Det står i bøker at en krets er en lukket bane og dermed at elektroner kommer tilbake til kilden. Hvis det er tilfelle, hva ville skje når det var en jordfeil i en krets? Hvordan ville elektronene komme tilbake til kilden?
Flytter elektronene seg faktisk ut av atomene sine, eller vibrerer de bare og overfører energien på den måten når vi bruker en spenning?
Kommentarer
- Jeg diskuterte mer i svaret mitt, men kretsløp er et abstrakt begrep. » elektroner kommer tilbake til kilden » abstrakt betyr at de må nå referansepotensialet. For eksempel et jordet batteri og jorden: de mobile ladningene kan nå jorden eller batteriet negativt, men fordi de har samme potensial, er de effektivt koblet til.
- Når det er en jordfeil, er elektroner beveger seg gjennom jordfeilen, gjennom en jordforbindelse, tilbake til kilden. Hvis det ikke var noen jordforbindelse, ville det ikke være noen strøm, selv med jordfeil. En helt isolert krets ville være tryggere, men det er et annet spørsmål.
- Relatert: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
- Relatert: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Svar
Å tenke på strøm i form av elektroner som beveger seg rundt er start en vei til en dårlig mental modell av hvordan elektrisitet fungerer. Her er bare noen få feil med det:
-
Elektroner er bare en av mange ladebærere. Ethvert ion er også en ladningsbærer.
-
Protonene som balanserer elektronene er like viktige. Hvis du bare hadde elektroner, ville alle elektronene i universet bli frastøtt fra hverandre og skyte ut i universet.
-
Elektroner har negativ ladning, og du vil forvirre deg selv uten god grunn i det hele tatt tenker på hvordan de flyter fra negativ til positiv. Det spiller egentlig ingen rolle i det hele tatt.
-
Elektroner svermer faktisk rundt i alle tilfeldige retninger hele tiden, og deres bevegelse på grunn av strøm er liten, til sammenligning.
Det viktige er dette: ladebærere (elektroner er en av slike) kan brukes til å overføre en elektromotorisk kraft (vanligvis kalt bare spenning). Dette er et ganske vanlig konsept, egentlig. Du kan skyve den ene enden av en stang og overføre en mekanisk kraft til den andre enden av stangen. Beveger stangen, når gjør du dette? kanskje, men det er to ting som skjer her:
- kraft overføres gjennom stangen, som bølger som forplanter seg med lydens hastighet i det materialet
- hvis og bare hvis vi overfører også kraft, stangen beveger seg, i de fleste tilfeller med mye lavere hastighet
Forskjellen er åpenbar for en stang, men siden vi ikke kan se elektrisk ladning, er forskjellen ikke åpenbar .
Så, spørsmålet ditt var: Strømmer elektroner faktisk med når en spenning påføres? Strengt tatt er svaret kanskje , og det kommer an på hva du mener med flyt . Det ligner på spørsmålet, beveger et tau seg når du trekker det? Vel, hvis det er festet til en ballong, kan det bevege seg mye. Hvis den er festet til en murvegg, beveger den seg kanskje ikke i det hele tatt.
Bevegelsen til ladebærere (som elektroner) er strøm . Hvis vi har en strøm, så Det er en nettbevegelse av ladningsbærere. Virkelig svermer de overalt, akkurat som de enkelte vannmolekylene svermer rundt i et rør, selv om det ikke er noen nettostrøm. Strømmen beskriver gjennomsnittsbevegelsen. Når det gjelder likestrøm, er den gjennomsnittlige bevegelsen i en sirkel.
Hvordan de enkelte ladningsbærerne samhandler for å oppnå dette, er komplisert, og det er egentlig et fysikkspørsmål, ikke et elektronikkspørsmål. Jeg foreslår at du sjekker ut denne MIT-opplæringen på felt .
Kommentarer
- Men afaik vil en haug med elektroner fly fra hverandre, ikke kose sammen i en ball.
- @WoutervanOoijen ja, jeg antar at du har rett 🙂 I alle fall ville det være en helt annen verden!
- 90% av alt jeg leser er rett og slett feil når det gjelder elektroner som beveger seg rundt og løse elektroner.
Svar
Elektroner beveger seg fysisk når en spenning påføres – ekstremt sakte .
En krets som får energi ved 100VDC, som driver en 1A-belastning (som en lyspære) gjennom kobbertråd med en diameter på 2 mm, vil se elektronene bevege seg med hastigheten på:
\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
hvor
- Q er antall elektroner per kubikkcentimeter kobber (omtrent \ $ 8.5 \ ganger 10 ^ {22} \ $)
- R er radiusen på ledningen
- e er ladningen per elektron (omtrent \ $ 1,6 \ ganger 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)
Dette ordner seg til 8,4 cm / time . Ikke akkurat raskt.
