Gaan elektronen werkelijk stromen als er spanning op wordt gezet?

Denken over stroom in termen van rondbewegende elektronen is de een pad inslaan naar een slecht mentaal model van hoe elektriciteit werkt. Hier zijn slechts een paar dingen die er mis mee zijn:

• Elektronen zijn slechts een van de vele ladingsdragers. Elk ion is ook een ladingsdrager.

• De protonen die de elektronen in evenwicht houden, zijn net zo belangrijk. Als je alleen elektronen had, dan zouden alle elektronen in het universum van elkaar worden afgestoten en het universum in schieten.

• Elektronen hebben een negatieve lading, en je zult jezelf in verwarring brengen zonder enige goede reden nadenken over hoe ze van negatief naar positief gaan. Het maakt eigenlijk helemaal niet uit.

• Elektronen zwermen eigenlijk de hele tijd rond in alle willekeurige richtingen, en hun beweging als gevolg van stroom is in vergelijking minuscuul.

Het belangrijkste is dit: ladingsdragers (elektronen zijn er een van) kunnen worden gebruikt om een elektromotorische kracht over te brengen (meestal gewoon spanning genoemd). Dit is eigenlijk een vrij gewoon concept. Je kunt het ene uiteinde van een staaf duwen en een mechanische kracht overbrengen op het andere uiteinde van de staaf. Beweegt de staaf, wanneer doe je dit? misschien, maar er gebeuren hier twee dingen:

1. kracht wordt overgebracht door de staaf, als golven die zich voortplanten met de snelheid van geluid in dat materiaal
2. als en slechts als we zendt ook vermogen uit, de staaf beweegt, in de meeste gevallen met een veel langzamere snelheid

Het verschil is duidelijk voor een staaf, maar aangezien we geen elektrische lading kunnen zien, is het verschil niet duidelijk .

Dus je vraag was: Stromen elektronen werkelijk w als er spanning wordt aangelegd? Strikt genomen is het antwoord misschien , en het hangt ervan af wat je bedoelt met flow . Het is vergelijkbaar met de vraag: beweegt een touw als je eraan trekt? Wel, als het aan een ballon is vastgemaakt, kan het veel bewegen. Als het aan een bakstenen muur is bevestigd, beweegt het misschien helemaal niet.

De beweging van ladingsdragers (zoals elektronen) is stroom . Als we stroom hebben, dan er is een netto beweging van ladingsdragers. In werkelijkheid zwermen ze overal, net zoals de individuele watermoleculen rondzwermen in een buis, zelfs als er geen netto stroom is. De stroom beschrijft de gemiddelde beweging. In het geval van gelijkstroom is de gemiddelde beweging in een cirkel.

Hoe de individuele ladingsdragers samenwerken om dit te bereiken, is ingewikkeld, en het is echt een fysische vraag, geen elektronische kwestie. Ik raad je aan deze MIT-tutorial over velden te bekijken.

Reacties

• Maar afaik zal een stel elektronen uit elkaar vliegen, niet samen in een bal knuffelen.
• @WoutervanOoijen ja, ik denk dat je gelijk hebt 🙂 Het zou in ieder geval een heel andere wereld zijn!
• 90% van alles wat ik lees is gewoon verkeerd als het gaat om rondbewegende elektronen en losse elektronen.

Elektronen doen bewegen fysiek wanneer een spanning wordt aangelegd – extreem langzaam .

Een circuit met stroom van 100 VDC dat een 1A-belasting (zoals een gloeilamp) voedt via koperdraad met een diameter van 2 mm, zal elektronen zien bewegen met een snelheid van:

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

waarbij

• Q is het aantal elektronen per kubieke centimeter koper (ongeveer \ $ 8.5 \ maal 10 ^ {22} \ $)
• R is de straal van de draad
• e is de lading per elektron (ongeveer \ $ 1,6 \ maal 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

Dit komt neer op 8,4 cm / uur . Niet bepaald snel.

Het belangrijkste is dat het de energie is die door het circuit bijna ogenblikkelijk – niet de elektronen zelf. (De elektronen vormen een handige “snelweg” om de energie snel te laten stromen.)

Het is jammer dat de langzame drift van elektronen onder een spanning uiteindelijk dezelfde naam kreeg als de energiestroom die eigenlijk werkt wel in een circuit.

