Gli elettroni fluiscono effettivamente quando viene applicata una tensione?

Pensare alla corrente in termini di elettroni in movimento è il iniziare un percorso verso un modello mentale scadente di come funziona lelettricità. Qui ci sono solo alcune cose sbagliate:

• Gli elettroni sono solo uno dei tanti portatori di carica. Qualsiasi ione è anche un portatore di carica.

• I protoni che bilanciano gli elettroni sono altrettanto importanti. Se avessi solo elettroni, tutti gli elettroni nelluniverso verrebbero respinti luno dallaltro e sparirebbero nelluniverso.

• Gli elettroni hanno una carica negativa e ti confonderai senza una buona ragione pensando a come fluiscono dal negativo al positivo. In realtà non importa affatto.

• Gli elettroni in realtà sciamano continuamente in tutte le direzioni casuali e il loro movimento dovuto alla corrente è minuscolo, in confronto.

La cosa importante è questa: portatori di carica (gli elettroni sono uno di questi) possono essere usati per trasmettere una forza elettromotrice (di solito chiamato solo voltaggio). Questo è un concetto abbastanza ordinario, davvero. Puoi spingere unestremità di unasta e trasmettere una forza meccanica allaltra estremità dellasta. Lasta si muove, quando lo fai? Bene, forse, ma qui accadono due cose:

1. la forza viene trasmessa attraverso la bacchetta, come onde che si propagano alla velocità del suono in quel materiale
2. se e solo se noi trasmette anche potenza, la canna si muove, nella maggior parte dei casi a una velocità molto più lenta

La differenza è evidente per una canna, ma siccome non possiamo vedere la carica elettrica, la differenza non è evidente .

Quindi, la tua domanda era: Gli elettroni fluiscono effettivamente w Quando viene applicato un voltaggio? A rigor di termini, la risposta è forse e dipende da cosa intendi per flusso . È simile alla domanda, si muove una corda quando la tiri? Beh, se è attaccata a un palloncino, potrebbe muoversi molto. Se è attaccato a un muro di mattoni, potrebbe non muoversi affatto.

Il movimento dei portatori di carica (come gli elettroni) è corrente . Se abbiamo una corrente, allora cè un movimento netto dei portatori di carica, in realtà brulicano ovunque, proprio come le singole molecole dacqua sciamano in un tubo, anche se non cè flusso netto. La corrente descrive il movimento medio. Nel caso della corrente CC, il movimento medio è in un cerchio.

Il modo in cui i singoli portatori di carica interagiscono per ottenere ciò è complicato ed è davvero una questione di fisica, non di elettronica. Tuttavia, Ti consiglio di dare unocchiata a questo tutorial del MIT sui campi .

Commenti

• Ma afaik un mucchio di elettroni volerà via, non si coccoleranno insieme in una palla.
• @WoutervanOoijen sì, immagino che tu abbia ragione 🙂 In ogni caso, sarebbe un mondo molto diverso!
• Il 90% di tutto ciò che leggo è semplicemente sbagliato quando si tratta di elettroni in movimento e di elettroni liberi.

Gli elettroni si si muovono fisicamente quando viene applicata una tensione – estremamente lentamente .

Un circuito alimentato a 100 V CC, che alimenta un carico da 1 A (come una lampadina) attraverso un filo di rame di 2 mm di diametro, vedrà gli elettroni muoversi alla velocità di:

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

dove

• Q è il numero di elettroni per centimetro cubo di rame (circa \ $ 8.5 \ volte 10 ^ {22} \ $)
• R è il raggio del filo
• e è la carica per elettrone (circa \ $ 1,6 \ volte 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

Questo funziona a 8,4 cm / ora . Non esattamente veloce.

La chiave è il fatto che è l energia che corre attraverso il circuito quasi istantaneamente, non gli elettroni stessi. (Gli elettroni costituiscono una comoda “autostrada” per consentire allenergia di fluire rapidamente.)

È un peccato che la lenta deriva degli elettroni sotto una tensione sia finita con lo stesso nome del flusso di energia che effettivamente funziona in un circuito.

