Los circuitos y la velocidad de la luz

Supongamos que tuviéramos un circuito simple de una batería y una lámpara controlado por un interruptor. Cuando el interruptor está cerrado, la lámpara se enciende inmediatamente. Cuando se abre el interruptor, la lámpara se oscurece inmediatamente:(Figura siguiente)

La lámpara parece responder inmediatamente al cambio.

En realidad, una lámpara incandescente tarda poco tiempo en que su filamento se caliente y emita luz después de recibir una corriente eléctrica de magnitud suficiente para alimentarla, por lo que el efecto no es instantáneo. Sin embargo, me gustaría centrarme en la inmediatez de la corriente eléctrica en sí, no en el tiempo de respuesta del filamento de la lámpara.

Para todos los propósitos prácticos, el efecto de la acción del interruptor es instantáneo en la ubicación de la lámpara. Aunque los portadores de carga eléctrica se mueven a través de los cables muy lentamente, el efecto general de los portadores de carga eléctrica que se empujan entre sí ocurre a la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000 kilómetros por segundo !).

Sin embargo, ¿qué pasaría si los cables que llevan la energía a la lámpara tuvieran 300.000 kilómetros de largo? Como sabemos que una señal eléctrica tiene una velocidad finita (aunque muy rápida), un conjunto de cables muy largos debería introducir un retardo de tiempo en el circuito, retrasando la acción del interruptor en la lámpara:(Figura siguiente)

A la velocidad de la luz, la lámpara responde después de 1 segundo.

Suponiendo que no haya tiempo de calentamiento para el filamento de la lámpara y que no haya resistencia a lo largo de las 372,000 millas de longitud de ambos cables, la lámpara se encendería aproximadamente un segundo después del cierre del interruptor.

Aunque la construcción y operación de cables superconductores de 372,000 millas de longitud plantearía enormes problemas prácticos, es teóricamente posible, por lo que este "experimento mental" es válido. Cuando el interruptor se abre de nuevo, la lámpara continuará recibiendo energía durante un segundo después de que se abra el interruptor, luego se desactivará.

Una forma de concebir esto es imaginar los portadores de carga eléctrica dentro de un conductor como vagones de un tren:unidos entre sí con una pequeña cantidad de "holgura" o "juego" en los acoplamientos. Cuando un vagón de ferrocarril (un transportador de carga eléctrica) comienza a moverse, empuja al que está delante y tira del que está detrás, pero no antes de que se alivie la holgura de los acoplamientos.

Por lo tanto, el movimiento se transfiere de un automóvil a otro (de un portador de carga eléctrica a otro) a una velocidad máxima limitada por la holgura del acoplamiento, lo que resulta en una transferencia de movimiento mucho más rápida desde el extremo izquierdo del tren (circuito) al extremo derecho. que la velocidad real de los automóviles (portadores de carga eléctrica):(Figura siguiente)

El movimiento se transmite sucesivamente de un automóvil a otro.

Otra analogía, quizás más adecuada para el tema de las líneas de transmisión, es la de las olas en el agua. Suponga que un objeto plano con forma de pared se mueve repentinamente horizontalmente a lo largo de la superficie del agua para producir una ola delante de él.

La ola viajará cuando las moléculas de agua chocan entre sí, transfiriendo el movimiento de las olas a lo largo de la superficie del agua mucho más rápido de lo que las moléculas de agua en realidad viajan:(Figura siguiente)

Movimiento de ondas en el agua.

Del mismo modo, el "acoplamiento" de movimiento de los portadores de carga eléctrica viaja aproximadamente a la velocidad de la luz, aunque los portadores de carga eléctrica en sí no se mueven tan rápido. En un circuito muy largo, esta velocidad de "acoplamiento" se volvería perceptible para un observador humano en forma de un breve retraso entre la acción del interruptor y la acción de la lámpara.

REVISAR:

• En un circuito eléctrico, el "acoplamiento" de movimiento de los portadores de carga eléctrica viaja aproximadamente a la velocidad de la luz, aunque los portadores de carga eléctrica dentro de los conductores no viajan cerca de esa velocidad.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de impedancia característica