Det står i bøger, at et kredsløb er en lukket sti, og dermed kommer elektroner tilbage til kilden. Hvis det er tilfældet, hvad ville ske, når der var en jordfejl i et kredsløb? Hvordan ville elektronerne vende tilbage til deres kilde?
Bevæger elektronerne sig faktisk ud af deres atomer, eller vibrerer de bare og overfører energien på den måde, når vi tilfører en spænding?
Kommentarer
- Jeg diskuterede mere i mit svar, men kredsløb er et abstrakt begreb. ” elektroner vender tilbage til kilden ” abstrakt betyder, at de skal nå referencepotentialet. For eksempel et jordet batteri og jorden: mobilopladningerne kan nå jorden eller batteriet negativt, men fordi de har samme potentiale, er de effektivt forbundet.
- Når der er en jordfejl, elektroner bevæger sig gennem jordfejlen, gennem en jordforbindelse, tilbage til kilden. Hvis der ikke var nogen jordforbindelse, ville der ikke være nogen strøm, selv med en jordfejl. Et fuldt isoleret kredsløb ville være mere sikkert, men det er et andet spørgsmål.
- Relateret: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
- Relateret: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Svar
At tænke på strøm i form af elektroner, der bevæger sig rundt, er start ned ad en sti til en dårlig mental model for, hvordan elektricitet fungerer. Her er blot et par ting galt med det:
-
Elektroner er kun en af mange ladebærere. Enhver ion er også en ladningsbærer.
-
Protonerne, der afbalancerer elektronerne, er lige så vigtige. Hvis du lige havde elektroner, ville alle elektroner i universet blive frastødt fra hinanden og skyde ud i universet.
-
Elektroner har negativ ladning, og du vil forvirre dig selv uden nogen som helst god grund tænker på, hvordan de flyder fra negativ til positiv. Det betyder faktisk ikke noget overhovedet.
-
Elektroner sværmer faktisk rundt i alle tilfældige retninger hele tiden, og deres bevægelse på grund af strøm er minus i sammenligning.
Det vigtige er dette: ladningsbærere (elektroner er en af sådanne) kan bruges til at transmittere en elektromotorisk kraft (kaldes normalt bare spænding). Dette er virkelig et ret almindeligt koncept. Du kan skubbe den ene ende af en stang og overføre en mekanisk kraft til den anden ende af stangen. Bevæger stangen sig, hvornår gør du det? måske, men der sker to ting her:
- kraft transmitteres gennem stangen, som bølger, der spredes med lydens hastighed i det materiale
- hvis og kun hvis vi transmitterer også kraft, stangen bevæger sig, i de fleste tilfælde med en meget langsommere hastighed
Forskellen er åbenbar for en stang, men da vi ikke kan se elektrisk ladning, er forskellen ikke tydelig .
Så dit spørgsmål var: Strømmer elektroner faktisk med når der anvendes en spænding? Strengt taget er svaret måske og det afhænger af, hvad du mener med flow . Det ligner spørgsmålet, bevæger et reb sig, når du trækker det? Nå, hvis det er knyttet til en ballon, kan det bevæge sig meget. Hvis den er fastgjort til en mur, bevæger den muligvis slet ikke.
Opladningsbærernes bevægelse (som elektroner) er strøm . Hvis vi har en strøm, så der er en nettobevægelse af ladningsbærere. Virkelig sværmer de overalt, ligesom de enkelte vandmolekyler sværmer rundt i et rør, selvom der ikke er nogen netstrøm. Strømmen beskriver den gennemsnitlige bevægelse. I tilfælde af jævnstrøm er den gennemsnitlige bevægelse i en cirkel.
Hvordan de enkelte ladningsbærere interagerer for at opnå dette er kompliceret, og det er virkelig et fysikspørgsmål, ikke et elektronikspørgsmål. Jeg vil foreslå, at du tjekker denne MIT-vejledning om felter .
Kommentarer
- Men afaik vil en flok elektroner flyve fra hinanden og ikke kæle sammen i en kugle.
- @WoutervanOoijen ja, jeg tror du har ret 🙂 Under alle omstændigheder ville det være en helt anden verden!
- 90% af alt, hvad jeg læser, er bare forkert, når det kommer til elektroner, der bevæger sig rundt og løse elektroner.
Svar
Elektroner bevæger sig fysisk, når en spænding påføres – ekstremt langsomt .
Et kredsløb, der får energi ved 100VDC, der driver en 1A-belastning (som en pære) gennem kobbertråd med en diameter på 2 mm, vil se elektroner bevæge sig med hastigheden på:
\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
hvor
- Q er antallet af elektroner pr. Kubikcentimeter kobber (ca. $ 8.5 \ gange 10 ^ {22} \ $)
- R er trådens radius
- e er ladningen pr. Elektron (ca. \ $ 1,6 \ gange 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)
Dette fungerer til 8,4 cm / time . Ikke ligefrem hurtigt.
