Velocidade da corrente elétrica
Vamos fazer este experimento mental. Imagine que há uma aldeia a uma distância de 100 quilômetros da cidade e que uma linha de sinal de cerca de 100 quilômetros com uma lâmpada no final é colocada da cidade para essa aldeia. Uma linha blindada de dois núcleos, é colocada em suportes ao longo da estrada. E se agora enviarmos um sinal por esta linha de cidade a aldeia, quanto tempo levará para que ele seja recebido lá?
Cálculos e experiência nos dizem que um sinal em forma de lâmpada aparecerá na outra ponta em pelo menos 100/300000 segundos, ou seja, em pelo menos 333,3 μs (sem levar em conta a indutância do fio) no aldeia uma luz acenderá, o que significa que uma corrente será estabelecida no fio (por exemplo, usamos uma corrente contínua de capacitor carregado).
100 é o comprimento de cada veia em nosso fio em quilômetros e 300.000 quilômetros por segundo é a velocidade da luz - a velocidade de propagação onda eletromagnética no vácuo. Sim, o "movimento dos elétrons" se propagará ao longo do fio na velocidade da luz.
Mas o fato de os elétrons começarem a se mover um após o outro na velocidade da luz não significa de forma alguma que os próprios elétrons estejam se movendo no fio a uma velocidade tão tremenda. Elétrons ou íons em um condutor de metal, em um eletrólito ou em outro meio condutor não podem se mover tão rápido, ou seja, os portadores de carga não se movem um em relação ao outro na velocidade da luz.
A velocidade da luz, neste caso, é a velocidade com que os portadores de carga no fio começam a se mover um após o outro, ou seja, é a velocidade de propagação do movimento translacional dos portadores de carga. Os próprios portadores de carga têm uma "velocidade de deriva" em corrente contínua, digamos em um fio de cobre, de apenas alguns milímetros por segundo!
Vamos deixar este ponto claro. Digamos que temos um capacitor carregado e nele ligamos longos fios de nossa lâmpada instalada em um vilarejo a uma distância de 100 quilômetros do capacitor. A conexão dos fios, ou seja, o fechamento do circuito, é feita manualmente com uma chave.
O que vai acontecer? Quando a chave é fechada, as partículas carregadas começam a se mover nas partes dos fios que estão conectadas ao capacitor. Os elétrons deixam a placa negativa do capacitor, o campo elétrico no dielétrico do capacitor diminui, a carga positiva da placa oposta (positiva) diminui - os elétrons fluem para ela a partir do fio conectado.
Assim, a diferença de potencial entre as placas diminui.E como os elétrons nos fios adjacentes ao capacitor começaram a se mover, outros elétrons de lugares distantes no fio vêm para seus lugares, ou seja, começa o processo de redistribuição de elétrons no fio devido à ação de um campo elétrico em circuito fechado. Esse processo se espalha mais ao longo do fio e finalmente atinge o filamento da lâmpada de sinalização.
Assim, a mudança no campo elétrico se propaga ao longo do fio na velocidade da luz, ativando os elétrons no circuito. Mas os próprios elétrons se movem muito mais lentamente.
Antes de prosseguirmos, considere uma analogia hidráulica. Deixe a água mineral fluir da aldeia para a cidade através de um cano. Pela manhã, uma bomba foi acionada na aldeia e começou a aumentar a pressão da água na tubulação para forçar a água da fonte da aldeia a se deslocar para a cidade. A mudança de pressão se espalha ao longo da tubulação muito rapidamente, a uma velocidade de cerca de 1400 km / s (depende da densidade da água, de sua temperatura, da magnitude da pressão).
Uma fração de segundo depois que a bomba foi ligada na aldeia, a água começou a se mover para a cidade. Mas esta é a mesma água que flui atualmente pela aldeia? Não! As moléculas de água em nosso exemplo se empurram e elas próprias se movem muito mais lentamente, pois a velocidade de seu desvio depende da magnitude da pressão. O esmagamento das moléculas umas contra as outras se propaga muitas ordens de magnitude mais rápido do que o movimento das moléculas ao longo do tubo.
Assim é com uma corrente elétrica: a velocidade de propagação de um campo elétrico é semelhante à propagação da pressão, e a velocidade de movimento dos elétrons que formam uma corrente é semelhante ao movimento direto das moléculas de água.
Agora vamos voltar diretamente aos elétrons. A taxa de movimento ordenado de elétrons (ou outros portadores de carga) é chamada de taxa de deriva. Seus elétrons ganham pela ação campo elétrico externo.
Se não houver campo elétrico externo, os elétrons se movem caoticamente dentro do condutor apenas por movimento térmico, mas não há corrente direcionada e, portanto, a velocidade de deriva em média acaba sendo zero.
Se um campo elétrico externo for aplicado a um condutor, dependendo do material do condutor, da massa e carga dos portadores de carga, da temperatura, da diferença de potencial, os portadores de carga começarão a se mover, mas a velocidade desse movimento será significativamente menor que a velocidade da luz, cerca de 0,5 mm por segundo (para um fio de cobre com seção transversal de 1 mm2, através do qual flui uma corrente de 10 A, a velocidade média de deriva do elétron será de 0,6– 6mm/s).
Essa velocidade depende da concentração de portadores de carga livres no condutor n, da área da seção transversal do condutor S, da carga da partícula e, da magnitude da corrente I. Como você pode ver, apesar o fato de a corrente elétrica (a frente da onda eletromagnética) se propagar ao longo do fio na velocidade da luz, os próprios elétrons se movem muito mais lentamente. Acontece que a velocidade da corrente é uma velocidade muito baixa.