Commenti

• Senza quella lenta deriva degli elettroni, non cè corrente, quindi possiamo ‘ t avere un flusso di energia. Un flusso di energia è chiamato potenza e, come sappiamo, \ $ P = IE \ $. Se \ $ I = 0 \ $, non può esserci flusso di energia. Quindi forse solo metà hanno lo stesso nome 🙂
• Abbastanza vero. Intendiamoci, in AC, si dimenano e non ‘ t circolano davvero di per sé.
• Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 è il numero totale di elettroni per volume di Cu. Solo una frazione di questi elettroni sono elettroni liberi che prendono parte alla conduzione ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Quindi questa formula è sbagliato.
• @Curd il tuo numero è sbagliato, dove lhai preso? > ” Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 è il totale numero di elettroni per volume di Cu. ” No, il numero totale di elettroni / cm ^ 3 per il rame è 2,46×10 ^ 24. Pertanto, se ogni atomo contribuisce con un solo elettrone mobile al ‘ elettrone-mare del metallo, allora la densità di elettroni liberi = 2.46e24 / N, dove N = 29 per il rame. La loro equazione sopra è corretta. Vedi questo stesso calcolo in fisica Halliday / Resnick, o wikipedia, Drift_velocity
• @wbeaty: sì, hai ragione (io don ‘ t have Halliday but) Ho ricalcolato e ottengo circa rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 come numero totale di elettroni per cm ^ 3 (rho densisty, Mm molar mass, Na = AVogadro ‘ numero). Non ‘ non ricordo il mio calcolo di 2 anni fa …

Non confondere lastrazione conveniente con la realtà fisica

• I” circuiti “sono un concetto astratto progettato per aiutarci a ragionare meglio sul mondo.
• gli elettroni sono unentità fisica.

Una nota sui percorsi “chiusi”

I circuiti a percorso chiuso non implica il ritorno degli elettroni alla sorgente. Inoltre, gli elettroni che lasciano la sorgente sono estremamente raramente gli stessi elettroni che ritornano allaltro polo della sorgente (vedi la risposta di @madmanguruman per la spiegazione della velocità).

Analogie meccaniche

È come il domino che cade. Londa di energia si propaga attraverso le tessere del domino che cadono, ma le tessere non si traducono molto.

Ricorda che lenergia è la carica dellelettrone moltiplicata per la forza applicata (tensione). È (in modo schiacciante) le forze che si muovono attraverso il reticolo metallico, non le cariche (elettroni).

Proprio come in questa immagine:

Le forze si trasferiscono attraverso le sfere, ma le sfere rimangono in gran parte al loro posto. A differenza delle sfere meccaniche, che sono bilanciate dalla gravità, con elettroni in fili metallici provenienti da celle galvaniche (batterie), cè un lento deriva complessiva degli elettroni (come le auto bloccate nel traffico) dallaltra parte.

Ulteriori letture

Potresti considerare questo risposta che ho dato a una simile domanda di fisica correlata.

Commenti

• Eh, i circuiti sono oggetti macro comuni, mentre gli elettroni sono bestie teoriche con forte comportamento QM. Ma sono daccordo: possiamo eliminare molta astrazione utilizzando circuiti costruiti con sabbia caricata attraverso tubi flessibili o sfere metalliche caricate su una ruota di plastica rotante. In ogni caso, la deriva di carica (corrente) è richiesta in qualsiasi circuito. Analogia: con una cinghia di trasmissione meccanica, impiegare forza / tensione sempre più elevate a velocità inferiori, fino a quando la cinghia si muove a metri / ora ma trasferisce kilowatt. Solo sembra che la forza sia più importante del movimento. Ferma la cintura sloooow e anche lenergia si ferma.

Stiamo parlando di metalli qui. In genere, un oggetto di metallo non è costituito da molecole. È costituito da atomi di metallo, tutti raggruppati insieme. Ciò è mostrato nella figura seguente:

I cerchi rossi sono elettroni. Come puoi vedere, non puoi veramente dire a quale atomo “appartiene” un elettrone.Questi elettroni formano le connessioni tra gli atomi, quindi appartengono a due atomi.

Ora, quando una corrente inizia a fluire, questi elettroni si muovono davvero. Quando scorre una corrente, lenergia viene trasferita. Poiché gli atomi non possono muoversi facilmente, gli elettroni devono muoversi.

