¿A qué velocidad fluye la electricidad? Bueno, depende de lo que queramos decir con "electricidad". Esta palabra tiene mas de un significado contradictorio (link, inglés) así que antes de hablar sobre su flujo, tenemos que decidirnos cuál de los varios significados de "electricidad" estamos usando. Abajo trataremos la corriente eléctrica como flujo de electrones.

OK, entonces. Encendemos una linterna, algo llamado "corriente eléctrica" comienza a suceder. Dentro de la lámpara, el fino filamento se calienta porque hay una corriente eléctrica en el metal. Esta corriente es un movimiento de algo. ¿Qué tan rápido se mueve este "algo"? Esta pregunta puede ser respondida.

La respuesta rápida

Dentro de los cables, ese "algo" se mueve muy, muy lento, casi tan lento como la aguja de los minutos de un reloj. La corriente eléctrica es como un flujo de jarabe. Incluso el jarabe se mueve más rápido, no es una buena analogía. Las cargas eléctricas se mueven tan lento como un río de plastilina. Y en los circuitos de Corriente Alterna no se mueve hacia adelante para nada, en cambio se queda en un lugar y vibra. La energía puede fluír rápidamente en un circuito porque los cables ya están llenos de esta "plastilina". Si empujams un extremo de una columna de plastilina, el extremo contrario se mueve casi al instante. La energía fluye rápido, aunque la corriente eléctrica sea un flujo muy lento.

La respuesta complicada

En el interior de todos los metales hay una sustancia que puede moverse. Esta cosa tiene varios nombres: "el mar de cargas", "el mar de electrones", "el gas de electrones", o "cargas". Nosotros frecuentemente lo llamamos "electricidad". Llamarlo así puede llevar a confusiones, porque la carga no es energía, y aún así mucha gente piensa que la carga eléctrica es la "electricidad". Lleva a confusiones porque el mar de electrones existe en el interior de todos los metales, todo el tiempo, incuso cuando el metal no es parte de un cable ni es parte de un dispositivo eléctrico. Si el mar de electrones es la "electricidad", entonces debemos decir que todos los metales estan llenos de electricidad. Mejor llamarlo por su nombre "mar de electrones", y evitar la confusa palabra "electricidad".

Durante una corriente eléctrica, el cable se mantiene quieto y el mar de electrones fluye a través de él. Cuando el interruptor de la linterna se apaga, y la lámpara deja de brillar, el mar de electrones deja de moverse hacia adelante. Pero aunque no se esté moviendo, el mar de cargas sigue dentro de todos los cables. Si la linterna es encendida de nuevo, y dos lámparas son conectadas en paralelo en lugar de una sola, la corriente eléctrica tendrá el doble del valor, y se generará el doble de luz. Y lo más importante, el mar de electrones dentro de los cables fluirá el doble de rápido. En otras palabras, LA VELOCIDAD DE LAS CARGAS ES PROPORCIONAL AL VALOR DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA; corrientes pequeñas significan flujos de carga lentos, grandes corrientes flujos de altas velocidades. Corriente nula indica que el flujo se detuvo. Nótese sin embargo que la corriente eléctrica no tiene una sola velocidad. Las cargas se aceleran cuando fluyen a un cable más fino. La alta corriente en el filamento de una gran lámpara será mucho más rápida que la misma corriente en los cables de la lámpara. Aunque la corriente eléctrica sea un muy lento flujo de cargas, no podemos saber su velocidad real a menos que sepamos el *valor* (los amperes) de la corriente en los cables.

Si un cable fino es conectado en un circuito con ambos lados unidos a un cable grueso, resulta que las cargas en el cable fino se mueven más rápido. Esto tiene sentido, funciona como el agua en los ríos. Si un ancho río entra en un canal angosto, el agua se acelera. Cuando el canal se abre nuevamente aguas abajo, el flujo se ralentiza nuevamente. El flujo en un cable fino tiende a ser rápido, incluso si el valor de la corriente es relativamente bajo. Esto significa que no podemos conocer la velocidad del mar de electrones a menos que sepamos que tan gruesos son los cables.

Si un cable de cobre está conectado en serie con uno de aluminio del mismo diámetro, las cargas en el cobre fluirán más lento. Esto sucede porque si bien hay un átomo móvil por cada átomo en un metal, hay más átomos empaquetados dentro del cobre que en el aluminio, así que en cada trozo de cobre hay más carga. Cuando el mar de electrones fluye dentro del cobre, se comprime y desacelera. Cuando fluye al aluminio, se dispersa y se acelera un poco. Esto significa que no podemos conocer la velocidad de las cargas a menos que sepamos qué tan denso es el mar de electrones en el interior del metal.

La velocidad de la corriente eléctrica
Como no hay nada visible cuando el mar de electrones fluye, no podemos medir la velocidad de su flujo a ojo. En cambio, lo hacemos mediante algunas suposiciones y cálculos. Digamos que tenemos una corriente eléctrica en un cable normal tipo lámpara conectado a un foco de luz. La corriente termina fluyendo a aproximadamente 8,4 cm por hora. ¡Muy lento!

