Los electrones de un cable avanzan más despacio que un caracol
Dentro de un cable de cobre hay electrones que no están atados a un átomo concreto y pueden moverse por el metal. Se llaman electrones libres. Cuando circula una corriente, todos ellos se desplazan en conjunto en una misma dirección, pero lo hacen con una velocidad media (la «velocidad de deriva») muy pequeña. Un libro de física universitaria de OpenStax habla de valores del orden de 10−4 m/s, es decir, una décima de milímetro por segundo. [1] HyperPhysics, de la Universidad Estatal de Georgia, dice algo parecido: para corrientes normales, milímetros por segundo o menos. [2]
Podemos comprobarlo con una cuenta. El cobre tiene unos 8,5 × 1028 electrones libres por metro cúbico, y la carga de cada electrón es de 1,6 × 10−19 culombios. La relación que usa OpenStax es I = n · q · A · v, donde A es el área de la sección del cable. [1] Con un cable de 1 mm² y una corriente de 1 amperio sale una velocidad de unos 0,07 mm por segundo. Es un cálculo nuestro con esos datos, no una cifra copiada de una fuente. A ese ritmo, un electrón tardaría cerca de cuatro horas en recorrer un metro.
Además, el electrón no va en línea recta. Choca una y otra vez con los átomos y con otros electrones, y se mueve en zigzag. [1] Los electrones de un metal se agitan por su cuenta a velocidades enormes, del orden de un millón de metros por segundo, pero van en todas direcciones; lo que queda de «avance» neto es esa deriva diminuta. [2]
Así que la pregunta del título sigue en pie: si cada electrón va tan lento, ¿por qué no hay que esperar?
Lo que viaja casi a la velocidad de la luz es el empujón, no los electrones
El cable ya está lleno de electrones libres antes de que pulses el interruptor, igual que una manguera ya llena de agua. Si empujas el agua por un extremo, sale agua por el otro casi al instante, aunque cada gota se haya movido poco. OpenStax lo explica con las cargas: una carga que entra en el cable repele a las que tiene delante, estas empujan a las siguientes, y así el cambio se propaga por el cable. Esa señal avanza a velocidades del orden de 108 m/s, una fracción importante de la velocidad de la luz. [1] Para ser precisos, lo que se propaga rápido es un cambio en el campo eléctrico. [1] HyperPhysics distingue tres velocidades distintas: la de deriva (milímetros por segundo), la de los electrones agitándose (unos millones de metros por segundo) y la de la señal por el cable (cerca de 300 millones de metros por segundo). [2]
Una forma de imaginarlo es la «ola» de un estadio. Nadie recorre el estadio, cada persona solo se levanta y se sienta, y aun así la ola da la vuelta enseguida. Es una imagen para entender la idea, no una descripción exacta: los electrones no se levantan ni se sientan, se desplazan despacio y chocan.
Por eso no hace falta que un mismo electrón viaje desde la central hasta tu casa para que la bombilla se encienda.
Todavía queda la otra mitad de la pregunta: ¿quién da ese primer empujón?
Faraday descubrió en 1831 cómo crear ese empujón con un imán
Durante la década de 1820, Michael Faraday buscó cómo obtener electricidad a partir del magnetismo. Lo consiguió el 29 de agosto de 1831, en el laboratorio del sótano de la Royal Institution de Londres, con un anillo de hierro que tenía bobinas de cable de cobre enrolladas en lados opuestos. Al pasar corriente por una bobina, apareció corriente en la otra, pero solo durante un instante muy breve. [3] La clave, por tanto, no era la corriente constante, sino el cambio.
Pocos meses después, en octubre de 1831, Faraday montó un aparato más sencillo: un tubo con una bobina de cable aislado y un imán de barra. Conectó la bobina a un galvanómetro (un instrumento que detecta corriente) y movió el imán hacia dentro y hacia fuera de la bobina. Cada vez que el imán se movía, la aguja del galvanómetro saltaba. [4] Moviendo un imán, había «empujado» a los electrones del cable.
Si cambias el galvanómetro por una bombilla, dice la Royal Institution, se encendería. [4] Ese es el principio de un generador. La misma fuente afirma que casi toda la electricidad se produce con los principios de Faraday: carbón, petróleo, gas, energía nuclear, agua o viento se usan para mover un generador o una turbina. [4] La excepción habitual son los paneles solares, que no giran nada, pero esa historia es de otro artículo.
Entonces, ¿qué llega a la bombilla? El empujón, no el viaje de los electrones
Juntemos las dos mitades. En una central, algo hace girar un imán dentro de unas bobinas (agua que cae, viento, vapor). Ese movimiento da el empujón a los electrones del cable. Como el cable ya está lleno de electrones libres, el cambio llega a tu casa casi a la velocidad de la luz, y la bombilla se enciende aunque cada electrón avance muy poco. [1][4]
Un detalle más sobre la bombilla de filamento: el trabajo del campo eléctrico no aumenta la velocidad de los electrones, sino que se transfiere a los átomos del metal con cada choque, y por eso el filamento se calienta y brilla. Por eso hace falta un suministro continuo de energía. [1]
Para mirar por tu cuenta
Si tienes una linterna de manivela, fíjate en que solo ilumina mientras giras la manivela: dentro, un generador pequeño hace lo que hizo Faraday con su imán. Y si te interesa ir más lejos, prueba a calcular la velocidad de deriva con la fórmula I = n · q · A · v para otro metal, como el aluminio. Los pasos están en la sección 9.2 de OpenStax (fuente [1]) y solo necesitas una calculadora.