¿Por qué no hay corriente neta en un cable sin voltaje aplicado?

Estadísticamente, hay tantos electrones moviéndose en una dirección como en la opuesta de 180º, por lo que efectivamente no hay corriente neta. Lo que conocemos como "corriente" es el movimiento de más electrones en una dirección que en todas las demás (1D, 2D o 3D a través de una pieza de metal). Así es como puede tener "toneladas de electrones libres" pero sin corrientes netas que fluyan o sean medibles.

La agitación aleatoria de esos electrones tiene un nombre: ruido térmico. Esta agitación es proporcional a la temperatura, por lo que obtiene más a medida que calienta las cosas. Sin embargo, el movimiento promedio siempre es cero, por lo que nunca puede hacer ningún "trabajo" útil o, de manera equivalente, extraer energía utilizable del proceso.

Esto está de acuerdo con las leyes de la termodinámica.

Respuesta corta: algunos libros de texto están infectados con un concepto erróneo, la idea de que los electrones siempre orbitan alrededor de los átomos metálicos individuales. No. También le dirán que los electrones solo saltan entre átomos cuando se aplica un voltaje a lo largo de los cables. Equivocado.

En los metales, los electrones externos de cada átomo metálico han dejado su átomo original. Esto sucede cuando el metal se forma por primera vez. Si los electrones se mantuvieran adheridos a cada átomo, entonces el metal sería un aislante y, a valores bajos de corriente, los ohmios no serían constantes. En realidad, los electrones externos o de "banda de conducción" están orbitando entre todos los átomos de metal, todo el tiempo. Un alambre de metal se asemeja a una especie de "plasma solidificado". Los metales son raros.

Los físicos llaman a la población de electrones móviles del metal con el nombre de "mar de electrones" u "océano de carga". En química se llama el "enlace metálico".

Desde un punto de vista no cuántico, podemos ver los objetos metálicos como recipientes llenos de un "fluido eléctrico", ¡al estilo de Ben Franklin! Los electrones del metal se mueven a gran velocidad, deambulando por todas partes, como las moléculas de gas dentro de una manguera. Pero este movimiento de electrones es en direcciones aleatorias. Es un almacén de energía térmica, pero no tiene una sola dirección, por lo que no es "viento"; no corriente eléctrica. Por cada electrón que va en una dirección, hay otro que va hacia atrás.

Por lo tanto, una corriente eléctrica de CC real en un metal es una deriva promedio lenta de esta nube de electrones. Los electrones individuales no se mueven lentamente, por supuesto. En cambio, deambulan casi a la velocidad de la luz todo el tiempo. Pero durante una corriente de CC, su trayectoria errante promedio tiene una pequeña deriva de CC superpuesta. La atmósfera de la Tierra hace lo mismo: cada molécula se mueve casi a la velocidad del sonido, incluso en condiciones de quietud absoluta; Sin viento. Consideramos la deambulación como "térmica", como movimiento browniano. Lo mismo con los electrones individuales en un metal.

Una animación correcta de átomos/electrones de metales representaría los electrones saltando en ambas direcciones para corriente cero. O muéstrelos moviéndose de un lado a otro a través de varios átomos, con movimiento aleatorio durante cero amperios. (O muestre el interior del cable como 'nieve de televisión', como un ruido blanco parpadeante). Luego, durante una corriente continua, todo el patrón de electrones se deslizará lentamente como una unidad. Cuanto más altos son los amperios, más rápido es el flujo. El "ruido blanco líquido" se mueve lentamente, como el agua en una tubería, pero las partículas individuales nunca se quedan quietas.

Tenga en cuenta que esta imagen NO APLICA A TODOS LOS CONDUCTORES . Solo se aplica a metales sólidos (la forma más común de conductor utilizada en ingeniería eléctrica), pero no a agua salada, ácidos, corrientes de tierra, tejidos/nervios humanos, metales líquidos, metales en movimiento, plasma, chispas, etc. La electricidad no es t electrones, es por eso que los ingenieros y científicos utilizan la "Corriente Convencional" que se aplica a todo tipo de conductores. El flujo de electrones dentro de los metales es un caso especial de las corrientes eléctricas en general.

PD
¡Tenga en cuenta que los electrones no son invisibles! (De hecho, los electrones son casi las únicas cosas que son visibles). Entonces, cada vez que miramos un cable desnudo, estamos viendo su mar de electrones. Los electrones móviles son reflectores extremos de ondas EM. El aspecto "metálico" de una superficie metálica es nuestra visión de los electrones libres. Entonces, los electrones son como un fluido plateado. Durante las corrientes eléctricas en un metal, es la materia plateada la que fluye. Pero no hay suciedad ni burbujas en este flujo, así que aunque podemos ver el "fluido", no podemos ver su movimiento. (Je, incluso si pudiéramos ver algo moviéndose, la deriva de la carga sería demasiado lenta para notarlo; ¡como el minutero de un reloj!)

Si el alambre es un superconductor, la corriente puede fluir sin voltaje.

Había este ejemplo que me dio uno de mis maestros.

Los electrones sin voltaje son simplemente como personas independientes que disfrutan de una ciudad al azar. Se mueven felizmente libremente pero no son parte de ningún movimiento. Son individuales que no importan.

Ahora, de repente, una parte extranjera establece la regla. Eso hace que los electrones marchen al establecimiento del partido extranjero (No la corriente convencional) en revuelta, rebeldía, etc. Son la parte del movimiento y eso se llama Corriente.

La corriente requiere electrones en la banda de conducción para fluir, y sin voltaje (o presión como una analogía de flujo), no hay energía para excitar los electrones en la banda de conducción. La resistencia siempre está presente debido a las propiedades atómicas, y la caída de voltaje debe ser el voltaje total ya que la resistencia se vuelve esencialmente infinita ya que las capas de valencia en los metales son muy diferentes a las bandas de conducción en que están unidas a la estructura reticular del metal. Requieren excitación y un gradiente para romper su vínculo con la valencia que ella tendrá. Los electrones de valencia pueden interactuar, pero no son uniformemente direccionales y no fluyen libremente como lo harían si se excitaran en la banda de conducción. Esto es, por supuesto, para metales conductores simples.

De su pregunta, está claro que no conoce la distinción entre el movimiento aleatorio de electrones y el movimiento direccional de electrones. El movimiento aleatorio de electrones no es actual. El movimiento direccional de electrones es .
Es el voltaje el que da dirección a los electrones, lo que provoca un flujo de electrones direccional : la "corriente de electrones".

Su afirmación de que "un electrón tiene que moverse de un conductor... al otro, simplemente no es cierta", es incorrecta . El hecho es que por cada electrón que "entra" en el cable, otro electrón debe "salir" por el otro extremo. Si esto no sucede, ¡entonces no tiene flujo de corriente! Esta es exactamente la razón por la que "no sucede nada cuando conecta el LED al cable" sin aplicar voltaje.

Se nos dice que no nos molestemos porque hay más física en él y menos importancia práctica.

En física, el cable no es un cortocircuito absoluto, sino que tiene resistencia, capacitancia e inductancia. Cuando aplica voltaje en un cable, suceden muchas cosas.

Cuando no se aplica voltaje, no hay suficientes electrones saltando de un átomo a otro para encender el LED.

Un físico podría responder eso mejor que un EE. Hay una sección de física en el intercambio de pila.