Dlaczego elektrony nie są wypychane z przewodnika w obwodzie otwartym pod wpływem źródła zasilania?

Często prąd elektryczny jest porównywany z przepływem wody. Na przykład, jeśli zrobię dziurę w zbiorniku na wodę, woda będzie płynąć, aż ciśnienie w zbiorniku i atmosfera nie będą równe lub zbiornik się opróżni. Dlaczego tak się nie dzieje z elektrycznością?

Wyobrażasz sobie, że obwód otwarty wygląda tak:

Lepszą analogią byłoby:

Rury w obwodzie nie są otoczone wolną przestrzenią dla przepływu wody - są tunelowane przez skałę. Tam, gdzie nie ma rury, jest tylko kamień, a woda nie płynie.

Analogia wody jest bardzo ograniczona i nie modeluje sposobu, w jaki elektrony poruszają się w drucie. Zawsze należy go używać ostrożnie.

Elektrony dryfują bardzo powoli (około 1 m / godzinę), skacząc z atomu na atom. Wydaje się, że prąd przepływa natychmiast w pełnym obwodzie, ale nie będzie płynął w obwodzie niepełnym (brak pola elektrycznego do poruszania elektronami).

Wewnątrz drutu przewodnictwo jest wysokie (wiele „wolnych” elektronów błąka się losowo), a małe pole elektryczne (różnica napięć na każdym końcu drutu) może wytwarzać prąd. Poza drutem przewodność jest bardzo niska i nie ma pola elektrycznego, które mogłoby przezwyciężyć przyciąganie dodatnio naładowanych jonów metali w drucie, gdyby elektron opuścił powierzchnię drutu.

Z drugiej strony woda (cząsteczki) po prostu wypłynie z końca rury, ponieważ siła popychająca wodę na otwartym końcu (z powodu ciśnienia powietrza) jest mniejsza niż siła wypychająca wodę z systemu (ciśnienie powietrza + grawitacja + pompa?).

Woda może ulatniać się, ponieważ wewnątrz i na zewnątrz rury znajduje się zasadniczo to samo medium, a na cząsteczki działa ciśnienie (powietrze i pompa) oraz grawitacja (wewnątrz rury) i grawitacja (na zewnątrz rury).

Czy elektrony mogą uciec z drutu?

Tak.

Aby elektrony mogły wydostać się z „metalowego pojemnika”, musi być dostarczona wystarczająca energia do zerwania wiązań łączących je z jonami metali. Można tego dokonać za pomocą fotonów wysokoenergetycznych (patrz efekt fotoelektryczny i funkcja pracy) lub podgrzewając metal (emisja termionowa). Oczywiście, jeśli odbywa się to w powietrzu, elektrony nie mogą przedostać się zbyt daleko, zanim zostaną zaabsorbowane, więc należy to zrobić w próżni.

Jeśli pole elektryczne jest bardzo wysokie (jak w chmurach naładowanych), powstałą iskrą jest błyskawica.

Wykonanie otworu w zbiorniku wody, aby woda mogła się wydostać, jest tym samym, co zwarcie w elektronice. Zablokowanie rury wodnej jest tym samym, co otwarte połączenie obwodu.

Pamiętaj, że zbiornik na wodę jest „izolatorem przepływu wody” i jest taki sam jak zablokowana rura.

To wszystko kwestia wyrównania ciśnienia.

W przypadku wody nie wyrównuje się ciśnienie wody, lecz ciśnienie atmosferyczne działające na wodę. Powietrze przepycha wodę i wypycha ją z otworu, aż ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne zostaną wyrównane.

Podłącz przewód między dwoma biegunami akumulatora, a ciśnienie między dwoma biegunami może się wyrównać.

Wciśnij zatyczkę w otwór zbiornika, a woda nie będzie już mogła płynąć - różnica ciśnień między wnętrzem a zewnętrzem jest teraz ustalona. Dodaj bardzo wysoki opór między dwoma biegunami akumulatora, a prąd nie będzie już płynął (lub płynie bardzo wolno - zatyczka ma kroplówkę). Im wyższy opór, tym wolniejszy przepływ.

Powietrze ma typowy opór (według Wikipedii) około $1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

Woda i prąd nie działają w ten sam sposób. Czasami woda w rurach jest używana jako analogia do prądu w drutach, ale ta analogia załamuje się w przypadku, o który pytasz.

W rzeczywistości analogia jest nadal aktualna, jeśli pamiętasz, że powietrze nie przewodzi prądu, ale powietrze łatwo przepływa. Aby dokładność analogii przepływu wody była dokładniejsza, trzeba wyobrazić sobie wszystko oprócz wnętrza rur wykonanych z jakiegoś litego materiału. Wyobraź sobie na przykład, że powietrze jest twardą gumą, na przykład. Woda nie wypłynie z otwartej rury, ponieważ nigdzie nie może dotrzeć.