Opmerkingen

• Zonder die langzame drift van elektronen is er geen stroom, dus kunnen we ‘ hebben geen energiestroom. Een energiestroom wordt kracht genoemd, en zoals we weten, \ $ P = IE \ $. Als \ $ I = 0 \ $, dan kan er geen energiestroom zijn. Dus misschien hebben ze maar de helft dezelfde naam 🙂
• Dat is waar. Let wel, in AC wiebelen ze en trekken ‘ t echt per se circuleren.
• Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektronen / cm ^ 3 is het totale aantal elektronen per volume Cu. Slechts een fractie van die elektronen zijn vrije elektronen die deelnemen aan geleiding ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Dus deze formule is fout.
• @Curd uw nummer is verkeerd, waar heeft u het vandaan? > ” Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 is het totaal aantal elektronen per volume Cu. ” Nee, het totale aantal elektronen / cm ^ 3 voor koper is 2,46 x 10 ^ 24. Daarom, als elk atoom slechts één mobiel elektron bijdraagt aan het metaal ‘ s elektron-zee, dan is de vrije elektronendichtheid = 2,46e24 / N, waarbij N = 29 voor koper. Hun bovenstaande vergelijking is correct. Zie dezelfde berekening in Halliday / Resnick physics, of wikipedia, Drift_velocity
• @wbeaty: ja, je hebt gelijk (ik don ‘ heb geen Halliday maar) Ik herberekend en krijg ongeveer rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 als totaal aantal elektronen per cm ^ 3 (rho densisty, Mm molaire massa, Na = AVogadro ‘ s nummer). Ik ‘ kan me mijn berekening 2 jaar geleden niet herinneren …

Verwar gemakkelijke abstractie niet met fysieke realiteit.

• ” Circuits “zijn een abstract concept dat is ontworpen om ons te helpen beter te redeneren over de wereld.
• elektronen zijn dat wel een fysieke entiteit.

Een opmerking over gesloten paden

Gesloten padcircuits impliceren niet dat elektronen terugkeren naar de bron. Bovendien zijn de elektronen die de bron verlaten uiterst zelden de dezelfde elektronen die terugkeren naar de andere pool van de bron (zie het antwoord van @madmanguruman voor de snelheidsverklaring).

Mechanische analogieën

Het zijn als dominostenen die vallen. De energiegolf plant zich voort door de vallende dominostenen, maar de dominos vertalen niet veel.

Onthoud dat energie de lading is van het elektron maal de kracht die erop wordt uitgeoefend (spanning). Het zijn (overweldigend) de krachten die door het metalen rooster bewegen, niet de ladingen (elektronen).

Net als op deze foto:

De krachten worden over de ballen overgedragen, maar de ballen blijven grotendeels op hun plaats. In tegenstelling tot de mechanische ballen, die in evenwicht worden gehouden door de zwaartekracht, met elektronen in metalen draden van galvanische cellen (batterijen), is er een algemene drift van de elektronen (zoals autos die vastzitten in het verkeer) naar het andere uiteinde.

Verder lezen

Je zou dit kunnen overwegen antwoord dat ik gaf op een soortgelijke gerelateerde natuurkundige vraag.

Opmerkingen

• Heh, circuits zijn gewone macro-objecten, terwijl elektronen theoretische beesten zijn met sterk QM-gedrag. Maar ik ben het ermee eens: we kunnen veel abstractie elimineren door circuits te gebruiken die zijn opgebouwd uit geladen zand via slangen, of geladen metalen ballen op een roterend plastic wiel. In elk geval is ladingsdrift (stroom) vereist in elk circuit. Analoog: gebruik bij een mechanische aandrijfriem steeds hogere kracht / spanning bij lagere snelheid, totdat de riem met meters / uur beweegt en toch kilowatts overbrengt. Het lijkt alleen alsof de kracht belangrijker is dan de beweging. Stop de sloooow-band, en de energie stopt ook.

We hebben het hier over metalen. Een metaalobject bestaat doorgaans niet uit moleculen. Het bestaat uit metaalatomen, allemaal bij elkaar gegroepeerd. Dit wordt getoond in de onderstaande afbeelding:

De rode cirkels zijn elektronen. Zoals je kunt zien, kun je “niet echt zeggen tot welk atoom een elektron” behoort.Deze elektronen vormen de verbindingen tussen de atomen – ze behoren dus tot twee atomen.

Als er nu een stroom gaat stromen, bewegen deze elektronen inderdaad. Als er een stroom vloeit, wordt energie overgedragen. Omdat de atomen “niet gemakkelijk kunnen bewegen, moeten de elektronen bewegen.

Dit zie je ook in de eenheid Ampère stroom: 1 ampère is gelijk aan 1 Coulomb per seconde. De Coulomb (C) is de ladingseenheid (Q). 1 ampère betekent dat 1 coulomb van lading een bepaald punt passeert in 1 seconde. Deze lading wordt geproduceerd door de elektronen die feitelijk van object één naar object twee stromen.

