¿Cómo se mueven los electrones en un circuito?

Estimado Alain Del-Gatto,

el “circuito” eléctrico, puede estar formado por lazos donde las cargas pasan por diferentes materiales, como por ejemplo,

— (1) conductores (cobre, aluminio, aleación plomo y estaño, plata, oro, mercurio, tungsteno, bronce, latón, nichrome, …),

— (2) gas ionizado (lámpara de neón o tubo fluorescente),

— (3) semiconductores tipo-N (los electrones no ligados son mayoritarios),

— (4) semiconductores tipo-P (los electrones son portadores minoritarios),

— (5) superconductores tipo-I (van como “pares” en una capa superficial),

— (6) superconductores tipo-II (van como “pares” también entre fluxones),

Dentro de esos 6 grupos que mencioné (que podrías encontrar en un circuito) los electrones se mueven de diferente modo. La conducción tiene características diferentes …

¡ Espero que estés preguntando sólo por el primero, los conductores !

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También los electrones se mueven en una descarga atmosférica (“rayos”) de un modo diferente a los anteriores.

Lo mismo se puede decir de los electrones moviéndose en un plasma soportado por campos magnéticos (reactor de fusión, “tokomak”). De todos modos, estos dos casos no corresponden a “circuitos”, y por eso no los incluí en la lista.

En la Electrólisis, en cambio, la cuba electrolítica sí está dentro de un circuito, pero lo que se mueve en su interior no son necesariamente electrones, sino iones (cationes y aniones). Por eso tampoco lo incluí en la lista.

Como puedes ver, la conducción eléctrica es un fenómeno muy amplio.

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La teoría clásica que describe muy bien la CONDUCCIÓN ELÉCTRICA EN CONDUCTORES, y la describe asombrosamente bien hasta un nivel microscópico (no atómico), es la teoría propuesta en el año 1900 por el científico alemán Paul Karl Ludwig Drude. La física es cuántica, PERO en este caso este modelo clásico describe muy bien la conducción en metales. En pocas palabras sería algo así:

Los electrones se aceleran con el campo eléctrico (generado por la fuente conectada en los extremos del conductor). En su desplazamiento acelerado, los electrones se desvían y hasta retroceden al chocar con los iones de la red. Se mueven en “zig-zag” pero finalmente, en promedio, hay un desplazamiento neto (corriente eléctrica) hacia el borne positivo al cual los electrones se sienten atraídos. Después de cada choque, los electrones vuelven a acelerarse hasta que vuelven a chocar, y así sucesivamente.

En los choques con los iones de la red cristalina del conductor, los electrones le transfieren su energía cinética al ión, quien la absorbe aumentando su amplitud de vibración. Es decir, aumenta la temperatura del material. Finalmente el metal del conductor llega a un equilibrio térmico con el ambiente que le rodea, disipando la potencia eléctrica en forma de calor (Ley de Joule).

El aumento de temperatura (que se corresponde con el aumento de la vibración de los iones) hace que también aumente la sección eficaz de choque (la probabilidad de que las cargas de la corriente choquen con los iones fijos en el conductor). Por lo tanto, aumenta la frecuencia de choques y entonces el conductor conduce menos (disminución de la conductividad eléctrica con el aumento de la temperatura).

Un cálculo extremadamente sencillo con el modelo de Drude, muestra que el vector densidad de corriente J es proporcional al campo eléctrico E dentro del alambre conductor. La constante de proporcionalidad es justamente la conductividad eléctrica mencionada antes. Esta relación microscópica DENTRO DEL MATERIAL conduce inmediatamente a la proporcionalidad entre la corriente y la caída de voltaje EN EL ALAMBRE (Ley de Ohm).

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Finalmente se puede agregar que los electrones se mueven en un circuito cumpliendo con ciertas restricciones debidas a principios físicos que siempre deben cumplirse. Por ejemplo, cuando los electrones entran y salen en diferentes corrientes que entran y salen de un NODO (como una soldadura de varios cables), debido a la conservación de la carga eléctrica, la suma de todas las cargas que entran debe ser igual que la suma de todas las cargas que salen (Ley de corrientes de Kirchhoff).

Por otro lado, si uno recorre un circuito dando una vuelta cerrada (una MALLA), debido a la conservación de la energía, la suma de todos los voltajes de las fuentes electromotrices debe ser igual a la suma de todas las caídas de voltajes en los elementos disipativos (resistencias), es decir, la suma algebraica de todos los voltajes en la malla debe ser cero (Ley de voltajes de Kirchhoff). Esta segunda ley básica de los circuitos de corriente continua (DC) y de corriente alterna (AC) NO se cumple cuando la energía NO se conserva.

Esto puede ocurrir cuando las corrientes varían muy rápidamente. En efecto, si la longitud de onda de variación no es mucho mayor que la mayor dimensión del circuito, éste se comporta como una antena, irradiando energía electromagnética, y haciendo que no se cumpla la Ley de voltajes de Kirchhoff. Es por esta razón que cuando hacemos las primeras prácticas de laboratorio sobre circuitos con los estudiantes, no usamos frecuencias superiores a 20 kHz (a pesar que nuestros generadores y osciloscopios funcionen con MHz).

Abril 20, 2019. jlgiordano@hotmail.com