Quando você aciona o interruptor da lâmpada da sua sala, tudo se acende quase que instantaneamente. No século XIX, as equações de James Clerk Maxwell mostram que os fenômenos elétricos e magnéticos estão unidos num único conjunto de leis, o eletromagnetismo. Mas a eletricidade também é o movimento dos elétrons em um material condutor, e é impossível qualquer partícula com massa se deslocar na velocidade da luz.
Afinal, qual é a velocidade da eletricidade?
Vamos separar algumas coisas…
Quando falamos em eletricidade, existem dois mecanismos que precisamos ter em mente: o movimento dos elétrons em um material condutor, como um fio de cobre, e o campo elétrico.
Quando uma tensão — ou diferença de potencial (DDP), conhecida como “voltagem” na linguagem popular — é aplicada em um fio por meio de uma bateria, um lado do material fica carregado positivamente, atraindo os elétrons negativamente carregados. Quanto maior for a diferença de potencial, maior será a velocidade de deslocamento da carga elétrica. Quando os elétrons se movem através do fio, encontram resistência nos átomos do material, fenômeno denominado resistência elétrica, levando ao aquecimento do fio.
O fato é: os elétrons se movem muito lentamente. A velocidade de deriva dos elétrons é de apenas alguns milímetros por segundo. Essa velocidade ($v_d$) pode ser calculada:
$$v_d = \frac{I}{nqA}$$
onde $I$ é a corrente elétrica em ampéres; $n$ a densidade de elétrons livres por metro cúbico; $q$ é a carga do elétron (sempre $1,6 \times 10^{-19}$ coulombs); e $A$ é a área da seção transversal do condutor, em metros quadrados.
Vamos a uma prova disso!
Imagine 1 ampère de corrente ($I = 1 \mathrm{C/s}$) passando por um fio de cobre de 2 mm de diâmetro, ou seja, 1 mm de raio ($A = \pi \times (0,001)^2 = 3,14 \times 10^{-6}\mathrm{m^2}$). O cobre tem 1 elétron livre por átomo, e usando a densidade, o peso atômico e a constante de Avogadro, temos que o cobre tem $8,5 \times 10^{28}$ elétrons livres por metro cúbico.
Agora é só substituir tudo:
$$v_d = \frac{I}{nqA}$$
$$v_d = \frac{1}{(8,5 \times 10^{28})(1,6 \times 10^{-19})(3,14 \times 10^{-6})}$$
$$v_d = 2,3 \times 10^{-5} \mathrm{m/s}$$
Em um fio de cobre de 2 mm passando 1 A de corrente, os elétrons se movem a apenas 0,023 milímetros por segundo. Portanto, a velocidade dos elétrons em um fio é muito, mas muito lenta.
Mas, então, como a luz se acende instantaneamente?
Velocidade do sinal elétrico
Os efeitos eletromagnéticos viajam muito mais rápido do que elétrons individuais em um fio. Isso ocorre porque os elétrons interagem por meio de seus campos eletromagnéticos, permitindo que informações e energia se propaguem rapidamente. A velocidade com que os efeitos eletromagnéticos se propagam em um fio é chamada de velocidade do sinal elétrico.
A velocidade do sinal se refere à velocidade da onda eletromagnética. No entanto, essa onda não viaja no vácuo. Em vez disso, o sinal é uma onda eletromagnética guiada ao longo do condutor, com os campos concentrados principalmente no espaço ao redor do fio, e os elétrons apenas respondem localmente ao campo.
Essa onda não viaja na velocidade da luz porque o fio e o meio dielétrico (o ar, o isolante plástico) ao redor modificam a permissividade e a permeabilidade efetivas, reduzindo sua velocidade. Por causa disso, a velocidade do sinal é muito maior do que a velocidade de deriva dos elétrons, quase instantânea aos olhos humanos, mas ainda assim menor do que a velocidade da luz no vácuo.
Vamos para uma analogia que gosto de usar nas minhas aulas.
Imagine uma longa fila de pessoas esperando para entrar em um estádio para assistir a um show. A pessoa no final da fila começa a ficar impaciente e empurra a pessoa à sua frente. Por sua vez, a pessoa à sua frente empurra a pessoa à sua frente, e assim por diante. O empurrão continuará avançando pela fila, chegando até as portas do estádio muito antes da última pessoa da fila chegar lá.
Nessa analogia, as pessoas representam elétrons, seus braços representam o campo eletromagnético e o empurrão representa uma onda no campo eletromagnético. A velocidade com que cada pessoa se mexe representa a velocidade individual do elétron, a velocidade com que cada pessoa se move pela fila representa a velocidade de deriva dos elétrons e a velocidade com que o empurrão viaja pela fila representa a velocidade do sinal.
Em essência: o que viaja quase na velocidade da luz e faz uma lâmpada acender quase instantaneamente não são os elétrons em si, mas sim a onda eletromagnética que se propaga através do dielétrico ao redor, com velocidade determinada pelas propriedades do meio. A energia se propaga principalmente no campo ao redor do fio, guiada por ele.