Así calculé el valor. Sabemos:

Potencia del foco: alrededor de 100 wats, alrededor de 1 amper a 100 voltios
Valor de la corriente electrica: I = 1 amper
Diámetro del cable: D = 2/10 cm, radio R = 0,1 cm
Electrones móviles por cm³: e = 1,6*10^-19
Carga por electron: e = 1.6*10^-19

La ecuación

cm/seg = I/( Q * e * R² * Pi ) = 0,0023 cm/seg = 8,4 cm/hora

Esto es para corriente contínua. Chris R. señala que para un particular valor de frecuencia de Alterna, el "efecto piel" puede causar que se reduzca el flujo de electrones en el centro del cable, mientras en la superficie se incrementa. Hay menos cargas fluyendo y por tanto deben ir más rápido. (El "efecto piel" es más fuerte a altas frecuencias y con cables gruesos. El efecto puede USUALMENTE ser despreciado en cables finos con frecuencias de red de 60Hz).

El tamaño de la vibración
Y con respecto a la corriente alterna... ¿que tan lejos se mueven los electrones al vibrar hacia adelante y atrás? Bueno, sabemos que una corriente de un amper en un cable de 1 mm se mueve a 8,4 cm por hora, en un segundo se mueve:

8,4 cm / 3600 seg = 0,0023 cm por segundo

Y en 1/60 de segundo viajará adelante y atrás

0,00233 cm/seg * (1/60) = 0,0000389 cm

Este cálculo simple es para una onda cuadrada. Para una senoidal deberíamos integrar la velocidad para determinar el ancho del viaje del electron.

Así que para una corriente típica alterna en una lámpara común, los electrones no "fluyen" realmente, sino que vibran hacia adelante y atrás mas o menos un cienmilésimo de centímetro.

El ancho de un Coulomb
Pensando en estas líneas noté algo interesante: en el cobre, un coulomb de electrones móviles tiene un cierto tamaño! Hay alrededor de 13.000 coulombs de electrones libres por centímetro cúbico de cobre.

8.5-10^+22 electrones/cm³ * 1,6*10^-19 coulomb/electron = 13600 coulomb/cm³

Entonces un coulomb formaría un cubo de aproximadamente 0.4 mm...

1/(13600cc^(1/3)) = 0.042 cm

Ahá! Un coulomb en el cobre tiene el tamaño de un grano de arena! Ahora podemos discutir la corriente electrica dentro de los cables como si fueran cm³ por segundo de fluído dentro de pequeñas mangueras. Si un amper es un coulomb por segundo, estamos REALMENTE diciendo que un amper es "un grano de arena de electrones, moviéndose cada segundo, apretujándose en diferentes grosores de cable". Así que para los grosores de cables normales en circuitos eléctricos, si enviamos un grano de arena por segundo (un amper) es un flujo muy lento. Los pequeños granos pasan: bip, bip, bip, uno por segundo. En un cable 16-gauge (16 AWG, aprox. 1,3 mm de diametro) los granos serán moldeados para llenar la sección, así que se parecerían a panqueques muy finos apilados uno tras otro. En un cable 30-gauge (30 AWG, aprox. 0,25 mm diámetro) los granos estarían casi sin distorsionar, y las cargas se moverían a unos 0,4 mm/seg durante una corriente de 1 amper.

Una cosa que no es exacta en los cálculos anteriores: la densidad de carga del cobre. Mi valor de Q asume que cada átomo de sobre dona un solo electron móvil. El email de la persona más abajo señala que esto podría no ser cierto. Por ejemplo, si sólo uno en 10 electrones conductores son móviles, mientras el resto está "compensado" e inmóvil, la velocidad de carga sería diez veces más grande que 8,4 cm/h

Un punto final. Los electrones en los metales no se mantienen quietos. Vibran constantemente incluso cuando la corriente es cero. Sin embargo este movimiento no es un flujo real, es más como una vibración. ¿Cómo deberíamos imaginarnos esta situación? Bueno, recordemos que podemos hablar de la velocidad del viento o del agua, aunque sus átomos tengan la misma vibración. Usualmente despreciamos esto cuando hablamos del viento. Podemos llamarlo "vibración térmica". Así mismo deberíamos tomarlo en los circuitos: la corriente eléctrica es como el viento, mientras que las vibraciones térmicas son estas vibraciones rápidas mencionadas. En el artículo me concentré en el lento "viento de electrones", ignorando las vibraciones térmicas de alta velocidad.

Manera de poder verlo:

Una forma de medir directamente la velocidad de cargas en un conductor. Conectar electrodos de metal a los extremos de un gran cristal de sal (NaCl), y luego calentarlo a 700ºC y aplicar alto voltaje a los electrodos. A esta temperatura la sal se vuelve conductiva, pero los electrones fluyendo a través de ella decoloran el cristal, y una ola de oscurecimiento se mueve a través del cristal claro. La velocidad de este movimiento lento puede ser medida (y si uno dobla la corriente, la velocidad se dobla también). La demostración aparece en

Physics Demonstration Experiments (two volumes)
H. F. Meiners, ed. Ronald Press Co 1970