Hvilken nøgle er det faktum, at det er energi gennem kredsløbet næsten øjeblikkeligt – ikke selve elektronerne. (Elektronerne laver en bekvem “motorvej” for at lade energien strømme hurtigt.)
Det er uheldigt, at den langsomme drift af elektroner under en spænding endte med det samme navn som energistrømmen, der faktisk fungerer i et kredsløb.
Kommentarer
- Uden den langsomme drift af elektroner er der ingen strøm, så vi kan ‘ har ikke en energistrøm. En energistrøm kaldes magt, og som vi ved, \ $ P = IE \ $. Hvis \ $ I = 0 \ $, så kan der ikke være nogen energistrøm. Så måske har de kun halvdelen det samme navn 🙂
- Sandt nok. Husk, i AC vrikker de bare og ikke ‘ t virkelig cirkulerer i sig selv.
- Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 er det samlede antal antal elektroner pr. volumen af Cu. Kun en brøkdel af disse elektroner er frie elektroner, der deltager i ledning ( da.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Så denne formel er forkert.
- @Curd dit nummer er forkert, hvor fik du det? > ” Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 er det samlede antal antal elektroner pr. volumen Cu. ” Nej, det samlede antal elektroner / cm ^ 3 for kobber er 2,46×10 ^ 24. Derfor, hvis hvert atom kun bidrager med en mobil elektron til metallet ‘ s elektron-hav, så er den frie elektrontæthed = 2,46e24 / N, hvor N = 29 for kobber. Deres ovenstående ligning er korrekt. Se den samme beregning i Halliday / Resnick fysik eller wikipedia, Drift_velocity
- @wbeaty: yup, du har ret (jeg har ikke ‘ har ikke Halliday men) Jeg genberegner og får omkring rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 som det samlede antal elektroner pr cm ^ 3 (rho densisty, Mm molær masse, Na = AVogadro ‘ s nummer). Jeg husker ikke ‘ min beregning for 2 år siden …
Svar
Forveksler ikke bekvem abstraktion med fysisk virkelighed
- ” Circuits “er et abstrakt koncept designet til at hjælpe os med at få bedre grund til verden.
- elektroner er en fysisk enhed.
En note om “lukkede” stier
Lukkede sti-kredsløb betyder ikke, at elektroner vender tilbage til kilden. Desuden er de elektroner, der forlader kilden, ekstremt sjældent de samme elektroner, der vender tilbage til kildens anden pol (se @madmangurumans svar for hastighedsforklaringen).
Mekaniske analogier
Det er som domino, der falder. Energibølgen formerer sig gennem de faldende dominoer, men dominoerne oversætter ikke meget.
Husk energi er elektronens ladning gange den kraft, der påføres den (spænding). Det er (overvældende) kræfterne der bevæger sig gennem metalgitteret, ikke ladningerne (elektroner).
Ligesom på dette billede:
Kræfterne overføres over kuglerne, men kuglerne forbliver stort set på plads. I modsætning til de mekaniske kugler, der er afbalanceret af tyngdekraften, med elektroner i metaltråde fra galvaniske celler (batterier), er der en langsom samlet drift af elektronerne (som biler, der sidder fast i trafikken) til den anden ende.
Yderligere læsning
Du kan overveje dette svar, jeg gav til et lignende relateret fysikspørgsmål.
Kommentarer
- Heh, kredsløb er almindelige makroobjekter, mens elektroner er teoretiske dyr med stærk QM-opførsel. Men jeg er enig: vi kan eliminere meget abstraktion ved at bruge kredsløb bygget fra ladet sand gennem slanger eller ladede metalkugler på et roterende plasthjul. Under alle omstændigheder er opladning (strøm) krævet i ethvert kredsløb. Analogi: med et mekanisk drivrem, brug højere og højere kraft / spænding ved lavere hastighed, indtil bæltet bevæger sig ved meter / t, men alligevel overfører kilowatt. Det virker kun som om kraften er vigtigere end bevægelsen. Stop det sloooow bælte, og energien stopper også.
Svar
Vi taler om metaller her. Typisk består et objekt af metal ikke af molekyler. Det består af metalatomer, alle grupperet sammen. Dette vises på billedet nedenfor:
De røde cirkler er elektroner. Som du kan se, kan du ikke “rigtig sige til hvilket atom et elektron” hører til “.Disse elektroner danner forbindelserne mellem atomerne – så de hører til to atomer.
