Categoria: Física Publicada: 19 de Fevereiro de 2014
A velocidade da electricidade depende realmente do que se quer dizer com a palavra “electricidade”. Esta palavra é muito geral e significa basicamente, “todas as coisas relacionadas com a carga eléctrica”. Vou assumir que estamos a referir-nos a uma corrente de carga eléctrica que viaja através de um fio metálico, tal como através do cabo de alimentação de uma lâmpada. No caso de correntes eléctricas que viajam através de fios metálicos, existem três velocidades diferentes, todas elas fisicamente significativas:
- A velocidade individual dos electrões
- A velocidade de deriva dos electrões
- A velocidade do sinal
A fim de compreender cada uma destas velocidades e o porquê de serem todas diferentes e, no entanto, fisicamente significativas, precisamos de compreender as noções básicas de correntes eléctricas. As correntes eléctricas em fios metálicos são formadas por electrões livres que se estão a mover. No contexto de correntes eléctricas típicas em fios de metal, os electrões livres podem ser pensados como pequenas bolas a saltar na rede de átomos fixos e pesados que compõem o fio metálico. Os electrões são realmente entidades quânticas, mas a imagem quântica mais precisa não é necessária nesta explicação. (Quando se adicionam efeitos quânticos, a velocidade individual dos electrões torna-se a “velocidade Fermi”). Os electrões não livres, ou electrões de valência, estão demasiado ligados aos átomos para contribuírem para a corrente eléctrica e, por isso, podem ser ignorados nesta imagem. Cada electrão livre no fio metálico está constantemente a voar em linha recta sob o seu próprio impulso, colidindo com um átomo, mudando de direcção devido à colisão, e continuando novamente em linha recta até à colisão seguinte. Se um fio metálico for deixado a si próprio, os electrões livres no interior voam constantemente em redor e colidem em átomos de uma forma aleatória. Macroscopicamente, chamamos “calor” ao movimento aleatório de pequenas partículas. A velocidade real de um electrão individual é a quantidade de nanómetros por segundo que um electrão percorre enquanto vai numa linha recta entre colisões. Um fio deixado a si próprio não transporta qualquer sinal eléctrico, pelo que a velocidade individual dos electrões em movimento aleatório é apenas uma descrição do calor no fio e não da corrente eléctrica.
Agora, se ligar o fio a uma bateria, terá aplicado um campo eléctrico externo ao fio. O campo eléctrico aponta numa direcção para baixo no comprimento do fio. Os electrões livres no fio sentem uma força deste campo eléctrico e aceleram na direcção do campo (na direcção oposta, na verdade, porque os electrões estão carregados negativamente). Os electrões continuam a colidir com os átomos, o que ainda os faz saltar em diferentes direcções. Mas para além deste movimento térmico aleatório, eles têm agora um movimento de rede ordenado na direcção oposta à do campo eléctrico. A corrente eléctrica no fio consiste na porção ordenada do movimento dos electrões, enquanto que a porção aleatória do movimento ainda apenas constitui o calor no fio. Um campo eléctrico aplicado (tal como o da ligação de uma bateria) faz com que uma corrente eléctrica desça pelo fio. A velocidade média a que os electrões descem um fio é o que chamamos de “velocidade de deriva”.
P>Even embora os electrões estejam, em média, a descer o fio à velocidade de deriva, isto não significa que os efeitos do movimento dos electrões viajam a essa velocidade. Os electrões não são realmente bolas sólidas. Não interagem uns com os outros, batendo literalmente nas superfícies uns dos outros. Pelo contrário, os electrões interagem através do campo electromagnético. Quanto mais próximos dois electrões se aproximam um do outro, mais fortes se repelem mutuamente através dos seus campos electromagnéticos. O interessante é que quando um electrão se move, o seu campo move-se com ele, para que o electrão possa empurrar outro electrão muito antes de atingir fisicamente o mesmo local no espaço que este electrão. Como resultado, os efeitos electromagnéticos podem viajar por um fio metálico muito mais rapidamente do que qualquer electrão individual. Estes “efeitos” são flutuações no campo electromagnético à medida que este se une aos electrões e se propaga pelo fio. Uma vez que a energia e a informação são transportadas por flutuações no campo electromagnético, a energia e a informação também viajam muito mais rapidamente por um fio eléctrico do que qualquer electrão individual.
A velocidade a que os efeitos electromagnéticos viajam por um fio é chamada “velocidade do sinal”, “a velocidade da onda”, ou “a velocidade do grupo”. Note-se que alguns livros insinuam que a velocidade do sinal descreve um efeito de onda puramente electromagnética. Esta insinuação pode ser enganadora. Se o sinal que viaja por um cabo eléctrico fosse uma onda electromagnética isolada, então o sinal viajaria à velocidade da luz no vácuo c. Mas não o faz. Pelo contrário, o sinal que viaja por um cabo eléctrico envolve uma interacção tanto das flutuações do campo electromagnético (a onda) como dos electrões. Por este motivo, a velocidade do sinal é muito mais rápida do que a velocidade de deriva dos electrões, mas é mais lenta do que a velocidade da luz no vácuo. Geralmente, a velocidade do sinal é um pouco próxima da velocidade da luz no vácuo. Note-se que a “velocidade do sinal” aqui discutida descreve a velocidade física dos efeitos electromagnéticos que se deslocam por um fio. Em contraste, os engenheiros usam frequentemente a frase “velocidade do sinal” de uma forma não científica quando significam realmente “taxa de bits”. Embora a taxa de bits de um sinal digital que viaja através de uma rede dependa da velocidade física do sinal nos fios, também depende de quão bem os computadores da rede podem encaminhar os sinais através da rede.
Considerar esta analogia. Uma longa fila de pessoas está à espera de entrar num restaurante. Cada pessoa esquece-se nervosamente no seu lugar na fila. A pessoa no fim da fila fica impaciente e empurra a pessoa para a sua frente. Por sua vez, quando cada pessoa na fila recebe um empurrão da pessoa atrás dele, empurra a pessoa à sua frente. O empurrão será portanto passado de pessoa para pessoa, para a frente através da linha. O empurrão chegará às portas do restaurante muito antes da última pessoa na fila chegar pessoalmente às portas. Nesta analogia, as pessoas representam os electrões, os seus braços representam o campo electromagnético, e o empurrão representa uma flutuação ou onda no campo electromagnético. A velocidade a que cada pessoa se esquece representa a velocidade individual dos electrões, a velocidade a que cada pessoa progride individualmente através da linha representa a velocidade de deriva dos electrões, e a velocidade a que o empurrão percorre a linha representa a velocidade do sinal. Com base nesta analogia simples, seria de esperar que a velocidade do sinal fosse muito rápida, que a velocidade individual fosse algo rápida, e que a velocidade de deriva fosse lenta. (Note-se que na física existe também outra velocidade relevante neste contexto chamada “velocidade de fase”. A velocidade de fase é mais uma ferramenta matemática do que uma realidade física, por isso não creio que valha a pena discutir aqui).
A velocidade individual dos electrões num fio metálico é tipicamente de milhões de quilómetros por hora. Em contraste, a velocidade de deriva é tipicamente de apenas alguns metros por hora enquanto a velocidade do sinal é de cem milhões a um trilião de quilómetros por hora. Em geral, a velocidade do sinal é algo próxima da velocidade da luz no vácuo, a velocidade individual do electrão é cerca de 100 vezes mais lenta do que a velocidade do sinal, e a velocidade de deriva do electrão é tão lenta como um caracol.
Tópicos: velocidade de deriva, electricidade, electromagnetismo, electrão, velocidade do grupo, velocidade, onda, ondas