¿Los electrones realmente fluyen cuando se aplica un voltaje?

Se dice en los libros que un circuito es un camino cerrado y, por lo tanto, que los electrones vuelven a la fuente. Si ese es el caso, ¿qué pasaría cuando hubiera una falla a tierra en un circuito? ¿Cómo volverían los electrones a su fuente?

¿Los electrones realmente se mueven fuera de sus átomos o simplemente vibran y transfieren la energía de esa manera cuando aplicamos un voltaje?

Pensar en la corriente en términos de electrones en movimiento es el comienzo de un camino hacia un pobre modelo mental de cómo funciona la electricidad. Aquí hay algunas cosas que están mal:

• Los electrones son solo uno de los muchos portadores de carga. Cualquier ion es también un portador de carga.

• Los protones que equilibran los electrones son igual de importantes. Si solo tuvieras electrones, entonces todos los electrones en el universo serían repelidos uno del otro y dispararían al universo.

• Los electrones tienen carga negativa, y te confundirás a ti mismo sin ninguna razón para pensar en cómo fluyen de negativo a positivo. En realidad no importa en absoluto.

• En realidad, los electrones pululan en todas direcciones al azar todo el tiempo, y su movimiento debido a la corriente es minúsculo, en comparación.

Lo importante es esto: los portadores de carga (los electrones son uno de ellos) se pueden usar para transmitir una fuerza electromotriz (generalmente llamada solo voltaje). Este es un concepto bastante ordinario, de verdad. Puede empujar un extremo de una barra y transmitir una fuerza mecánica al otro extremo de la barra. ¿Se mueve la varilla, cuándo haces esto? Bueno, tal vez, pero hay dos cosas que suceden aquí:

1. la fuerza se transmite a través de la barra, como ondas que se propagan a la velocidad del sonido en ese material
2. si y solo si también transmitimos potencia, la barra se mueve, en la mayoría de los casos a una velocidad mucho más lenta

La diferencia es obvia para una barra, pero como no podemos ver la carga eléctrica, la diferencia no es obvia.

Entonces, su pregunta era: ¿los electrones realmente fluyen cuando se aplica un voltaje? Hablando estrictamente, la respuesta es tal vez , y depende de lo que entiendas por flujo . Es similar a la pregunta, ¿se mueve una cuerda cuando la jalas? Bueno, si está unido a un globo, podría moverse mucho. Si está unido a una pared de ladrillos, es posible que no se mueva en absoluto.

El movimiento de los portadores de carga (como los electrones) es actual . Si tenemos una corriente, entonces hay un movimiento neto de portadores de carga. Realmente están pululando por todas partes, al igual que las moléculas de agua individuales pululan en una tubería, incluso si no hay flujo neto. La corriente describe el movimiento promedio. En el caso de la corriente continua, el movimiento promedio está en un círculo.

La forma en que los portadores de carga individuales interactúan para lograr esto es complicado, y es realmente una pregunta de física, no una cuestión de electrónica. Sin embargo, le sugiero que consulte este tutorial de MIT en los campos .

Los electrones no se mueven físicamente cuando se aplica un voltaje - muy lentamente .

Un circuito energizado a 100VDC, alimentando una carga de 1A (como una bombilla) a través de un cable de cobre de 2 mm de diámetro verá electrones moviéndose a la velocidad de:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

dónde

• Q es el número de electrones por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente $8.5 \times 10^{22}$
• R es el radio del cable
• e es la carga por electrón (aproximadamente $1.6 \times 10^{-19}$

Esto funciona a 8.4 cm / hora . No exactamente rápido.

Lo que es clave es el hecho de que es la energía la que corre por el circuito casi instantáneamente, no los electrones en sí. (Los electrones forman una "autopista" conveniente para permitir que la energía fluya rápidamente).

Es lamentable que la deriva lenta de los electrones bajo un voltaje termine con el mismo nombre que el flujo de energía que realmente funciona en un circuito.

No confunda la abstracción conveniente con la realidad física.

