Czy elektrony faktycznie płyną po przyłożeniu napięcia?

W książkach jest powiedziane, że obwód jest ścieżką zamkniętą i dlatego elektrony wracają do źródła. Jeśli tak jest, co by się stało, gdyby w obwodzie wystąpiło zwarcie doziemne? Jak elektrony powróciłyby do swojego źródła?

Czy elektrony faktycznie wychodzą z atomów, czy po prostu wibrują i przenoszą energię w ten sposób, gdy przykładamy napięcie?

Myślenie o prądzie w kategoriach poruszających się elektronów jest początkiem ścieżki do złego modelu mentalnego działania elektryczności. Oto kilka rzeczy, które są z tym nie tak:

• Elektrony są tylko jednym z wielu nośników ładunku. Każdy jon jest również nośnikiem ładunku.

• Równie ważne są protony, które równoważą elektrony. Gdybyście mieli tylko elektrony, wówczas wszystkie elektrony we wszechświecie byłyby od siebie odpychane i strzelałyby do wszechświata.

• Elektrony mają ładunek ujemny, a mylisz się bez żadnego powodu, myśląc o tym, jak przepływają od ujemnego do dodatniego. To wcale nie ma znaczenia.

• Elektrony cały czas roją się we wszystkich losowych kierunkach, a ich ruch pod wpływem prądu jest w porównaniu z tym niewielki.

Ważne jest to: nośniki ładunku (elektrony są jednym z nich) mogą być wykorzystane do przeniesienia siły elektromotorycznej (zwykle zwanej tylko napięciem). To naprawdę dość zwyczajna koncepcja. Możesz popchnąć jeden koniec pręta i przenieść siłę mechaniczną na drugi koniec pręta. Czy wędka się porusza, kiedy to robisz? Cóż, może, ale tutaj dzieją się dwie rzeczy:

1. siła jest przenoszona przez pręt, jako fale rozchodzące się z prędkością dźwięku w tym materiale
2. wtedy i tylko wtedy, gdy przenosimy moc, pręt porusza się, w większości przypadków, ze znacznie mniejszą prędkością

Różnica jest oczywista dla pręta, ale ponieważ nie widzimy ładunku elektrycznego, różnica nie jest oczywista.

Więc twoje pytanie brzmiało: czy elektrony faktycznie płyną, gdy przyłożone jest napięcie? Ściśle mówiąc, odpowiedź może być i zależy od tego, co rozumiesz przez przepływ . To podobne do pytania, czy lina porusza się, gdy ją ciągniesz? Cóż, jeśli jest przymocowany do balonu, może się dużo poruszać. Jeśli jest przymocowany do ceglanego muru, może się wcale nie ruszać.

Ruch nośników ładunku (takich jak elektrony) jest aktualny . Jeśli mamy prąd, to ruch netto przewoźników ładunków. Naprawdę roi się od nich tak samo, jak poszczególne cząsteczki wody roją się w rurze, nawet jeśli nie ma przepływu netto. Prąd opisuje średni ruch. W przypadku prądu stałego średni ruch jest w kole.

To, jak poszczególne nośniki ładunku oddziałują w tym celu, jest skomplikowane i jest to tak naprawdę pytanie fizyki, a nie pytanie elektroniki. Proponuję jednak sprawdzić ten samouczek MIT na temat pól .

Elektrony są fizycznie przenieść po przyłożeniu napięcia - bardzo powoli .

Obwód zasilony napięciem 100 VDC, zasilający obciążenie 1A (jak żarówka) przez drut miedziany o średnicy 2 mm, zobaczy elektrony poruszające się z prędkością:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

gdzie

• $8.5 \times 10^{22}$ )
• R jest promieniem drutu
• $1.6 \times 10^{-19}$

Działa to do 8,4 cm / godzinę . Niezupełnie szybko.

Najważniejsze jest to, że to energia przepływa przez obwód niemal natychmiast - a nie same elektrony. (Elektrony stanowią wygodną „autostradę”, umożliwiającą szybki przepływ energii.)

Szkoda, że ​​powolny dryf elektronów pod napięciem skończył się tak samo jak przepływ energii, który faktycznie działa w obwodzie.

Nie myl dogodnej abstrakcji z rzeczywistością fizyczną

• „Obwody” to abstrakcyjna koncepcja, która ma nam pomóc lepiej zrozumieć świat.
• elektrony są bytem fizycznym.

