Kirjoissa sanotaan, että piiri on suljettu polku ja siten elektronit palaavat lähteeseen. Jos näin on, niin mitä tapahtua, kun piirissä oli maasulku? Kuinka elektronit palaisivat lähteeseen?
Liittyykö elektronit tosiasiallisesti pois atomistaan vai tärisevätkö ne ja siirtävätkö energiaa tällä tavalla, kun käytämme jännitettä?
Kommentit
- Keskustelin vastauksessani enemmän, mutta piirit ovat abstrakti käsite. ” elektronit palaavat takaisin lähteeseen ” abstraktisti tarkoittaa, että niiden on saavutettava referenssipotentiaali. Esimerkiksi maadoitettu akku ja maa: mobiililaitteet saattavat saavuttaa Maan tai akun negatiiviset, mutta koska ne ovat samassa potentiaalissa, ne ovat tehokkaasti yhteydessä.
- Maasulun yhteydessä elektronit liikkuvat maasulun, maaliitännän kautta takaisin lähteeseen. Jos maadoitusliitäntää ei olisi, virtaa ei olisi edes maasulun yhteydessä. Täysin eristetty piiri olisi turvallisempi, mutta se on toinen kysymys.
- Aiheeseen liittyvä: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
- Liittyvät aiheet: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
vastaus
Ajatteleminen virrasta liikkuvien elektronien suhteen on aloita polku huonoon henkiseen malliin sähkön toiminnasta. Tässä on vain muutama asia väärässä:
-
Elektronit ovat vain yksi monista latauskantajista. Mikä tahansa ioni on myös varauksen kantaja.
-
Elektroneja tasapainottavat protonit ovat yhtä tärkeitä. Jos sinulla olisi vain elektroneja, kaikki universumin elektronit karkotettaisiin toisistaan ja ampuisivat ulos universumiin.
-
Elektroneilla on negatiivinen varaus, ja sinä sekoitat itsesi ilman mitään syytä ajatella, miten ne kulkevat negatiivisista positiivisiin. Sillä ei ole mitään väliä lainkaan.
-
Elektronit ovat itse asiassa parvia ympäriinsä kaikissa satunnaissuunnissa, ja niiden virran aiheuttama liike on vähäistä verrattuna.
Tärkeää on tämä: varauksen kantajia (elektronit ovat yksi tällaisista) voidaan käyttää sähkömoottorin voima lähettämiseen (kutsutaan yleensä vain jännitteeksi). Tämä on oikeastaan melko tavallinen käsite. Voit työntää tangon toista päätä ja välittää mekaanisen voiman tangon toiseen päähän. Liikkuuko tanko, milloin teet tämän? No, ehkä, mutta täällä tapahtuu kahta asiaa:
- voima siirtyy tangon läpi, koska aallot etenevät äänen nopeudella kyseisessä materiaalissa
- vain ja vain jos välittää myös voimaa, sauva liikkuu, useimmiten paljon hitaammalla nopeudella
Ero on ilmeinen sauvalle, mutta koska emme näe sähkövarausta, ero ei ole ilmeinen .
Joten, kysymyksesi oli: virtaavatko elektronit todella kun jännitettä käytetään? Tarkkaan ottaen vastaus on ehkä , ja se riippuu siitä, mitä tarkoitat virtauksella . Se on samanlainen kuin kysymys: liikkuukö köysi, kun vedät sitä? No, jos se on kiinnitetty ilmapalloon, se voi liikkua paljon. Jos se on kiinnitetty tiiliseinään, se ei välttämättä liiku ollenkaan.
Latauskantajien (kuten elektronien) liike on virta . Jos meillä on virta, niin Latauskantajien nettoliike on todellakin. Niitä on tunkeutunut kaikkialle, aivan kuten yksittäiset vesimolekyylit tunkeutuvat putkeen, vaikka nettovirtausta ei olisikaan. Nykyinen kuvaa keskimääräisen liikkeen. Tasavirran tapauksessa keskimääräinen liike on ympyrässä.