Hva som er nøkkelen er det faktum at det er energi som løper gjennom kretsen nesten øyeblikkelig – ikke elektronene selv. (Elektronene lager en praktisk «motorvei» for å tillate energien å strømme raskt.)
Det er uheldig at den langsomme driften av elektroner under en spenning endte med samme navn som energistrømmen som faktisk fungerer i en krets.
Kommentarer
- Uten den sakte drift av elektroner er det ingen strøm, så vi kan ‘ har ikke en energistrøm. En energiflyt kalles kraft, og som vi vet, \ $ P = IE \ $. Hvis \ $ I = 0 \ $, så kan det ikke være energistrøm. Så kanskje de bare halvparten har samme navn 🙂
- Riktig nok. Husk deg, i AC vrikker de bare og ikke ‘ t sirkulerer egentlig i seg selv.
- Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 er totalt antall elektroner pr. volum av Cu. Bare en brøkdel av disse elektronene er frie elektroner som deltar i ledning ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Så denne formelen er feil.
- @Curd nummeret ditt er feil, hvor fikk du det? > » Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 er det totale antall elektroner per volum Cu. » Nei, det totale antallet elektroner / cm ^ 3 for kobber er 2,46×10 ^ 24. Derfor, hvis hvert atom bare bidrar med en mobil elektron til metallet ‘ s elektron-sea, så er den frie elektrontettheten = 2,46e24 / N, der N = 29 for kobber. Deres ligning er riktig. Se samme beregning i Halliday / Resnick physics, eller wikipedia, Drift_velocity
- @wbeaty: yup, du har rett (jeg har ikke ‘ har ikke Halliday men) Jeg beregnet på nytt og får omtrent rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 som totalt antall elektroner per cm ^ 3 (rho densisty, Mm molar masse, Na = AVogadro ‘ s nummer). Jeg husker ikke ‘ ikke beregningen min for 2 år siden …
Svar
Ikke forveksle praktisk abstraksjon med fysisk virkelighet
- » Circuits «er et abstrakt konsept som er utformet for å hjelpe oss med å få bedre grunn til verden.
- elektroner er en fysisk enhet.
Et notat om «lukkede» baner
Kretser med lukkede baner innebærer ikke at elektroner returnerer til kilden. Videre er elektronene som forlater kilden ekstremt sjelden de samme elektronene som kommer tilbake til kildens andre pol (se @madmanguruman sitt svar for hastighetsforklaringen).
Mekaniske analogier
Det er som domino som faller. Energibølgen forplanter seg gjennom de fallende dominoene, men dominoene oversetter ikke mye.
Husk at energien er ladningen til elektronet ganger kraften som påføres den (spenning). Det er (overveldende) kreftene som beveger seg gjennom metallgitteret, ikke ladningene (elektroner).
Akkurat som på dette bildet:
Kreftene overføres over kulene, men kulene holder seg stort sett på plass. I motsetning til de mekaniske kulene, som er balansert av tyngdekraften, med elektroner i metalltråder fra galvaniske celler (batterier), er det en langsom samlet drift av elektronene (som biler som sitter fast i trafikken) til den andre enden.
Ytterligere lesing
Du kan vurdere dette svar jeg ga på et lignende fysikkspørsmål.
Kommentarer
- Heh, kretser er vanlige makroobjekter, mens elektroner er teoretiske dyr med sterk QM-oppførsel. Men jeg er enig: vi kan eliminere mye abstraksjon ved å bruke kretser bygget av ladet sand gjennom slanger, eller ladede metallkuler på et roterende plasthjul. I alle fall er ladningsdrift (strøm) nødvendig i alle kretser. Analogi: med et mekanisk drivrem, bruk høyere og høyere kraft / spenning ved lavere hastighet, til beltet beveger seg på meter / t, men overfører kilowatt. Det virker bare som om kraften er viktigere enn bevegelsen. Stopp sloooow-beltet, og energien stopper også.
Svar
Vi snakker om metaller her. Vanligvis består et objekt av metall ikke av molekyler. Det består av metallatomer, alle gruppert sammen. Dette vises på bildet nedenfor:
De røde sirkler er elektroner. Som du kan se, kan du ikke «virkelig si til hvilket atom et elektron» tilhører «.Disse elektronene danner forbindelsene mellom atomene – så de tilhører to atomer.