Uwaga na temat „zamkniętych” ścieżek

Obwody o zamkniętej ścieżce nie oznaczają powrotu elektronów do źródła. Ponadto, elektrony, które opuszczają źródło, niezwykle rzadko są tymi samymi elektronami, które wracają na drugi biegun źródła (wyjaśnienie prędkości znajduje się w odpowiedzi @ madmanguruman).

Analogie mechaniczne

To jest jak domino, które spadają. Fala energii rozchodzi się przez spadające domino, ale domina nie tłumaczą zbyt wiele.

Pamiętaj, że energia to ładunek elektronu razy siła przyłożona do niego (napięcie). To (w przeważającej części) siły poruszają się przez metalową sieć, a nie ładunki (elektrony).

Tak jak na tym zdjęciu:

Siły przenoszą się przez kule, ale kule pozostają w dużej mierze na swoim miejscu. W przeciwieństwie do kulek mechanicznych, które są zrównoważone grawitacją, z elektronami w metalowych drutach z ogniw galwanicznych (akumulatorów), następuje powolne ogólne przesunięcie elektronów (jak samochody utknięte w ruchu) na drugi koniec.

Dalsza lektura

Można rozważyć ten odpowiedź dałem do podobnej kwestii związanej z fizyki.

Mówimy tutaj o metalach. Zazwyczaj przedmiot metalowy nie składa się z cząsteczek. Składa się z atomów metali, wszystkie zgrupowane razem. Jest to pokazane na poniższym obrazku:

Czerwone kółka to elektrony. Jak widać, nie można tak naprawdę powiedzieć, do którego atomu elektron należy. Te elektrony tworzą połączenia między atomami - należą więc do dwóch atomów.

Teraz, gdy zaczyna płynąć prąd, elektrony te rzeczywiście się poruszają. Gdy płynie prąd, energia jest przenoszona. Ponieważ atomy nie mogą się łatwo poruszać, elektrony muszą się poruszać.

Możesz to również zobaczyć w jednostce Amper prądu: 1 amper to 1 kulomb na sekundę. Kulomb (C) to jednostka ładunku (Q). 1 amper oznacza, że ​​1 kulomb szarży mija określony punkt w ciągu 1 sekundy. Ładunek ten jest wytwarzany przez elektrony, które faktycznie przepływają od obiektu jeden do obiektu drugi.

Kiedy mówimy o prądzie stałym (na przykład normalnej aplikacji zasilanej bateryjnie), elektrony te nie powrócą do swojego źródła. Rozważ ten obwód:

Na początku istnieje różnica w ładunku między biegunem ujemnym i dodatnim: biegun ujemny ma nadwyżkę elektronów. To tworzy siłę (napięcie), a ponieważ istnieje związek między dwoma biegunami (drutem i żarówką), elektrony zaczynają płynąć. Elektrony przemieszczają się z bieguna ujemnego przez żarówkę do bieguna dodatniego, dopóki nie będzie już żadnej różnicy w ładunku (lub jest tak mała, że ​​nie spowoduje przepływu prądu).

Teraz możesz zobaczyć, że te elektrony nie wróciły do ​​źródła: rozpoczęły się na biegunie ujemnym, a zakończyły na biegunie dodatnim.

Nazywamy to zamkniętą ścieżką, ponieważ istnieje koło: prąd zaczyna się na akumulatorze, a kończy na akumulatorze. Istnieje zamieszanie, ponieważ bateria faktycznie składa się z dwóch obiektów: bieguna dodatniego i ujemnego.

Spójrz na ten obwód (który jest w zasadzie taki sam, ale z kondensatorem zamiast baterii i rezystorem zamiast żarówki):

Prąd płynie z prawej strony kondensatora (ujemnie naładowany, nadwyżka elektronów) przez rezystor do lewej strony kondensatora (dodatnio naładowany, niedobór elektronów). Tutaj płytki kondensatora są oddzielone, dzięki czemu można łatwo zobaczyć, że tak naprawdę nie jest to zamknięta ścieżka.

Nazywamy to po prostu ścieżką zamkniętą, ponieważ prąd zaczyna się i kończy na kondensatorze.

Ponieważ elektrony tak naprawdę nie muszą wracać do swojej bazy, możesz teraz zrozumieć, że elektrony również mogą wpływać na ziemię. To samo dzieje się z błyskawicą. Elektrony przepływają z chmur na ziemię (lub na odwrót, nie wiedziałbym), tylko po to, aby zneutralizować różnicę w ładunku.