Esto es realmente más una cuestión de física que de electrónica ... La razón por la cual los ingenieros eléctricos y electrónicos rara vez (si alguna vez) consideran tales cálculos subatómicos. El hecho de que los electrones se muevan es lo que realmente importa, lo rápido que se mueven es de poca importancia para el circuito. Lo que puede ser útil para el ingeniero es saber qué tan rápido puede cambiar un potencial eléctrico (voltaje), ya que esto decidirá la transmisión máxima de datos en un cable (velocidad del cable) que está relacionada con la resistencia, la capacitancia y la inductancia del portador de carga, entre otras cosas. Esto también está asociado con la velocidad de propagación de la onda discutida en algunas de las otras respuestas. Estos son dos temas completamente diferentes ...
Resumen de electricidad
Para empezar, la "electricidad" no fluye. La electricidad es la manifestación física del flujo de carga eléctrica. Aunque este término se aplica a un amplio espectro de fenómenos, generalmente se asocia con el movimiento (excitación) de electrones, partículas subatómicas cargadas negativamente. Cuando ciertos elementos se combinan, los electrones pueden moverse libremente a través de la capa más externa de la nube de electrones de un átomo al siguiente. Un conductor permite fácilmente el flujo de electrones, mientras que un aislante lo restringe. Los semiconductores (como el silicio) tienen conductividad controlable, lo que los hace ideales para su uso en la electrónica moderna.
Como ya sabrá, la corriente eléctrica se mide en amperios (amperios). Esta es realmente una medida de cuántos electrones se mueven a través de un solo punto en un segundo:
1 amperio = 1 culombio por segundo = 6.241509324x10 ^ 18 electrones por segundo
Mientras haya un voltaje (potencial) presente a través de un conductor, (un cable, resistencia, motor, etc.) fluirá corriente. El voltaje es una medida del potencial eléctrico entre dos puntos, por lo que tener un voltaje más alto permitirá un mayor flujo de corriente, es decir, el movimiento de más electrones a través de un punto por segundo.
Velocidad de electrones
Por supuesto, la velocidad conocida en ayunas es la velocidad de la luz: 3 * 10 ^ 8 m / s. Sin embargo, los electrones generalmente no se mueven cerca de esta velocidad. De hecho, te sorprendería saber cuán lentamente se mueven realmente.
La velocidad real del electrón se conoce como velocidad de deriva . Cuando fluye una corriente, los electrones no se mueven en línea recta a través de un cable, sino que se mueven a través de los átomos. La velocidad promedio real del flujo de electrones es proporcional a la corriente usando la siguiente fórmula:
v = I / (nAq) = actual / (densidad de portadora * área de sección transversal de portadora * carga de portadora)
Este ejemplo está tomado de Wikepedia , porque no quería buscar los números yo mismo ...
Considere una corriente de 3A que fluye a través de un cable de cobre de 1 mm de diámetro. El cobre tiene una densidad de 8.5 * 10 ^ 25 electrones / m ^ 3 y la carga de un electrón es -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulombs. El cable tiene un área de sección transversal de 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2. Por lo tanto, la velocidad de deriva sería:
v = (3 Coulombs / s) / (8.5 * 10 ^ 25 electrones / m ^ 3 * 7.85 * 10 ^ (- 7) m ^ 2 * -1.6 * 10 ^ (- 19) Coulombs)
v = -0.00028 m / s
Observe la velocidad negativa, lo que implica que la corriente realmente fluye en la dirección opuesta que normalmente se piensa. Aparte de eso, lo único que debe notar es cuán lento es en realidad. ¡Una corriente de 3 amperios no es tan pequeña, y el cable de cobre es un excelente conductor! En realidad, cuanto mayor sea la resistencia en el portador de carga, más rápida será la velocidad. Esto es similar a cómo las diferentes configuraciones en un cabezal de ducha harán que la misma presión de agua salga del grifo a diferentes velocidades. ¡Cuanto más pequeño es el agujero, más rápido debe salir el agua!
Dando sentido a esto
Si los electrones se mueven tan lentamente, ¿cómo es posible transmitir datos tan rápido? O incluso, ¿cómo puede un interruptor de luz controlar una luz instantáneamente desde tan lejos? Esto se debe a que no hay un solo electrón que deba fluir de un punto del circuito a otro para que algo funcione. En realidad, hay muchos electrones libres (la cantidad depende de la composición elemental del material portador) en cada punto del circuito en todo momento que se mueven tan pronto como se aplica un potencial (voltaje) lo suficientemente grande.
Piensa en el agua en una tubería. Para empezar, si no hay agua en la tubería, el agua tardará un poco en llegar al grifo cuando se abre una boquilla. Sin embargo, en una casa, ya debe haber agua en cada punto de la tubería, por lo que el agua sale del grifo tan pronto como se abre. No tiene que viajar desde la fuente de agua hasta el grifo porque ya está en la tubería, solo esperando el potencial para empujarlo. Es lo mismo con un cable: ya hay tantos electrones en el cable, esperando a ser empujados por la presencia del potencial de voltaje. La velocidad que le tomaría a un electrón moverse de un punto en el cable a otro es completamente irrelevante.
Por otro lado, la velocidad de transmisión de datos a través de un medio físico es importante y tiene un máximo teórico, como se discutió en esta maravillosa pregunta y respuestas, por lo que no entraré en eso aquí.