Puoi vedere questo anche nellunità Ampere di corrente: 1 ampere equivale a 1 Coulomb al secondo. Il Coulomb (C) è il unità di carica (Q). 1 Ampere significa 1 Coulomb di carica supera un certo punto in 1 secondo. Questa carica è prodotta dagli elettroni che fluiscono effettivamente dalloggetto uno alloggetto due.

Quando siamo parlando di corrente continua (normale applicazione alimentata a batteria, per esempio), questi elettroni non torneranno alla loro fonte. Considera questo circuito:

Allinizio cè una differenza di carica tra il negativo e il positivo polo: il polo negativo ha un surplus di elettroni, questo crea una forza (tensione) e poiché esiste un collegamento tra i due poli (il filo e la lampadina), gli elettroni iniziano a fluire. Gli elettroni si muovono dal polo negativo attraverso il bulbo al polo positivo, finché non cè più alcuna differenza di carica (o è così piccola che non farà fluire la corrente).

Ora puoi vedere che questi elettroni non sono tornati alla loro fonte: sono iniziati al polo negativo e sono terminati al polo positivo.

Lo chiamiamo percorso chiuso perché lì ” un cerchio: la corrente inizia alla batteria e termina alla batteria. Cè confusione perché la batteria esiste effettivamente di due oggetti: il polo positivo e quello negativo.

Guarda questo circuito (che è fondamentalmente lo stesso, ma con un condensatore invece di una batteria e un resistore invece di una lampadina):

La corrente fluisce dal lato destro del condensatore (carica negativa, eccedenza di elettroni ) attraverso il resistore sul lato sinistro del condensatore (carica positiva, carenza di elettroni). Qui, le piastre del condensatore sono separate, quindi puoi facilmente vedere che in realtà non è un “percorso chiuso”.

Lo chiamiamo semplicemente un percorso chiuso, perché la corrente inizia e finisce al condensatore.

Poiché gli elettroni non devono davvero tornare alla loro base, ora puoi capirlo anche gli elettroni possono fluire nella terra. Questo è anche ciò che accade con i fulmini. Gli elettroni fluiscono dalle nuvole verso la terra (o viceversa, non saprei), solo per neutralizzare la differenza di carica.

Commenti

• Riguardo ai fulmini: entrambe le direzioni. ” In media a livello mondiale, i fulmini negativi costituiscono la stragrande maggioranza, circa il 90% di tutti gli scioperi. … A proposito, i fulmini positivi sono ritenuti i più pericolosi, poiché possono produrre correnti molto grandi, fino a 300.000 amp! ” ( source )
• Mi piace la tua energia @Camil (gioco di parole), ma dovresti essere consapevole che ci sono una serie di sottili inesattezze con questa risposta. La confusione non è che una batteria abbia due poli, la confusione è che i circuiti non ‘ descrivono il movimento di ogni singolo elettrone – descrivono il comportamento aggregato e il trasferimento di energia … il tuo La risposta continua a fare le stesse ipotesi confuse che hanno portato il PO a porre la domanda. O discutete in astratto, nel qual caso la corrente deve tornare alla sorgente – oppure – discutete il fisico con gli elettroni e il loro atteggiamento qualsiasi-equipotenziale-superficie-volontà.
• p.s. – Non ho votato contro. Solo per la cronaca, nel caso lo faccia qualcun altro. – ” non io! “;)
• Vale anche la pena sottolineare che sebbene gli elettroni non viaggiano attraverso le batterie, corrente fa. Questo è il motivo per cui una batteria deve avere un elettrolita e funziona proprio perché gli elettroni non possono ‘ viaggiare attraverso di essa, ma gli ioni positivi sì. Gli ioni positivi, viaggiando nella direzione opposta degli elettroni, impediscono agli elettroni che si muovono attraverso il circuito di creare un equilibrio fino a quando lenergia chimica non è esaurita. Sebbene gli ioni e gli elettroni si muovano in direzioni opposte, hanno cariche opposte e insieme formano un circuito completo di corrente in una direzione.
• @CamilStaps un singolo elettrone prenderà un percorso casuale ovunque possa. Probabilmente la maggior parte di questo movimento è attribuibile al rumore termico, e non alla macchina elettrica di cui fa parte. Solo se prendi il movimento medio di molti (più di miliardi) di elettroni noterai che si muovono in una direzione più che in unaltra. Inoltre, i circuiti non ‘ descrivono il flusso di elettroni: descrivono il flusso di corrente.