No, la corrente elettrica non viaggia alla velocità della luce

Un po’ perché non si muove nel vuoto, ma in un materiale. Un po’ perché quello che viene trasmesso alla velocità della luce è solo il campo elettrico. Facciamo chiarezza.

Capita spesso di chiedersi se la corrente elettrica viaggi alla velocità della luce. D’altronde quando accendiamo un interruttore in una stanza, la lampadina si accende quasi immediatamente. In realtà, non è corretto dire che la corrente elettrica viaggi a circa 300mila chilometri al secondo (il valore della velocità della luce nel vuoto). Non è la corrente elettrica a muoversi, ma il campo elettrico. Che, se ci pensate bene, non viaggia nel vuoto, ma in un materiale. In un cavo di rame, ad esempio, va a circa il 95% della velocità della luce nel vuoto. Un valore molto elevato, che per la nostra percezione umana sembra istantaneo.

La velocità di trasmissione del campo elettrico nel conduttore

Quella di cui abbiamo parlato, quindi, è la velocità di trasmissione del campo elettrico nel conduttore. Che non riguarda quella della corrente elettrica, cioè quella degli elettroni. Proviamo a capirci qualcosa in più usando i concetti dell’elettromagnetismo.

Gli elettroni che formano il legame tra gli ioni sono delocalizzati nel reticolo cristallino in cui viene aggregato il metallo (nel nostro caso il rame) in fase solida. Sono elettroni liberi di muoversi all’interno del metallo, mantenendo inalterata la forma del reticolo. Tutti insieme, questi elettroni costituiscono il cosiddetto Mare di Fermi, una sorta di gas di elettroni. In un metro cubo di rame ci sono circa 8,46×10²⁸ elettroni di valenza.

Gli atomi del metallo non stanno fermi, ma sono dotati di temperatura acquisita come energia vibrazionale. In questa danza caotica con gli elettroni, gli ioni del metallo e gli elettroni liberi che li urtano giungono ad un equilibrio termico. Conoscendo quindi la temperatura del metallo, ci è possibile stabilire la loro velocità di agitazione termica. Per il nostro filo di rame a circa 25° C, gli elettroni viaggerebbero ad una velocità di agitazione termica di circa 1,1646×10⁵ m/s. Ovvero circa 116,46 km/s di intensità.

La velocità reale della corrente elettrica

Quando ci si trova in presenza di un campo elettrico, quindi, gli elettroni subiscono una forza che li accelera nella direzione del campo. Questo meccanismo crea una componente della velocità orientata nella direzione di propagazione del campo, che si somma a quella caotica causata dall’agitazione termica. Si chiama velocità di deriva.

Il movimento degli elettroni, quindi, non è lineare, ma essi compiono un percorso a zig zag che avanza in piccola parte nella direzione della forza elettrica. Immaginate di avere un tubo di gomma pieno di palline d’acciaio. Se aggiungete una pallina ad un’estremità del tubo, un’altra verrà spinta fuori dalla parte opposta. La propagazione dell’impulso da una parte all’altra del tubo avviene entro un tempo minimo, ma ogni pallina in realtà ha percorso una distanza minima. Ecco, la stessa cosa avviene per il moto degli elettroni all’interno di un filo conduttore.

Quindi, per concludere: in un filo di rame di 2 millimetri di diametro, percorso da 1 ampere di corrente, la velocità di deriva è circa 2,35×10^-5 m/s, pari a 23,5 μm/s (micrometri al secondo). È questa la velocità degli elettroni della corrente elettrica, con la conseguenza che ogni elettrone si sposta di circa 8,46 cm ogni ora.

Riferimenti:

• https://it.wikipedia.org/wiki/Corrente_elettrica