Nå, når en strøm begynner å strømme, beveger disse elektronene seg. Når en strøm flyter overføres energi. Siden atomene ikke kan bevege seg lett, må elektronene bevege seg.
Du kan se dette i enheten Ampere of current også: 1 ampere tilsvarer 1 Coulomb per sekund. Coulomb (C) er ladningsenhet (Q). 1 ampere betyr 1 ladningens coulomb passerer et visst punkt i løpet av 1 sekund. Denne ladningen produseres av elektronene som faktisk strømmer fra objekt en til objekt to.
Når vi » snakker om likestrøm (for eksempel vanlig batteridrevet applikasjon), vil ikke disse elektronene komme tilbake til kilden. Tenk på denne kretsen:
I begynnelsen er det en forskjell i ladningen mellom det negative og det positive pol: den negative polen har et overskudd av elektroner. Dette skaper en kraft (spenning), og siden det er en kobling mellom de to polene (ledningen og pæren), begynner elektronene å strømme. Elektronene beveger seg fra den negative polen gjennom pæren til den positive polen, til det ikke er noen forskjell i ladning lenger (eller det er så lite at den ikke får en strøm til å strømme).
Du kan nå se at disse elektronene ikke kom tilbake til kilden deres: de startet på den negative polen og endte på den positive polen.
Vi kaller dette en lukket bane fordi det » sa sirkel: strøm starter ved batteriet og slutter ved batteriet. Det er forvirring fordi batteriet faktisk består av to objekter: den positive og den negative polen.
Se på denne kretsen (som i utgangspunktet er den samme, men med en kondensator i stedet for et batteri og en motstand i stedet. av en pære):
Strøm strømmer fra høyre side av kondensatoren (negativt ladet, elektronoverskudd ) gjennom motstanden til venstre side av kondensatoren (positivt ladet, elektronmangel). Her er kondensatorplatene skilt, slik at du enkelt kan se at den faktisk ikke er en lukket bane.
Vi kaller det bare en lukket bane fordi strøm starter og slutter ved kondensatoren.
Siden elektronene ikke virkelig trenger å gå tilbake til basen sin, kan du nå forstå at elektroner kan strømme inn i jorden også. Dette er også det som skjer med lyn. Elektroner strømmer fra skyene til jorden (eller omvendt, jeg ville ikke vite), bare for å nøytralisere ladningsforskjellen.
Kommentarer
- Angående lyn: Begge retninger. » I gjennomsnitt over hele verden utgjør negative lyn de aller fleste, omtrent 90 prosent av alle streiker. … Forresten antas positive lynnedslag å være de farligste, siden de kan produsere veldig store strømmer, opptil 300 000 ampere! » ( kilde )
- Jeg liker energien din @Camil (ordspill ment), men du bør være oppmerksom på at det er en del subtile unøyaktigheter med dette svaret. Forvirringen er ikke at et batteri har to poler, forvirringen er at kretser ikke beskriver ‘ t bevegelsen til et enkelt elektron – de beskriver samlet oppførsel og energioverføring … din svaret fortsetter å lage de samme forvirrede antagelsene som førte til at OP stilte spørsmålet. Enten diskuter i det abstrakte, i så fall må strømmen gå tilbake til kilden – eller – diskutere det fysiske med elektroner og deres enhver-potensial-overflate-vil-gjøre-holdning.
- p.s. – Jeg stemte ikke ned. Bare for ordens skyld i tilfelle noen andre gjør det. – » ikke meg! «;)
- Det ville også være verdt å påpeke at selv om elektroner ikke reiser gjennom batterier, gjør strøm det. Dette er grunnen til at et batteri må ha en elektrolytt, og det fungerer nettopp fordi elektroner ‘ ikke kan reise gjennom det, men positive ioner kan. De positive ionene, som beveger seg i motsatt retning av elektronene, hindrer elektronene i å bevege seg gjennom kretsen fra å skape en likevekt til den kjemiske energien er utarmet. Selv om ionene og elektronene beveger seg i motsatte retninger, har de motsatte ladninger, og sammen utgjør de en komplett strømkrets i en retning.
- @CamilStaps vil en individuell elektron ta en tilfeldig vei hvor som helst den kan. Sannsynligvis skyldes det meste av denne bevegelsen termisk støy, og ikke den elektriske maskinen den tilfeldigvis er en del av. Bare hvis du tar gjennomsnittlig bevegelse av mange (mer enn milliarder) elektroner, vil du legge merke til at de beveger seg i en retning mer enn en annen. Og kretser beskriver ikke ‘ t elektronstrøm: de beskriver strømmen.