Poziomy energii

Ten efekt zazwyczaj tłumaczy się pojęciem poziomów energii . Materiały są podzielone na trzy grupy: izolatory, przewodniki i półprzewodniki.

Do przewodów ...

Z punktu widzenia poziomów energii (atomowej) dla przewodników nie ma przerwy energetycznej między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia . Następnie przy bardzo małej energii elektrony można wprawić w ruch.

Do izolatorów ....

W przypadku izolatora przerwa energetyczna między pasmami walencyjnym i przewodzącym jest znacznie większa, co oznacza, że ​​potrzeba dużo energii do zlokalizowania elektronu w paśmie przewodzącym.

Następnie w obwodzie otwartym ...

W obwodzie otwartym izolacja otaczająca przewodnik ma znacznie wyższy poziom energii niż te. W normalnych warunkach elektrony z izolowanego przewodnika nie mają wystarczającej energii, aby osiągnąć pasmo przewodzące izolatora.

Ale...

Jednakże, jeżeli energia przyłożona do przewodnika zostanie znacznie zwiększona, może osiągnąć skok do materiału izolacyjnego; ten efekt jest wyładowanie elektryczne lub pęknięcie dielektryka.

Elektrony są uwięzione w metalu ze względu na funkcję pracy tego metalu. Funkcja pracy jest miarą energii elektronu w metalu do jego energii w wolnej przestrzeni. (lub w próżni .. obecność powietrza jest tylko dodatkową komplikacją.) Elektrony w metalu są zawsze w niższym stanie energetycznym niż w stanie próżni. Jeśli wystarczająco silne pole elektryczne zostanie przyłożone do metalu, elektrony mogą przejąć funkcję roboczą i opuścić metal. (pomyśl o katodzie lampowej). Analogia wody jest dość łatwa. Woda jest w wiadrze lub koryta o wysokich bokach. (Ale lepiej myśleć tylko o prawdziwych elektronach.)

Każda różnica między liczbą elektronów w danym regionie a liczbą protonów w tym regionie spowoduje przyciąganie lub odpychanie pobliskich elektronów w razie potrzeby w celu wyrównania liczb. Jedynymi powodami, dla których elektrony chciałyby opuścić region byłyby albo to, że w regionie było zbyt wiele elektronów w stosunku do liczby elektronów, albo że w pobliskim regionie brakowało elektronów (w stosunku do protonów). „Idealny” jeden amperowy zasilacz przesunie jeden kulomb elektronów (to dość duże obciążenie kubełkowe) z jednego terminala na drugi co sekundę. Jeśli żadne elektrony nie opuszczą terminala, który odbiera wszystkie te elektrony z zasobów, elektrony nie będą tak długo przepełnione, że zaczną opuszczać, nawet jeśli oznaczałoby to miejsce, w którym „ ponowne przejście byłoby nieco przepełnione (ponieważ byłoby mniej przepełnione niż miejsce, z którego wyjeżdżają). Podobnie, jeśli żadne terminale nie wejdą do terminala, z którego źródło pobiera elektrony, jego niedobór elektronów szybko stanie się wystarczająco poważny, aby spowodować, że zacznie on chwytać elektrony z czegokolwiek w pobliżu, nawet jeśli spowodowałoby to niedobór elektronów w pobliżu (ponieważ byłoby to mniej tragiczne niż terminal, który chwyta elektrony).

Gdy elektrony opuszczą jeden terminal i wejdą na drugi, zmniejszy to pilność, z jaką terminale te będą musiały wydalić lub pozyskać elektrony. Zauważ, że w kategoriach względnych potrzeba niesamowitej małej nadwyżki lub niedoboru elektronów, aby wytworzyć zasadniczo nieodpartą siłę. Masa elektronów w przewodniku nie może być postrzegana jako nieściśliwa, ale jest bardzo bliska. W bardzo przybliżonych kategoriach względnych, jeśli typowy materiał miałby wartość elektronów w basenie, różnica między poważnym niedoborem a poważnym przeludnieniem byłaby mniejsza niż kropla.

Wyobraź to sobie:

W przypadku prądu rura sama się leczy. Grubość ścianki to odległość do najbliższego drugiego przewodu. Może wydawać się trochę dziwne myśleć o przemieszczaniu rzeczy przez masywną ścianę rury jak drut w powietrzu, ale jeśli zignorujesz tę część fizyki, analogia zadziała.

Jeśli „ściana” jest zbyt cienka, aby utrzymać ciśnienie, przebija się przez nią, co nazywamy łukiem. Działa to również w bardzo małych skalach, takich jak układ 5 V łukowaty wewnętrznie, gdy jest zasilany napięciem 12V.