¿Fluyen realmente los electrones cuando se aplica un voltaje?

Pensar en la corriente en términos de electrones moviéndose es el comienzo de un camino hacia un modelo mental pobre de cómo funciona la electricidad. Aquí hay algunas cosas que están mal:

• Los electrones son sólo uno de los muchos portadores de carga. Cualquier ion es también un portador de carga.

• Los protones que equilibran los electrones son igualmente importantes. Si solo tuvieras electrones, entonces todos los electrones del universo se repelerían entre sí y saldrían disparados hacia el universo.

• Los electrones tienen carga negativa, y te confundirás sin ninguna razón pensando en cómo fluyen de negativo a positivo. En realidad no importa en absoluto.

• Los electrones en realidad están pululando en todas direcciones al azar todo el tiempo, y su movimiento debido a la corriente es minúsculo, en comparación.

Lo importante es esto: los portadores de carga (los electrones son uno de ellos) se pueden usar para transmitir una fuerza electromotriz (generalmente llamada simplemente voltaje). Este es un concepto bastante común, de verdad. Puede empujar un extremo de una varilla y transmitir una fuerza mecánica al otro extremo de la varilla. ¿Se mueve la varilla, cuando haces esto? Bueno, tal vez, pero aquí están sucediendo dos cosas:

1. la fuerza se transmite a través de la barra, como ondas que se propagan a la velocidad del sonido en ese material
2. si y solo si también transmitimos potencia, la varilla se mueve, en la mayoría de los casos a una velocidad mucho más lenta

La diferencia es obvia para una barra, pero como no podemos ver la carga eléctrica, la diferencia no es obvia.

Entonces, su pregunta era: ¿los electrones realmente fluyen cuando se aplica un voltaje? Estrictamente hablando, la respuesta es quizás , y depende de lo que entiendas por flujo . Es similar a la pregunta, ¿se mueve una cuerda cuando tiras de ella? Bueno, si está unido a un globo, podría moverse mucho. Si está unido a una pared de ladrillos, es posible que no se mueva en absoluto.

El movimiento de los portadores de carga (como los electrones) es corriente . Si tenemos una corriente, entonces hay un movimiento neto de portadores de carga. Realmente están pululando por todas partes, tanto como las moléculas de agua individuales están pululando en una tubería, incluso si no hay un flujo neto. La corriente describe el movimiento medio. En el caso de la corriente continua, el movimiento promedio es circular.

Cómo interactúan los portadores de carga individuales para lograr esto es complicado, y es realmente una cuestión de física, no de electrónica. Sin embargo, le sugiero que consulte este tutorial del MIT sobre campos .

Los electrones se mueven físicamente cuando se aplica un voltaje, extremadamente lento .

Un circuito energizado a 100 V CC, que alimenta una carga de 1 A (como una bombilla) a través de un cable de cobre de 2 mm de diámetro, verá electrones moviéndose a una velocidad de:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

donde

• Q es el número de electrones por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente$8.5 \times 10^{22}$)
• R es el radio del alambre
• e es la carga por electrón (aproximadamente$1.6 \times 10^{-19}$culombios)

Esto da como resultado 8,4 cm/hora . No es exactamente rápido.

Lo que es clave es el hecho de que es la energía la que corre a través del circuito casi instantáneamente, no los electrones en sí mismos. (Los electrones hacen una 'carretera' conveniente para permitir que la energía fluya rápidamente).

Es desafortunado que la deriva lenta de electrones bajo un voltaje terminara con el mismo nombre que el flujo de energía que realmente funciona en un circuito.

No confundas la abstracción conveniente con la realidad física.

• Los "circuitos" son un concepto abstracto diseñado para ayudarnos a razonar mejor sobre el mundo.
• Los electrones son una entidad física.

Una nota sobre caminos "cerrados"

Los circuitos de camino cerrado no implican que los electrones regresen a la fuente. Además, los electrones que salen de la fuente rara vez son los mismos electrones que regresan al otro polo de la fuente (ver la respuesta de @ madmanguruman para la explicación de la velocidad).

analogías mecánicas

Es como fichas de dominó que caen. La onda de energía se propaga a través de las fichas de dominó que caen, pero las fichas de dominó no se traducen mucho.

Recuerde que la energía es la carga del electrón por la fuerza que se le aplica (voltaje). Son (abrumadoramente) las fuerzas las que se mueven a través de la red metálica, no las cargas (electrones).

Al igual que en esta imagen:

Las fuerzas se transfieren a través de las bolas, pero las bolas permanecen mayormente en su lugar. A diferencia de las bolas mecánicas, que están equilibradas por la gravedad, con electrones en cables metálicos de celdas galvánicas (baterías), hay una deriva general lenta de los electrones (como automóviles atrapados en el tráfico) hacia el otro extremo.

Otras lecturas

Puede considerar esta respuesta que di a una pregunta de física relacionada similar.

Estamos hablando de metales aquí. Por lo general, un objeto de metal no consta de moléculas. Se compone de átomos de metal, todos agrupados. Esto se muestra en la siguiente imagen:

Los círculos rojos son electrones. Como puede ver, realmente no puede decir a qué átomo 'pertenece' un electrón. Estos electrones forman las conexiones entre los átomos, por lo que pertenecen a dos átomos.

Ahora, cuando una corriente comienza a fluir, estos electrones se mueven. Cuando fluye una corriente, se transfiere energía. Como los átomos no pueden moverse fácilmente, los electrones tienen que moverse.

También puede ver esto en la unidad Amperio de corriente: 1 amperio equivale a 1 Coulomb por segundo. El Coulomb (C) es la unidad de carga (Q). 1 amperio significa que 1 culombio de carga pasa por cierto punto en 1 segundo. Esta carga es producida por los electrones que realmente fluyen del objeto uno al objeto dos.

Cuando hablamos de corriente continua (aplicación normal alimentada por batería, por ejemplo), estos electrones no volverán a su fuente. Considere este circuito:

Al principio, hay una diferencia de carga entre el polo negativo y el positivo: el polo negativo tiene un exceso de electrones. Esto crea una fuerza (voltaje), y dado que hay un vínculo entre los dos polos (el cable y la bombilla), los electrones comienzan a fluir. Los electrones se mueven desde el polo negativo a través de la bombilla hasta el polo positivo, hasta que ya no hay diferencia en la carga (o es tan pequeña que no hará que fluya una corriente).

Ahora puedes ver que estos electrones no regresaron a su fuente: comenzaron en el polo negativo y terminaron en el polo positivo.

Llamamos a esto un camino cerrado porque hay un círculo: la corriente comienza en la batería y termina en la batería. Hay confusión porque la batería en realidad existe de dos objetos: el polo positivo y el polo negativo.

Mire este circuito (que es básicamente el mismo, pero con un condensador en lugar de una batería y una resistencia en lugar de una bombilla):

La corriente fluye desde el lado derecho del capacitor (carga negativa, exceso de electrones) a través de la resistencia hacia el lado izquierdo del capacitor (carga positiva, escasez de electrones). Aquí, las placas del condensador están separadas, por lo que puede ver fácilmente que en realidad no es un camino cerrado.

Simplemente lo llamamos un camino cerrado, porque la corriente comienza y termina en el capacitor.

Dado que los electrones en realidad no tienen que regresar a su base, ahora puedes entender que los electrones también pueden fluir hacia la tierra. Esto es también lo que sucede con los rayos. Los electrones fluyen de las nubes a la tierra (o al revés, no lo sé), solo para neutralizar la diferencia de carga.