Qual é a velocidade do elétron em um condutor de transporte atual?

By Gilvan Alvesúltima atualização 19 ago, 2022 0

Algumas pessoas, ao que parece, em meio a uma mistura de conceitos quase idênticos, foram levados a acreditar que os elétrons em um condutor percorrem a mesma velocidade que a luz. Você realmente acha que se alguém fosse simultaneamente disparar um feixe de laser da Terra para um detector em Marte e passar eletricidade através de um fio de vários milhões de metros conectando uma bateria na Terra e uma lâmpada em Marte, então o detector e a lâmpada acender ao mesmo tempo?

Índice

A luz irradiada pelo sol e os elétrons em um condutor viajam na mesma velocidade? (Crédito da Imagem: Pixabay.com)

Por que os elétrons não podem viajar na velocidade da luz

Existem apenas três maneiras em que essa corrida entre um elétron e um fóton pode terminar: ou o elétron vence, o fóton vence, ou – a possibilidade mais chata – a corrida termina empatada. Obviamente, a primeira possibilidade deve ser negligenciada; é uma impossibilidade física, nada pode viajar mais rápido que a luz. O fóton, portanto, ganha? Se sim, porque a corrida não termina empatada?

O elétron não pode vencer a corrida no vácuo, muito menos dentro de um condutor. O elétron não pode viajar na mesma velocidade que a luz pela simples razão de que tem massa. A luz é a coisa mais rápida do Universo porque é sem massa; não traz bagagem e não exibe absolutamente nenhuma inércia que atrapalhe seu movimento.

A luz é a coisa mais rápida do Universo porque é sem massa. (Crédito da foto: Pexels)

A massa de um elétron pode ser ridiculamente pequena em magnitude, mas é o suficiente para impedir que a partícula viaje a 300 milhões de m / s. De fato, negligenciando o fóton, pois ele não tem massa, o elétron não é a partícula mais leve que já descobrimos; esse título pertence ao neutrino. Um elétron é quase 5.000.000 vezes mais massivo que um neutrino.

Asvelocidadesda eletricidade

Velocidade Electrónica Individual

Um metal como o cobre conduz porque está repleto de elétrons livres. São apenas os elétrons que residem na valência de seus átomos ou na camada mais externa que, devido a sua proximidade do núcleo, tendem a ser os menos atraídos e, portanto, podem escapar ou se libertar de seu impulso. Quando ligamos o metal a uma bateria, o campo elétrico gerado exerce uma força sobre os elétrons livres, afastando-os do terminal negativo e em direção ao terminal positivo. É esse fluxo de cargas que constitui a eletricidade.

No entanto, o substantivo “fluxo” é altamente enganador: a eletricidade não é caracterizada por um fluxo constante e contínuo de elétrons que gravitam em direção ao terminal positivo. A definição precisa apenas cita “movimento”; o movimento completamente aleatório e aleatório de elétrons ou cargas. As cargas literalmente enlouquecem dentro do condutor, tropeçando incessantemente e colidindo não apenas um no outro, mas também no resto dos átomos do metal a caminho do terminal. Essa definição também explica perfeitamente a existência de resistência: as colisões geram calor e impedem seu movimento, diminuindo assim o valor da corrente.

A velocidade de um elétronindividualé assim sua velocidade entre as colisões. Quanto tempo um elétron leva para viajar talvez um nanômetro? A velocidade individual é medida na escala de milhões de metros por segundo. No entanto, como seu movimento é aleatório, todo elétron avança a uma velocidade diferente.

Média ou velocidade de deriva

A incerteza é perturbadora porque torna os cálculos incômodos. Para se livrar dessa variabilidade, devemos ter uma média de cada velocidade antes e depois das colisões. A velocidade média é conhecida como velocidade de deriva e é considerada a velocidade com a qual a eletricidade se move.

Alguns elétrons viajam extremamente rápido, enquanto outros não. É óbvio que a média será muito inferior a um milhão de metros por segundo. No entanto, o que é surpreendente é que calcular a média das velocidades catapulta o ponto decimal na esquerda para uma distância que ninguém imaginaria. A velocidade de desvio dos elétrons através de um fio de cobre de seção transversal de 3,00 x 10-6m2, carregando uma corrente de 10A, é de aproximadamente 2,5 x 10-4m / s, ou um quarto de milímetro por segundo!

A velocidade de desvio aumenta com o aumento da tensão CC, mas permanece constante com uma diminuição ou aumento na tensão CA… constantemente insignificante. A velocidade de desvio da corrente alternada é de cem a mil vezes menor que a velocidade de desvio da corrente contínua. Embora fosse de 250 micrômetros por segundo para o fio de cobre acima mencionado carregando uma corrente contínua, seria 0,25 micrômetros por segundo para o mesmo fio carregando uma corrente alternada.

Nem mesmo o ponto de contato ou o interruptor através do qual os elétrons escapam são maiores que 0,25 micrômetros. Lembre-se de que os elétrons que constituem uma corrente alternada, diferentemente daqueles que constituem uma corrente contínua, não se movem linearmente para frente, mas alternam entre os terminais; se eles alternam a 0,25 micrômetro por segundo, paradoxalmente, eles não entram no circuito?

Velocidade do sinal

Por último, algumas pessoas acreditam que a eletricidade viaja à velocidade da luz porque confunde a velocidade de elétrons individuais com a velocidade das ondas eletromagnéticas que os elétrons irradiam. No entanto, enquanto um elétron, como uma partícula indivisível, portadora de massa, não pode viajar na velocidade da luz, seus efeitos podem … bem, quase.

(Crédito da foto: Pixabay)

É verdade que ondas eletromagnéticas se propagam à velocidade da luz; na verdade, a própria luz é uma onda eletromagnética. No entanto, a velocidade de uma onda eletromagnética varia com as propriedades do meio em que ela viaja. As ondas que os elétrons irradiam viajam a 300 milhões de metros por segundo no vácuo, mas viajariam na mesma velocidade em um condutor apenas se sua estrutura ou geometria permitirem.

As ondas, ou o que é chamado de sinal, podem viajar entre 50% -90% da velocidade da luz, dependendo se os elétrons estão se movendo em um condutor “ruim” ou “bom”. Se os elétrons deriva literalmente para completar um circuito, como a lâmpada em seu quarto, portanto, brilha quase instantaneamente? Bem, porque o efeito das ondas eletromagnéticas ou o sinal se propagam, não à velocidade da luz, mas a uma velocidade grande o suficiente para percebê-lo como efetivamente instantâneo. Por essa razão, a corrida também não pode terminar empatada; o fóton sempre sairá vitorioso.

Pense nisso assim: imagine uma fila de pessoas descaradamente impacientes que ansiosamente se remexem em seus lugares. De repente, a última pessoa na fila decide empurrar a pessoa na frente, que consequentemente empurra a da frente dela e assim por diante. O impulso ou o sinal “viaja” instantaneamente, mas a pessoa ou o próprio elétron não. Se as pessoas tivessem feito fila para entrar em uma porta, o empurrão propagado obviamente alcançaria a porta primeiro. O primeiro traficante, no entanto, ainda estaria muito mais atrasado. As pessoas continuariam inquietas, como os elétrons individuais se movem a velocidades tremendas. A fila, no entanto, avança em ritmo lento.