 10x. Actualicé la pregunta.
Para abordar su primera pregunta, tenga en cuenta que una onda de materia de electrones induciría necesariamente ondas E&M, por lo que no son tan distintas. Entonces estoy tentado a decir que en realidad ambos ocurren y están directamente relacionados entre sí. Sin embargo, si hace un circuito QED, la gente suele hablar de estas cosas como fotones u ondas E&M.
@aquirdturtle 10x por el excelente comentario. Tengo una sensación similar, que la materia y las ondas EM están unidas. Al menos por las ecuaciones de Maxwell. Sin corrientes, sin cargas, luego sin campo EM (excepto ondas planas). Lo que no puedo entender es por qué la onda de la materia ("electrones") viaja con la velocidad de la luz (no la velocidad del "sonido de los electrones").

Respuestas (1)

Las ondas EM viajan a lo largo y en el cable (no completamente en el espacio libre) en el circuito. Cuando la onda EM viaja, también hace que los electrones en el cable se muevan. Entonces, ambos se mueven simultáneamente.

La onda de materia no viaja en c .

No hay una sola onda de materia en el alambre. Hay trillones de electrones, cada uno moviéndose con casi 10 5 metro / s . Siempre se están moviendo.

Si considera la velocidad de deriva, es   10 − 4 metro / s .

La energía en el circuito es transportada por ondas EM, que se comparte con los electrones a la deriva.

Entonces, no hablas de ondas de materia en el circuito.

Gracias por la respuesta. Varios comentarios: 1) Tome un cable de cobre de 1 mm x 1 mm, envíe 1 A de corriente, coloque una resistencia de 1 Ohm. La potencia disipada será de 1 Wt. La energía cinética de los electrones que atraviesan la sección transversal del alambre por unidad de tiempo será del orden de 10^-20 Wt . Por lo tanto, la energía casi no es transportada por (compartida con) electrones. Continuación
2) Tome un conductor casi ideal, es decir, uno con muy, muy baja resistencia, el campo eléctrico dentro del conductor será casi cero (porque casi no hay caída de potencial dentro de él). Por lo tanto, el vector de Poynting también tiene una amplitud casi cero en el interior. Por lo tanto, la transferencia de energía ocurre fuera del conductor, no dentro de él (casi no dentro). 3) La velocidad de Fermi de los electrones en el cobre es del orden de 10 ^ 6, es decir, aproximadamente 0,01 c (mencionaste 0,1 c). Por favor, modifique si está de acuerdo. Continuación
En cuanto a la onda de materia, la hipótesis es que, después de encenderse, la energía puede transferir gas de electrones dentro de un conductor de manera similar a una onda de sonido que viaja en un sólido. Necesita ser probado o refutado.
Para 3) acordado y modificado.
Las ondas de materia son ondas de DeBroglie. Creo que por ondas de materia, te referías a ondas de sonido longitudinales. ¡¡Bueno!! Aquí se ve que no hubo impacto físico que desviara electrones de un lado a otro. En cambio, era un campo eléctrico en todo el cable que desviaba electrones. Es como si martillaras alambre de cada sección transversal. Tan pronto como se aplicó EMF, el campo eléctrico alcanzó el otro extremo a 0.3c. si el cable tiene una longitud limitada, como 1000 m, puede decir que los electrones de ambos extremos se juntaron simultáneamente. No era nada como una onda de sonido que comenzaría desde un extremo y se movería al otro extremo a 400 m/s.
Para 2) un viaje de CC a granel y CA en la superficie. Aquí estamos hablando de electricidad y no de electrostática.
1) El número de electrones se tiene en cuenta en el enlace. es 1A/carga elemental=6.25E18 electrones pasando por un segundo. Entonces, la cifra 1.5E-20 W es correcta, mientras que 10 ^ 2 W que mencionaste es incorrecta.
@SergeiGorbikov: Lo siento, no había leído tu enlace anteriormente. lo que midió en el enlace fue solo la energía cinética de los electrones, pero también tienen energía potencial, dentro del potencial del cable. Entonces, toda la energía está dentro de los electrones como KE + PE.
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