Nu når en strøm begynder at strømme, bevæger disse elektroner sig. Når en strøm strømmer, overføres energi. Da atomerne ikke kan bevæge sig let, skal elektronerne bevæge sig.
Du kan også se dette i enheden Ampere af strøm: 1 ampere er lig med 1 Coulomb pr. Sekund. Coulomb (C) er ladningsenhed (Q). 1 ampere betyder 1 ladning Coulomb passerer et bestemt punkt i 1 sekund. Denne ladning produceres af elektronerne, der rent faktisk strømmer fra objekt et til objekt to.
Når vi “er når vi taler om jævnstrøm (f.eks. normal batteridrevet applikation), vender disse elektroner ikke tilbage til deres kilde. Overvej dette kredsløb:
I begyndelsen er der en forskel i ladning mellem det negative og det positive pol: den negative pol har et overskud af elektroner. Dette skaber en kraft (spænding), og da der er en forbindelse mellem de to poler (ledningen og pæren), begynder elektronerne at strømme. Elektronerne bevæger sig fra den negative pol gennem pæren til den positive pol, indtil der ikke længere er nogen forskel i ladning (eller det er så lidt, at den ikke får en strøm til at strømme).
Du kan nu se, at disse elektroner ikke vendte tilbage til deres kilde: de startede ved den negative pol og sluttede ved den positive pol.
Vi kalder dette en lukket sti, fordi der ” en cirkel: strøm starter ved batteriet og slutter ved batteriet. Der er forvirring, fordi batteriet faktisk består af to objekter: den positive og den negative pol.
Se på dette kredsløb (som stort set er det samme, men med en kondensator i stedet for et batteri og en modstand i stedet af en pære):
Strømmen strømmer fra højre side af kondensatoren (negativt ladet, elektronoverskud ) gennem modstanden til kondensatorens venstre side (positivt ladet, elektronmangel). Her er kondensatorpladerne adskilt, så du nemt kan se, at det faktisk ikke er en lukket sti.
Vi kalder det bare en lukket sti, fordi strøm starter og slutter ved kondensatoren.
Da elektronerne ikke virkelig behøver at vende tilbage til deres base, kan du nu forstå, at elektroner kan også strømme ind i jorden. Dette er også hvad der sker med lyn. Elektroner strømmer fra skyerne til jorden (eller omvendt, jeg ville ikke vide det) bare for at neutralisere forskellen i ladning.
Kommentarer
- Med hensyn til lyn: Begge retninger. ” I gennemsnit på verdensplan udgør negative lyn det store flertal, ca. 90 procent af alle strejker. … Forresten menes positive lynnedslag at være de farligste, da de kan producere meget store strømme op til 300.000 ampere! ” ( kilde )
- Jeg kan godt lide din energi @Camil (ordspil beregnet), men du skal være opmærksom på, at der er en række subtile unøjagtigheder med dette svar. Forvirringen er ikke, at et batteri har to poler, forvirringen er, at kredsløb ikke ‘ ikke beskriver bevægelsen af en enkelt elektron – de beskriver samlet adfærd og energioverførsel … din svaret fortsætter med at give de samme forvirrede antagelser, der fik OP til at stille spørgsmålet. Enten diskuter i det abstrakte, i hvilket tilfælde strømmen skal vende tilbage til kilden – eller – diskutere det fysiske med elektroner og deres enhver-potentiale-overflade-vil-gøre-holdning.
- p.s. – Jeg stemte ikke ned. Bare for posten, hvis en anden gør det. – ” ikke mig! “;)
- Det ville også være værd at påpege, at selvom elektroner ikke rejser gennem batterier, gør strøm det. Dette er grunden til, at et batteri skal have en elektrolyt, og det fungerer netop, fordi elektroner ‘ ikke kan rejse igennem det, men positive ioner kan. De positive ioner, der bevæger sig i den modsatte retning af elektronerne, forhindrer elektronerne i at bevæge sig gennem kredsløbet fra at skabe en ligevægt, indtil den kemiske energi er udtømt. Selvom ioner og elektroner bevæger sig i modsatte retninger, har de modsatte ladninger, og sammen udgør de et komplet strømkredsløb i en retning.
- @CamilStaps tager en individuel elektron en tilfældig vej overalt, hvor den kan. Sandsynligvis skyldes det meste af denne bevægelse termisk støj og ikke den elektriske maskine, som den tilfældigvis er en del af. Kun hvis du tager gennemsnittet bevægelsen for mange (mere end milliarder) elektroner, vil du bemærke, at de bevæger sig i en retning mere end en anden. Og kredsløb beskriver ikke ‘ t elektronstrøm: de beskriver strømmen.