La velocidad de deriva, como su nombre indica, se refiere al movimiento lento de los electrones en el conductor cuando se introduce una fuerza electromotriz (fem). Los electrones no se mueven en línea recta en el conductor, sino que se mueven aleatoriamente en el conductor chocando con los demás electrones y átomos intercambiando energía, este intercambio de energía avanza en dirección opuesta a la corriente e hizo posible el flujo de electricidad.
¿Qué es la Velocidad de Deriva?
Las partículas subatómicas, como los electrones, se mueven en direcciones aleatorias todo el tiempo. Cuando los electrones están sometidos a un campo eléctrico, se mueven aleatoriamente, pero se desplazan lentamente en una dirección, en la dirección del campo eléctrico aplicado. La velocidad neta a la que se desplazan estos electrones se conoce como velocidad de deriva.
La velocidad de deriva puede definirse como: «La velocidad media con la que los electrones libres se desvían hacia el extremo positivo del conductor bajo la influencia de un campo eléctrico externo».
La unidad SI de la velocidad de deriva es m/s. También se mide en m2/(V.s).
Velocidad neta de los electrones
El movimiento aleatorio de los electrones libres que se mueven en el conductor también puede utilizarse para comprender la velocidad de deriva. Los electrones continúan moviéndose aleatoriamente como resultado de este campo, pero su movimiento aleatorio los desplazará hacia un potencial más alto. Esto indica que los electrones se desplazan hacia el extremo de mayor potencial del conductor. Como resultado, cada electrón tendrá una velocidad neta hacia el extremo del conductor. La corriente de deriva es la corriente generada por el movimiento de los electrones dentro de un conductor.
Debido a las colisiones con otras partículas en el conductor, las partículas cargadas que se mueven en un conductor no lo hacen en línea recta. En consecuencia, se considera la velocidad media de las partículas en el conductor. Esto se denomina velocidad de deriva.
- La velocidad de deriva de los electrones es del orden de 10-4 ms-1.
- El campo eléctrico externo aplicado a la configuración del conductor es si V es la diferencia de potencial aplicada a través de los extremos del conductor de longitud l.
E = Diferencia de potencial / Longitud
E = V / l
Velocidad de Deriva Fórmula
Podemos utilizar la siguiente fórmula para calcular la velocidad de deriva:
v = I/nAq
Donde:
- v es la velocidad de deriva de los electrones.
- I es la corriente que circula por el conductor medido en amperios.
- A es el área de la sección transversal del conductor medida en m2.
- q es la carga de un electrón medida en culombios.
- n es el número de electrones.
Ejemplo:
Consideremos una corriente de 3A que circula por un conductor de cobre con una sección transversal de 1mm2 (1×10-6m2)
Sabemos que para el cobre, n = 8.5 x 1028 por m3
Así que según la fórmula tenemos,
v = 3 / 8.5×1028 x 1×10-6 x 1.6×10-19
Donde, q = 1.6 x 10-19C
Por lo tanto,
v = 2.205882 x 10-4 ms-1
Si se aumenta la intensidad del campo eléctrico, los electrones se aceleran más rápidamente hacia la dirección positiva, opuesta a la dirección del campo eléctrico aplicado.
Movilidad de un electrón
La velocidad de deriva de un electrón para un campo eléctrico unitario se conoce como movilidad del electrón.
La movilidad de un electrón se puede calcular mediante:
μ = Vd / E
Relación entre Velocidad de Deriva y Corriente Eléctrica
La movilidad es siempre una cantidad positiva y depende de la naturaleza del portador de carga, la velocidad de deriva de un electrón es muy pequeña, generalmente en términos de 10-3ms-1. Por lo tanto, a esta velocidad, los electrones tardarán aproximadamente 17 minutos en atravesar un conductor de 1 metro. Por lo tanto, a esta velocidad, los electrones tardan aproximadamente 17 minutos en atravesar un conductor de 1 metro. Pero, sorprendentemente, podemos encender los aparatos electrónicos de nuestra casa a la velocidad del rayo con sólo pulsar un interruptor. Esto se debe a que la corriente eléctrica no se establece con la velocidad de deriva, sino con la velocidad de la luz.
En cuanto se establece el campo eléctrico, la corriente empieza a circular por el interior del conductor a la velocidad de la luz y no a la velocidad a la que se desplazan los electrones, por lo que hay un pequeño retardo insignificante entre una entrada y una salida en el encendido de una bombilla eléctrica.
Relación entre Velocidad de Deriva y Densidad de Corriente
La densidad de corriente se define como la cantidad total de corriente que pasa por unidad de tiempo por unidad de superficie de la sección transversal del conductor. A partir de la fórmula de la velocidad de deriva, la corriente viene dada por:
I = nAvQ
Por lo tanto, la densidad de corriente J cuando se da el área de la sección transversal y la velocidad de deriva se puede calcular como:
J= I/A =nvQ
Donde:
- v es la velocidad de deriva de los electrones.
- J es la densidad de corriente medida en amperios por metro cuadrado.
Así, a partir de la fórmula, se puede decir que la velocidad de deriva de los electrones de un conductor y su densidad de corriente son directamente proporcionales entre sí. A medida que la velocidad de deriva aumenta con el aumento de la intensidad del campo eléctrico, la corriente que fluye por el área de la sección transversal también aumenta.
Relación entre Velocidad de Deriva y Tiempo de Relajación
En un conductor, los electrones se mueven aleatoriamente como moléculas de gas. Durante este movimiento, chocan entre sí. El tiempo de relajación del electrón es el tiempo que necesita el electrón para volver a su valor de equilibrio inicial después de la colisión. Este tiempo de relajación es directamente proporcional a la intensidad del campo eléctrico externo aplicado. Cuanto mayor sea el tiempo del campo eléctrico, mayor será el tiempo que necesiten los electrones para volver a su equilibrio inicial después de retirar el campo.
El tiempo de relajación también se define como el tiempo durante el cual el electrón puede moverse libremente entre colisiones sucesivas con otros iones.
Cuando la fuerza debida al campo eléctrico aplicado es eE, entonces V puede darse como:
V = (eE/m)T
donde T es el tiempo de relajación de los electrones.
Preguntas Frecuentes
La velocidad es el ritmo al que los cuerpos cambian de posición respecto a un sistema de referencia (velocidad de cambio de posición). La velocidad puede describirse como el par de la velocidad y la dirección de propagación de un cuerpo.
Es la velocidad media adquirida por una partícula cargada (como un electrón o un protón) en el cuerpo debido a un campo eléctrico. Normalmente, un electrón dentro de un conductor se mueve arbitrariamente a la velocidad de Fermi, generando una velocidad media nula.
La movilidad de los electrones se expresa generalmente como velocidad de deriva por unidad de campo eléctrico.
La velocidad de deriva es directamente proporcional a la corriente.
Cuando se ejerce un campo eléctrico sobre un conductor, los electrones saltan hacia el terminal de alto potencial del hilo dado.
A menos que se ofrezca un campo eléctrico al conductor, los electrones internos se mueven a velocidades y direcciones arbitrarias.
La corriente que se mueve dentro de un conductor es directamente proporcional a la velocidad de deriva de los electrones.