Kuinka yksittäiset latauskantajat ovat vuorovaikutuksessa tämän saavuttamiseksi, on monimutkaista, ja se on oikeastaan fysiikan kysymys, ei elektroniikkakysymys. Ehdotan, että tutustut tähän MIT-opetus kenttiin .
Kommentit
- Mutta afaik joukko elektroneja lentää erilleen, ei halata palloa yhteen.
- @WoutervanOoijen kyllä, luulen, että olet oikeassa 🙂 Joka tapauksessa se olisi hyvin erilainen maailma!
- 90% kaikesta lukemastani on aivan väärin, kun on kyse elektronien liikkumisesta ja löysistä elektroneista.
Vastaa
Elektronit liikkuvat fyysisesti, kun jännitettä käytetään – erittäin hitaasti .
100 VDC: n jännitteellä oleva piiri, joka syöttää 1A: n kuorman (kuten hehkulamppu) halkaisijaltaan 2 mm: n kuparilangan läpi, nähdä elektronit liikkuvan seuraavalla nopeudella:
\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
jossa
- Q on elektronien lukumäärä kuutiosenttimetriä kuparia kohti (noin \ $ 8.5 kertaa 10 ^ {22} \ $)
- R on langan säde
- e on lataus elektronia kohden (suunnilleen \ $ 1,6 \ kertaa 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)
Tämä toimii 8,4 cm / tunti . Ei aivan nopeasti.
Mikä avain on se, että se kilpailee energiaa piirin läpi melkein välittömästi – eivät elektronit itse. (Elektronit muodostavat kätevän ”moottoritien”, joka antaa energian virrata nopeasti.)
On valitettavaa, että elektronien hidas ajelehtiminen jännitteen alla päätyi samalle nimelle kuin itse asiassa energian virtaus toimii piirissä.
Kommentit
- Ilman elektronien hidasta ajelehdintaa ei ole virtaa, joten voimme ’ ei ole energiavirtaa. Energiavirtaa kutsutaan tehoksi, ja kuten tiedämme, \ $ P = IE \ $. Jos \ $ I = 0 \ $, niin energiavirtausta ei voi olla. Joten ehkä heillä vain puolella on sama nimi 🙂
- Riittävän totta. Huomaa, että AC: ssä he vain heiluttavat ja eivät ’ t todella kiertää sinänsä.
- Q = 8,5 × 10 ^ 22 elektronia / cm ^ 3 on elektronien kokonaismäärä vain murto-osa elektronista on vapaita elektroneja, jotka osallistuvat johtamiseen ( fi.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Joten tämä kaava on väärin.
- @Juuret numerosi on väärä, mistä sait sen? > ” Q = 8,5 × 10 ^ 22 elektronia / cm ^ 3 on summa elektronien lukumäärä Cu: n tilavuutta kohti. ” Ei, kuparin elektronien kokonaismäärä / cm ^ 3 on 2,46×10 ^ 24. Siksi, jos kukin atomi vaikuttaa vain yhteen liikkuvaan elektroniin metalli ’ -elektroni-mereen, vapaan elektronin tiheys = 2,46e24 / N, jossa N = 29 kuparille. Heidän yllä oleva yhtälö on oikea. Katso tämä sama laskelma Halliday / Resnick-fysiikassa tai wikipediassa, Drift_velocity
- @wbeaty: joo, olet oikeassa (minä en ’ ei ole Hallidaya, mutta lasken uudelleen ja saan noin rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 elektronien kokonaismääränä / cm ^ 3 (rho tiheä, Mm moolimassa, Na = AVogadro ’ numero). En muista ’ muistan laskelmani 2 vuotta sitten …
Vastaa
Älä sekoita kätevää abstraktiota fyysiseen todellisuuteen
- ” Piirit ”ovat abstrakti käsite, joka on suunniteltu auttamaan meitä ymmärtämään paremmin maailmaa.
- elektronit ovat fyysinen kokonaisuus.
