Velocidad de propagación de ondas – Factor de velocidad

Velocidad de Propagación de Ondas y Factor de Velocidad: Entendiendo la Velocidad de la Electricidad

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. Este flujo posee distintas interpretaciones de velocidad, siendo crucial distinguir entre dos tipos principales: la velocidad de propagación de ondas y la velocidad de deriva.

Velocidad de Propagación de Ondas

La velocidad de propagación de ondas, también conocida como factor de velocidad o velocidad de propagación de un medio de transmisión, es la relación entre la velocidad a la que un frente de onda (de una señal electromagnética, una señal de radio, un pulso de luz en una fibra óptica o un cambio de voltaje eléctrico en un cable de cobre) se desplaza a través del medio y la velocidad de la luz en el vacío. Factores como las dimensiones del cable y propiedades eléctricas como la inductancia afectan la velocidad exacta de propagación, pero usualmente ronda el 90% de la velocidad de la luz, aproximadamente 270,000 km/s.

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 se mueven mucho más lentamente. Por ejemplo, el factor de velocidad para un cable coaxial suele estar entre 0.66 y 0.85, lo que significa que la velocidad de una onda electromagnética en el cable es solo de dos tercios a cuatro quintos de la velocidad de la luz en el vacío. Esto puede causar retrasos en las señales transmitidas a través del cable, ya que la velocidad de la onda es más lenta de lo que sería en el vacío.

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 lo largo de un conductor, se establece un campo eléctrico que causa que los electrones se muevan en una dirección determinada. Sin embargo, no se mueven en línea recta sino que experimentan un movimiento aleatorio debido a colisiones con los átomos del conductor, perdiendo energía y dispersándose en direcciones aleatorias. Este movimiento aleatorio da como resultado una velocidad promedio, conocida como la 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 pueda ser bastante alta. 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 entender el comportamiento de las corrientes eléctricas en conductores.

La velocidad de deriva de los electrones en un conductor se puede calcular usando la siguiente fórmula:

vd = (I / nAq)

donde:

• vd 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, aproximadamente 1.602 x 10^-19 Coulombs (C)

Esta fórmula se deriva de la ecuación de 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 corriente continua, la velocidad de deriva de los electrones aumentará en velocidad proporcionalmente a la fuerza del campo eléctrico. La velocidad de deriva en un cable de cobre de 2 mm de diámetro en una corriente de 1 amperio es aproximadamente 8 cm por hora. Los voltajes de corriente alterna 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 Electrónica

La velocidad de deriva y la movilidad electrónica 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. Mientras que la velocidad de deriva se refiere a la velocidad promedio de los portadores de carga, la movilidad electrónica es una medida de la facilidad con la que 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. La unidad de movilidad electrónica es metros cuadrados por voltio-segundo (m²/Vs).

Aunque la velocidad de deriva y la movilidad electrónica 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 electrónica es una propiedad del material que caracteriza la facilidad con la que los electrones pueden moverse a través de un material específico bajo la influencia de un campo eléctrico.