La velocidad de la electricidad depende realmente de lo que se entienda por la palabra «electricidad». Esta palabra es muy general y básicamente significa «todo lo relacionado con la carga eléctrica». Asumiré que nos referimos a una corriente de carga eléctrica que viaja a través de un cable metálico, como por ejemplo a través del cable de alimentación de una lámpara. En el caso de las corrientes eléctricas que viajan a través de los cables metálicos, hay tres velocidades diferentes presentes, todas ellas físicamente significativas:

1. La velocidad individual de los electrones
2. La velocidad de deriva de los electrones
3. La velocidad de la señal

Para entender cada una de estas velocidades y por qué son todas diferentes y, sin embargo, físicamente significativas, tenemos que entender los fundamentos de las corrientes eléctricas. Las corrientes eléctricas en los hilos metálicos están formadas por electrones libres en movimiento. En el contexto de las corrientes eléctricas típicas en los hilos metálicos, los electrones libres pueden considerarse como pequeñas bolas que rebotan en la red de átomos fijos y pesados que forman el hilo metálico. Los electrones son realmente entidades cuánticas, pero la imagen cuántica más precisa no es necesaria en esta explicación. (Cuando se añaden los efectos cuánticos, la velocidad individual de los electrones se convierte en la «velocidad de Fermi»). Los electrones no libres, o electrones de valencia, están demasiado ligados a los átomos como para contribuir a la corriente eléctrica, por lo que pueden ser ignorados en esta imagen. Cada electrón libre del hilo metálico vuela constantemente en línea recta por su propio impulso, chocando con un átomo, cambiando de dirección a causa de la colisión, y continuando de nuevo en línea recta hasta la siguiente colisión. Si se deja un hilo metálico solo, los electrones libres de su interior vuelan constantemente y chocan con los átomos de forma aleatoria. Macroscópicamente, llamamos «calor» al movimiento aleatorio de las pequeñas partículas. La velocidad real de un electrón individual es la cantidad de nanómetros por segundo que un electrón recorre mientras va en línea recta entre colisiones. Un cable abandonado a sí mismo no transmite ninguna señal eléctrica, por lo que la velocidad individual de los electrones que se mueven al azar es sólo una descripción del calor en el cable y no de la corriente eléctrica.

Ahora, si conectas el cable a una batería, has aplicado un campo eléctrico externo al cable. El campo eléctrico apunta en una dirección a lo largo del cable. Los electrones libres en el cable sienten una fuerza de este campo eléctrico y se aceleran en la dirección del campo (en realidad, en la dirección opuesta, porque los electrones están cargados negativamente). Los electrones siguen chocando con los átomos, lo que hace que sigan rebotando en diferentes direcciones. Pero además de este movimiento térmico aleatorio, ahora tienen un movimiento neto ordenado en la dirección opuesta al campo eléctrico. La corriente eléctrica en el cable consiste en la parte ordenada del movimiento de los electrones, mientras que la parte aleatoria del movimiento sigue constituyendo sólo el calor en el cable. Por lo tanto, un campo eléctrico aplicado (como el de la conexión de una batería) hace que fluya una corriente eléctrica por el cable. La velocidad media a la que los electrones se mueven por un cable es lo que llamamos «velocidad de deriva».

Aunque los electrones, en promedio, se mueven por el cable a la velocidad de deriva, esto no significa que los efectos del movimiento de los electrones viajen a esta velocidad. Los electrones no son realmente bolas sólidas. No interactúan entre sí golpeando literalmente la superficie de los demás. Más bien, los electrones interactúan a través del campo electromagnético. Cuanto más se acercan dos electrones, más fuerte se repelen a través de sus campos electromagnéticos. Lo interesante es que cuando un electrón se mueve, su campo se mueve con él, de modo que el electrón puede empujar a otro electrón más lejos en el cable a través de su campo mucho antes de alcanzar físicamente el mismo lugar en el espacio que este electrón. Como resultado, los efectos electromagnéticos pueden viajar por un cable metálico mucho más rápido que cualquier electrón individual. Estos «efectos» son fluctuaciones en el campo electromagnético a medida que se acopla a los electrones y se propaga por el cable. Dado que la energía y la información son transportadas por las fluctuaciones del campo electromagnético, la energía y la información también viajan mucho más rápido por un cable eléctrico que cualquier electrón individual.

La velocidad a la que los efectos electromagnéticos viajan por un cable se denomina «velocidad de la señal», «velocidad de la onda» o «velocidad del grupo». Tenga en cuenta que algunos libros insinúan que la velocidad de la señal describe un efecto de onda puramente electromagnético. Esta insinuación puede ser engañosa. Si la señal que viaja por un cable eléctrico fuera una onda electromagnética aislada, entonces la señal viajaría a la velocidad de la luz en el vacío c. Pero no es así. Por el contrario, la señal que viaja por un cable eléctrico implica una interacción tanto de las fluctuaciones del campo electromagnético (la onda) como de los electrones. Por esta razón, la velocidad de la señal es mucho más rápida que la velocidad de deriva de los electrones, pero es más lenta que la velocidad de la luz en el vacío. Por lo general, la velocidad de la señal se aproxima a la velocidad de la luz en el vacío. Tenga en cuenta que la «velocidad de la señal» de la que se habla aquí describe la velocidad física de los efectos electromagnéticos que viajan por un cable. En cambio, los ingenieros suelen utilizar la expresión «velocidad de la señal» de forma no científica cuando en realidad quieren decir «tasa de bits». Aunque la tasa de bits de una señal digital que viaja por una red depende de la velocidad física de la señal en los cables, también depende de lo bien que los ordenadores de la red puedan enrutar las señales a través de la red.

Considere esta analogía. Una larga fila de personas espera para entrar en un restaurante. Cada persona se mueve nerviosamente en su lugar en la fila. La persona que se encuentra al final de la fila se impacienta y empuja a la persona que tiene delante. A su vez, cuando cada persona de la fila recibe un empujón de la persona que está detrás de ella, empuja a la persona que está delante. Por lo tanto, el empujón pasará de persona a persona, avanzando por la fila. El empujón llegará a las puertas del restaurante mucho antes de que la última persona de la fila llegue personalmente a las puertas. En esta analogía, las personas representan los electrones, sus brazos representan el campo electromagnético y el empujón representa una fluctuación u onda en el campo electromagnético. La velocidad a la que cada persona se mueve representa la velocidad individual de los electrones, la velocidad a la que cada persona avanza individualmente por la línea representa la velocidad de deriva de los electrones, y la velocidad a la que el empujón viaja por la línea representa la velocidad de la señal. Basándonos en esta sencilla analogía, esperaríamos que la velocidad de la señal fuera muy rápida, la velocidad individual fuera algo rápida y la velocidad de deriva fuera lenta. (Obsérvese que en física existe también otra velocidad relevante en este contexto llamada «velocidad de fase». La velocidad de fase es más una herramienta matemática que una realidad física, por lo que no creo que merezca la pena discutirla aquí).

La velocidad individual de los electrones en un hilo metálico suele ser de millones de kilómetros por hora. En cambio, la velocidad de deriva suele ser de sólo unos pocos metros por hora, mientras que la velocidad de la señal es de cien millones a un billón de kilómetros por hora. En general, la velocidad de la señal es algo cercano a la velocidad de la luz en el vacío, la velocidad individual de los electrones es unas 100 veces más lenta que la velocidad de la señal, y la velocidad de deriva de los electrones es tan lenta como la de un caracol.

Temas: velocidad de deriva, electricidad, electromagnetismo, electrón, velocidad de grupo, velocidad, onda, ondas