A che velocità scorre la corrente elettrica?

“La velocità della Luce! Semplice no?!“

Sì, lo so che starete pensando: “essendo la corrente elettrica un fenomeno elettromagnetico, viaggerà alla velocità della luce; ed infatti, quando accendiamo la luce in un stanza, la lampadina si accende quasi istantaneamente“. Sicuramente tutti in prima impressione abbiamo pensato proprio questo, ma non è corretto, non è la corrente elettrica a muoversi alla velocità della luce.

Cosa viaggia alla Velocità della Luce

Quando chiudiamo un circuito pigiando un interruttore (aka: accendiamo la luce), quello che viene trasmesso alla velocità della luce è il campo elettrico. Non parliamo dei quasi  299 792 458 m/s nel vuoto, ma della velocità della luce nel materiale.
Ad esempio in un filo di Rame, è circa il 95% di quella nel vuoto, che è comunque molto elevata, ed alla nostra umana percezione sembra istantanea. Ho preso come esempio una lampadina, ma questo vale per qualsiasi circuito elettrico. Quindi mistero risolto?
Beh non proprio, abbiamo parlato della velocità di trasmissione del campo elettrico nel conduttore, ma non della corrente elettrica: la corrente di elettroni. Proviamo a descriverla usando l’elettromagnetismo classico, ricordandoci che questa descrizione si applica coerentemente nel caso della corrente continua, mentre nel caso della corrente alternata, la corrente non ha una velocità costante ma segue una legge sinusoidale.

C’è un Gas di Elettroni nei Metalli

Diamo un primo sguardo alla struttura del conduttore metallico.
Gli elettroni che formano il legame fra i vari ioni sono delocalizzati nel reticolo cristallino in cui è aggregato il metallo in fase solida. Sono chiamati elettroni di valenza e sono liberi di muoversi all’interno del metallo mantenendo inalterata la forma del reticolo cristallino. Insieme costituiscono il cosiddetto Mare di Fermi. Infatti, questo tipo di legame viene chiamato propriamente legame metallico, perché caratteristico di tutti i metalli e delle loro proprietà fisiche e chimiche. A causa della natura di questo legame, e dell’enorme quantità di elettroni di valenza contenuti in un determinato volume di materiale, il Mare di Fermi può essere descritto come un gas di elettroni. In un metro cubo di rame, che ha celle elementari di forma cubica, in condizioni ambientali standard, considerando che ogni atomo metta in comune un elettrone, dovrebbero esserci circa 8,46*10²⁸ elettroni di valenza.

Termodinamica Interessante

Gli atomi del metallo non sono oggetti immobili, infatti sono dotati di una temperatura, che, anche a causa dei vincoli imposti dai legami con gli atomi vicini, è acquisita come energia vibrazionale. Gli elettroni liberi di muoversi in questo modello di gas hanno invece una velocità di agitazione termica, come le molecole di un gas. In questa danza caotica, gli ioni del metallo e gli elettroni liberi che li urtano, giungono ad un equilibrio termico. Quindi conoscendo la temperatura del metallo, è possibile stabilire in prima approssimazione la loro velocità media di agitazione termica.
Per del 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, ma in qualsiasi direzione! Dunque la corrente elettrica totale è prossima allo zero.

La Velocità della Corrente Elettrica

In presenza di un campo elettrico, gli elettroni subiscono una forza che li accelera nella direzione del campo, e ciò fa comparire una componente della velocità orientata nella direzione di propagazione del campo, che si somma a quella caotica dovuta all’agitazione termica. Questa velocità viene chiamata Velocità di Deriva.
Il moto complessivo degli elettroni quindi non è lineare in direzione della forza elettrica, ma compiono un percorso a “zig zag” che avanza anche in piccola parte nella direzione della forza elettrica.
Quindi, nelle condizioni prima citate, un filo di rame del diametro di 2mm percorso da 1 A di corrente, la velocità di deriva è circa 2,35*10^-5 m/s, pari a 23,5 μm/s. Questa è la velocità degli elettroni di una corrente elettrica! Facendo sì che un elettrone si sposti di circa 8,46 cm ogni ora!

Effetti della Corrente Elettrica

Dunque la corrente elettrica nei conduttori metallici (a temperatura ambiente) è veramente molto lenta, e la sua intensità è dovuta al gran quantitativo di cariche elettriche che si muovono nel conduttore quando sottoposte ad una differenza di potenziale del campo elettrico. Infatti l’intensità di corrente elettrica è misurata in Ampere, indice di quanta carica passa al secondo attraverso una “sezione” perpendicolare alla velocità, similmente ad una portata in massa di fluido, ciò può variare linearmente attraverso due parametri: può variare il numero di cariche che passano al secondo, oppure può variare la velocità con cui esse scorrono. Ciò ha anche importanti ripercussioni sui campi magnetici che generano e vi consiglio questo approfondimento a riguardo

Una diretta conseguenza di questo moto caotico di elettroni è l’Effetto Joule, dato che gli elettroni, ad ogni “urto” con gli ioni a cui cedono parte della loro energia riscaldano di conseguenza il metallo.

Qui di seguito è riassunto nel dettaglio il calcolo (potrebbe non essere visibile per dispositivi mobili):

[EDIT: Articolo modificato in dì 15-03-2021]