Wanneer we als we het hebben over gelijkstroom (bijvoorbeeld een normale batterijgevoede toepassing), zullen deze elektronen niet terugkeren naar hun bron. Beschouw dit circuit als volgt:

Aan het begin is er een verschil in lading tussen het negatieve en het positieve pool: de negatieve pool heeft een overschot aan elektronen, hierdoor ontstaat een kracht (spanning), en aangezien er een verband is tussen de twee polen (de draad en de bol), gaan de elektronen stromen. De elektronen bewegen van de negatieve pool door de lamp naar de positieve pool, totdat er geen verschil in lading meer is (of zo weinig dat er geen stroom gaat lopen).

Je kunt nu zien dat deze elektronen niet terugkeerden naar hun bron: ze begonnen bij de negatieve pool en eindigden bij de positieve pool.

We noemen dit een gesloten pad omdat daar ” sa cirkel: stroom begint bij de batterij en eindigt bij de batterij. Er is verwarring omdat de batterij eigenlijk uit twee objecten bestaat: de positieve en de negatieve pool.

Kijk naar deze schakeling (die in wezen hetzelfde is, maar met een condensator in plaats van een batterij en een weerstand in plaats van een lamp):

Stroom vloeit vanaf de rechterkant van de condensator (negatief geladen, elektronenoverschot ) via de weerstand naar de linkerkant van de condensator (positief geladen, elektronen tekort) Hier zijn de condensatorplaten gescheiden, zodat je gemakkelijk kunt zien dat het eigenlijk geen gesloten pad is.

We noemen het gewoon een gesloten pad, omdat de stroom begint en eindigt bij de condensator.

Aangezien de elektronen niet echt naar hun basis hoeven terug te keren, kun je nu begrijpen dat elektronen kunnen ook de aarde instromen. Dit is ook wat er gebeurt met bliksem. Elektronen stromen van de wolken naar de aarde (of andersom, ik zou het niet weten), alleen om het verschil in lading te neutraliseren.

Opmerkingen

• Met betrekking tot bliksem: beide richtingen. ” Gemiddeld vormen negatieve bliksemflitsen wereldwijd de overgrote meerderheid, ongeveer 90 procent van alle inslagen. … Overigens wordt aangenomen dat positieve blikseminslagen het gevaarlijkst zijn, aangezien ze zeer grote stromen kunnen produceren, tot 300.000 ampère! ” ( source )
• Ik hou van je energie @Camil (bedoelde woordspeling), maar je moet er rekening mee houden dat er een aantal subtiele onnauwkeurigheden in dit antwoord zijn. De verwarring is niet dat een batterij twee polen heeft, de verwarring is dat circuits niet ‘ de beweging van een enkel elektron beschrijven – ze beschrijven geaggregeerd gedrag en energieoverdracht … jouw antwoord blijft dezelfde verwarde veronderstellingen maken die het OP ertoe brachten de vraag te stellen. Bespreek het in abstracto, in welk geval de stroom moet terugkeren naar de bron – of – bespreek het fysieke met elektronen en hun elk-equipotentiaal-oppervlak-will-do-houding.
• p.s. – Ik heb niet gestemd. Voor de goede orde voor het geval iemand anders dat doet. – ” ik niet! “;)
• Het zou ook de moeite waard zijn om erop te wijzen dat, hoewel elektronen niet reizen door batterijen, stroom doet. Dit is de reden waarom een batterij een elektrolyt moet hebben, en het werkt precies omdat elektronen er ‘ niet doorheen kunnen reizen, maar positieve ionen wel. De positieve ionen, die in de tegenovergestelde richting van de elektronen reizen, voorkomen dat de elektronen die door het circuit bewegen een evenwicht creëren totdat de chemische energie is uitgeput. Hoewel de ionen en elektronen in tegengestelde richtingen bewegen, hebben ze tegengestelde ladingen en vormen ze samen een compleet stroomcircuit in één richting.
• @CamilStaps een individueel elektron zal overal een willekeurig pad volgen. Waarschijnlijk is het grootste deel van deze beweging toe te schrijven aan thermische ruis, en niet aan de elektrische machine waarin het toevallig een onderdeel is. Alleen als je de gemiddelde beweging van vele (meer dan miljarden) elektronen neemt, zul je merken dat ze meer in de ene richting dan in de andere bewegen. En circuits beschrijven niet ‘ t de elektronenstroom: ze beschrijven de huidige stroom.