Velocidad de Deriva en la Electricidad: La Velocidad del Flujo Eléctrico
La electricidad, en términos generales, se refiere al movimiento de electrones (u otros portadores de carga) a través de un conductor en presencia de una diferencia de potencial o un campo eléctrico. La velocidad de este flujo tiene múltiples significados y, para abordar la cuestión de cuán rápido fluye la electricidad, debemos distinguir dos tipos básicos de velocidades: la velocidad de propagación de la onda y la velocidad de deriva.
Velocidad de Propagación de la Onda
En dispositivos eléctricos y electrónicos cotidianos, las señales viajan como ondas electromagnéticas típicamente al 50%–99% de la velocidad de la luz en el vacío, mientras que los electrones mismos se mueven mucho más lentamente.
Velocidad de Deriva
En electricidad, la velocidad de deriva se refiere a la velocidad promedio de los portadores de carga, usualmente electrones, mientras se mueven a través de un conductor bajo la influencia de un campo eléctrico. Cuando se aplica un voltaje a través de un conductor, se establece un campo eléctrico, lo que causa que los electrones se muevan en una cierta dirección. Sin embargo, los electrones no se mueven en línea recta, sino que realizan un movimiento aleatorio debido a colisiones con los átomos del conductor, perdiendo energía y dispersándose en direcciones aleatorias. Esto crea resistencia al flujo de electrones y causa que parte de la energía del campo eléctrico se convierta en calor. Este movimiento aleatorio resulta en una velocidad promedio, conocida como velocidad de deriva.
La velocidad de deriva de los electrones en un conductor es típicamente bastante lenta, del orden de unos pocos milímetros por segundo, aunque la corriente en el conductor puede ser bastante alta. Esto se debe a que los electrones están constantemente colisionando con los átomos del conductor, lo que ralentiza su movimiento general. La velocidad de deriva es proporcional a la corriente y, en un material resistivo, también es proporcional a la magnitud de un campo eléctrico externo.
Aunque la velocidad de deriva es relativamente lenta, sigue siendo un concepto importante para comprender el comportamiento de las corrientes eléctricas en los conductores. El flujo general de carga eléctrica en un conductor está determinado por la combinación de la velocidad de deriva y el número de portadores de carga que se mueven a través del conductor.
La velocidad de deriva de los electrones en un conductor se puede calcular utilizando la siguiente fórmula: \( v_d = \frac{I}{nAq} \), donde:
- \( v_d \) es la velocidad de deriva de los electrones en metros por segundo (m/s)
- \( I \) es la corriente que fluye a través del conductor en amperios (A)
- \( n \) es el número de portadores de carga por unidad de volumen en el conductor (en m-3)
- \( A \) es el área transversal del conductor en metros cuadrados (m2)
- \( q \) es la carga de un solo electrón, que es aproximadamente 1.602 x 10-19 Culombios (C)
Esta fórmula se deriva de la ecuación para la corriente eléctrica (\( I = nAqvd \)), que relaciona la corriente que fluye a través de un conductor con el número de portadores de carga, su velocidad y el área transversal del conductor.
Por ejemplo, cuando se aplica un voltaje de CC, la velocidad de deriva del electrón aumentará en velocidad proporcionalmente a la fuerza del campo eléctrico. La velocidad de deriva en un alambre de cobre de 2 mm de diámetro en una corriente de 1 amperio es aproximadamente 8 cm por hora. Los voltajes de CA no causan movimiento neto; los electrones oscilan hacia adelante y hacia atrás en respuesta al campo eléctrico alterno (sobre una distancia de unos pocos micrómetros).
Velocidad de Deriva y Movilidad de los Electrones
La velocidad de deriva y la movilidad de los electrones son dos conceptos relacionados en el estudio de la electricidad y los conductores, pero se refieren a diferentes aspectos del comportamiento de los portadores de carga, como los electrones, en un material. La velocidad de deriva se refiere a la velocidad promedio de los portadores de carga, como los electrones, mientras se mueven a través de un conductor bajo la influencia de un campo eléctrico. Esta velocidad se ve afectada por factores como la densidad de los portadores de carga, el área transversal del conductor y la fuerza del campo eléctrico. La velocidad de deriva es típicamente bastante lenta, del orden de unos pocos milímetros por segundo, debido a las frecuentes colisiones entre los portadores de carga y los átomos del conductor.
La movilidad de los electrones, por otro lado, es una medida de cuán fácilmente los electrones pueden moverse a través de un material bajo la influencia de un campo eléctrico. Se define como la relación entre la velocidad de deriva de los electrones y la fuerza del campo eléctrico. En otras palabras, la movilidad de los electrones es una medida de cuán eficientemente los electrones pueden moverse a través del material, teniendo en cuenta la resistencia a su movimiento debido a colisiones con los átomos del conductor. La unidad de movilidad de los electrones es metros cuadrados por voltio-segundo (m2/Vs).
Aunque la velocidad de deriva y la movilidad de los electrones están relacionadas, no son intercambiables. La velocidad de deriva es una cantidad física que describe el movimiento de los portadores de carga en un conductor, mientras que la movilidad de los electrones es una propiedad del material que caracteriza cuán fácilmente los electrones pueden moverse a través de un material específico bajo la influencia de un campo eléctrico.