Huomautus ”suljetuista” poluista
Suljetun polun piirit eivät tarkoita, että elektronit palaavat lähteeseen. Lisäksi lähteestä lähtevät elektronit ovat erittäin harvoin samat elektronit, jotka palaavat lähteen toiseen napaan (katso nopeuden selitys @madmangurumanin vastauksesta).
Mekaaniset analogiat
Se on kuin putoavat dominot. Energia-aalto etenee putoavien dominoiden läpi, mutta dominot eivät käännä paljoa.
Muista, että energia on elektronin lataus kertaa sille kohdistettu voima (jännite). Se on (ylivoimaisesti) voimia jotka liikkuvat metallihilan, ei varausten (elektronien) läpi.
Aivan kuten tässä kuvassa:
Voimat siirtyvät pallojen yli, mutta pallot pysyvät suurelta osin paikoillaan. Toisin kuin mekaaniset pallot, joita painovoima tasapainottaa, elektronien kanssa metallijohtimissa galvaanisista kennoista (paristoista), hitaasti elektronien (kuten liikenteessä juuttuneiden autojen) yleinen ajautuminen toiseen päähän.
Lisätietoja
Voit harkita tätä vastaus, jonka annoin vastaavaan liittyvään fysiikan kysymykseen.
Kommentit
- Heh, piirit ovat yleisiä makro-objekteja, kun taas elektronit ovat teoreettisia petoja, joilla on vahva QM-käyttäytyminen, mutta olen samaa mieltä: Voimme eliminoida suuren osan imeytymisestä käyttämällä piirejä, jotka on rakennettu varautuneesta hiekasta letkujen kautta, tai varautuneita metallipalloja pyörivässä muovipyörässä. Joka tapauksessa varauksen kulkeutumista (virtaa) vaaditaan missä tahansa piirissä. Analogia: Mekaanisella käyttöhihnalla käytetään suurempaa ja suurempaa voimaa / kireyttä pienemmällä nopeudella, kunnes hihna liikkuu metreinä / h, mutta siirtää edelleen kilowattia. Vain näyttää siltä, että voima on tärkeämpi kuin liike. Pysäytä sloooow-vyö ja myös energia loppuu.
Vastaa
Puhumme metalleista täällä. Yleensä metalliesine ei koostu molekyyleistä. Se koostuu metalliryhmistä, jotka kaikki on ryhmitelty yhteen. Tämä näkyy alla olevassa kuvassa:
Punaiset ympyrät ovat elektroneja. Kuten näette, et voi ”sanoa mihin atomiin elektroni” kuuluu.Nämä elektronit muodostavat atomien väliset yhteydet – joten ne kuuluvat kahteen atomiin.
Nyt kun virta alkaa virrata, nämä elektronit todellakin liikkuvat. Kun virta virtaa, energia siirtyy. Koska atomit eivät voi liikkua helposti, elektronien on liikkuttava.
Voit nähdä tämän myös virran ampeereina: 1 ampeeri on yhtä suuri kuin 1 Coulomb sekunnissa. Coulomb (C) on Latausyksikkö (Q). 1 ampeeri tarkoittaa, että yksi latauskulma kulkee tietyn pisteen 1 sekunnissa. Tämän varauksen tuottavat elektronit, jotka todella virtaavat esineestä toiseen toiseen.
Kun ”uudelleen” DC-virrasta (esimerkiksi normaali paristokäyttöinen sovellus) nämä elektronit eivät palaa lähteeseen. Harkitse tätä virtapiiriä:
Alussa negatiivisen ja positiivisen välillä on erilainen vastuu napa: negatiivisella napalla on elektronien ylijäämä, mikä luo voiman (jännitteen), ja koska kahden napan (langan ja polttimon) välillä on yhteys, elektronit alkavat virrata. Elektronit liikkuvat negatiivisesta napasta polttimon kautta positiiviseen napaan, kunnes varauksessa ei ole enää eroa (tai se on niin vähän, että se ei aiheuta virtaa).