• Los "circuitos" son un concepto abstracto diseñado para ayudarnos a razonar mejor sobre el mundo.
• Los electrones son una entidad física.

Una nota sobre caminos "cerrados"

Los circuitos de ruta cerrada no implican que los electrones regresen a la fuente. Además, los electrones que salen de la fuente rara vez son los mismos electrones que regresan al otro polo de la fuente (ver la respuesta de @ madmanguruman para la explicación de la velocidad).

Analogías mecánicas

Es como el dominó que cae. La onda de energía se propaga a través de las fichas de dominó que caen, pero las fichas de dominó no se traducen mucho.

Recuerde que la energía es la carga del electrón multiplicada por la fuerza que se le aplica (voltaje). Son (abrumadoramente) las fuerzas que se mueven a través de la red metálica, no las cargas (electrones).

Justo como en esta imagen:

Las fuerzas se transfieren a través de las bolas, pero las bolas permanecen en gran parte en su lugar. A diferencia de las bolas mecánicas, que están equilibradas por la gravedad, con electrones en los cables metálicos de las células galvánicas (baterías), hay una deriva general lenta de los electrones (como los autos atrapados en el tráfico) hacia el otro extremo.

Otras lecturas

Puede considerar esta respuesta que le di a una pregunta de física relacionada similar.

Estamos hablando de metales aquí. Típicamente, un objeto de metal no consiste en moléculas. Se compone de átomos metálicos, todos agrupados. Esto se muestra en la imagen a continuación:

Los círculos rojos son electrones. Como puede ver, realmente no puede decir a qué átomo 'pertenece' un electrón. Estos electrones forman las conexiones entre los átomos, por lo que pertenecen a dos átomos.

Ahora, cuando una corriente comienza a fluir, estos electrones se mueven. Cuando fluye una corriente, se transfiere energía. Como los átomos no pueden moverse fácilmente, los electrones tienen que moverse.

También puede ver esto en la unidad Amperios de corriente: 1 amperio equivale a 1 Coulomb por segundo. El Coulomb (C) es la unidad de carga (Q). 1 Amperio significa que 1 Coulomb de carga pasa un cierto punto en 1 segundo. Esta carga es producida por los electrones que realmente fluyen del objeto uno al objeto dos.

Cuando hablamos de corriente CC (aplicación normal alimentada por batería, por ejemplo), estos electrones no volverán a su fuente. Considere este circuito:

Al principio, hay una diferencia de carga entre el polo negativo y el polo positivo: el polo negativo tiene un exceso de electrones. Esto crea una fuerza (voltaje), y dado que hay un enlace entre los dos polos (el cable y el bulbo), los electrones comienzan a fluir. Los electrones se mueven desde el polo negativo a través del bulbo hasta el polo positivo, hasta que ya no hay diferencia en la carga (o es tan poco que no hará que fluya una corriente).

Ahora puede ver que estos electrones no volvieron a su fuente: comenzaron en el polo negativo y terminaron en el polo positivo.

Llamamos a esto un camino cerrado porque hay un círculo: la corriente comienza en la batería y termina en la batería. Hay confusión porque la batería en realidad existe de dos objetos: el polo positivo y el polo negativo.

Mire este circuito (que es básicamente el mismo, pero con un condensador en lugar de una batería y una resistencia en lugar de una bombilla):

La corriente fluye desde el lado derecho del condensador (carga negativa, electrones excedentes) a través de la resistencia hacia el lado izquierdo del condensador (carga positiva, escasez de electrones). Aquí, las placas del condensador están separadas, por lo que puede ver fácilmente que en realidad no es un camino cerrado.

Simplemente lo llamamos una ruta cerrada, porque la corriente comienza y termina en el condensador.

Dado que los electrones realmente no tienen que volver a su base, ahora puedes entender que los electrones también pueden fluir hacia la tierra. Esto también es lo que sucede con los rayos. Los electrones fluyen de las nubes a la tierra (o al revés, no lo sabría), solo para neutralizar la diferencia de carga.