Nyt voit nähdä, että nämä elektronit eivät palanneet lähteeseensä: ne alkoivat negatiivisesta napasta ja päättyivät positiiviseen napaan.
Kutsumme tätä suljetuksi poluksi, koska siellä ” sa ympyrä: virta alkaa akusta ja loppuu akusta. Hämmennystä esiintyy, koska akussa on tosiasiallisesti kaksi esinettä: positiivinen ja negatiivinen napa.
Katsokaa tätä virtapiiriä (joka on periaatteessa sama, mutta kondensaattorilla akun sijaan ja vastuksella sen sijaan polttimon):
Virta kulkee kondensaattorin oikealta puolelta (negatiivisesti varattu, elektronien ylijäämä ) vastuksen kautta kondensaattorin vasemmalle puolelle (positiivisesti varautunut, elektroneista on pulaa). Täällä kondensaattorilevyt erotetaan toisistaan, joten voit helposti nähdä, että se ei todellakaan ole suljettu polku.
Kutsumme sitä vain suljetuksi poluksi, koska virta alkaa ja loppuu kondensaattorista.
Koska elektronien ei tarvitse palata tukiasemaansa, voit nyt ymmärtää sen elektronit voivat virrata myös maahan. Näin tapahtuu myös salaman kanssa. Elektronit virtaavat pilvistä maahan (tai päinvastoin, en tiedä), vain neutraloidakseen varauseron.
Kommentit
- Salama: Molemmat suunnat. ” Keskimäärin maailmanlaajuisesti negatiiviset salamavalot muodostavat valtaosan, noin 90 prosenttia kaikista iskuista. … Muuten, positiivisten salamavalojen uskotaan olevan vaarallisimpia, koska ne voivat tuottaa erittäin suuria virtoja, jopa 300 000 ampeeria! ” ( lähde )
- Pidän energiastasi @Camil (sanaleikki tarkoitettu), mutta sinun on tiedettävä, että tässä vastauksessa on useita hienovaraisia epätarkkuuksia. Hämmennystä ei ole siinä, että paristolla on kaksi napaa, sekaannusta on, että piirit eivät kuvaa ’ t kuvaavat minkään yksittäisen elektronin liikettä – ne kuvaavat aggregaattikäyttäytymistä ja energiansiirtoa vastaus tekee edelleen samoja hämmentyneitä oletuksia, jotka saivat OP: n esittämään kysymyksen. Joko keskustelkaa abstraktisti, jolloin virran on palattava lähteeseen – tai – keskustellaan fyysisestä elektronien kanssa ja heidän mahdollisesta ekvipotentiaalisesta-pinta-tahto-asenteestaan.
- s.s. – En äänestänyt alas. Vain ennätykseksi, jos joku muu tekee. – ” en minä! ”;)
- On myös syytä huomauttaa, että vaikka elektronit eivät kulje paristojen kautta virta toimii. Siksi akussa on oltava elektrolyytti, ja se toimii juuri siksi, että elektronit eivät voi ’ kulkea sen läpi, mutta positiiviset ionit voivat. Elektronien vastakkaiseen suuntaan kulkevat positiiviset ionit estävät piirin läpi liikkuvia elektroneja luomasta tasapainoa, kunnes kemiallinen energia on ehtynyt. Vaikka ionit ja elektronit liikkuvat vastakkaisiin suuntiin, niillä on vastakkaiset varaukset ja ne muodostavat yhdessä täydellisen virtapiirin yhteen suuntaan.
- @CamilStaps yksittäinen elektroni kulkee satunnaisella polulla missä tahansa. Todennäköisesti suurin osa tästä liikkeestä johtuu termisestä melusta, eikä sähkökoneesta, johon se sattuu olemaan osa. Vain jos otat monien (yli miljardit) elektronien keskimääräinen -liikkeen, huomaat, että ne liikkuvat yhteen suuntaan enemmän kuin toiseen. Ja piirit eivät ’ t kuvaa elektronivirtaa: ne kuvaavat virtaa.