Czy elektrony faktycznie przepływają po przyłożeniu napięcia?

Myślenie o prądzie w kategoriach poruszających się elektronów to Rozpocznij ścieżkę do kiepskiego mentalnego modelu działania elektryczności. Oto tylko kilka nieprawidłowości:

• Elektrony są tylko jednym z wielu nośników ładunku. Każdy jon jest także nośnikiem ładunku.

• Protony, które równoważą elektrony, są równie ważne. Gdybyś miał tylko elektrony, wszystkie elektrony we Wszechświecie odpychałyby się od siebie i wystrzeliłyby do wszechświata.

• Elektrony mają ładunek ujemny i będziesz się mylić bez żadnego powodu myśląc o tym, jak przechodzą od negatywnego do pozytywnego. W rzeczywistości nie ma to żadnego znaczenia.

• Elektrony krążą wokół we wszystkich przypadkowych kierunkach przez cały czas, a ich ruch z powodu prądu jest w porównaniu z nimi bardzo mały.

Ważne jest to, że nośniki ładunku (jednym z nich są elektrony) mogą być używane do przenoszenia siły elektromotorycznej (zwykle nazywany po prostu napięciem). To naprawdę całkiem zwyczajna koncepcja. Możesz popchnąć jeden koniec pręta i przekazać siłę mechaniczną na drugi koniec pręta. Czy pręt się porusza, kiedy to robisz? Cóż, może, ale zachodzą tutaj dwie rzeczy:

1. siła jest przenoszona przez pręt, jako fale rozchodzące się z prędkością dźwięku w tym materiale
2. wtedy i tylko wtedy, gdy również przekazuje moc, pręt porusza się, w większości przypadków ze znacznie mniejszą prędkością

Różnica jest oczywista w przypadku pręta, ale ponieważ nie widzimy ładunku elektrycznego, różnica nie jest oczywista .

Twoje pytanie brzmiało: Czy elektrony faktycznie płyną w? czy napięcie jest przyłożone? Ściśle mówiąc, odpowiedź brzmi może i to zależy od tego, co rozumiesz przez przepływ . Jest podobne do pytania, czy lina porusza się, kiedy ją ciągniesz? Cóż, jeśli jest przymocowana do balonu, może się bardzo poruszać. Jeśli jest przymocowany do ściany z cegły, może w ogóle się nie poruszać.

Ruch nośników ładunku (np. Elektronów) jest prądem . Jeśli mamy prąd, to istnieje ruch sieciowy nośników ładunku. Naprawdę roją się one wszędzie, podobnie jak pojedyncze cząsteczki wody roją się w rurze, nawet jeśli nie ma przepływu netto. Prąd opisuje średni ruch. W przypadku prądu stałego średni ruch jest po okręgu.

Sposób, w jaki poszczególne nośniki ładunku oddziałują, aby to osiągnąć, jest skomplikowany i tak naprawdę jest to kwestia fizyki, a nie elektroniki. Jednakże, Proponuję zapoznać się z tym samouczkiem MIT dotyczącym pól .

Komentarze

• Ale afaik, kilka elektronów rozpadnie się, a nie połączy się w kulkę.
• @WoutervanOoijen tak, myślę, że masz rację 🙂 W każdym razie byłby to zupełnie inny świat!
• 90% wszystkiego, co czytam, jest po prostu błędne, jeśli chodzi o poruszające się elektrony i luźne elektrony.

Elektrony poruszają się fizycznie po przyłożeniu napięcia – bardzo wolno .

Obwód zasilany napięciem 100 V DC, zasilający obciążenie 1 A (jak żarówka) przez drut miedziany o średnicy 2 mm, zobaczy elektrony poruszające się z prędkością:

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

gdzie

• Q to liczba elektronów na centymetr sześcienny miedzi (w przybliżeniu \ $ 8.5 \ times 10 ^ {22} \ $)
• R to promień drutu
• e to ładunek na elektron (w przybliżeniu \ $ 1,6 \ times 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

To daje 8,4 cm / godzinę . Niezupełnie szybko.

Kluczem jest to, że to energia ściga się przez obwód prawie natychmiast – nie same elektrony. (Elektrony tworzą wygodną „autostradę”, która umożliwia szybki przepływ energii).

To niefortunne, że powolny dryf elektronów pod napięciem miał taką samą nazwę jak przepływ energii, który w rzeczywistości działa w obwodzie.

Komentarze

• Bez tego wolnego dryftu elektronów nie ma prądu, więc możemy ' t ma przepływ energii. Przepływ energii nazywa się mocą i, jak wiemy, \ $ P = IE \ $. Jeśli \ $ I = 0 \ $, nie może być przepływu energii. może tylko połowa ma to samo imię 🙂
• To prawda. Pamiętaj, że w AC po prostu się poruszają i nie ' naprawdę nie krąży.
• Q = 8,5 × 10 ^ 22 elektronów / cm ^ 3 to całkowita liczba elektronów na objętości Cu. Tylko ułamek tych elektronów to wolne elektrony, które biorą udział w przewodzeniu ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Zatem ta formuła jest źle.
• @Curd twój numer jest zły, skąd go masz? > ” Q = 8,5 × 10 ^ 22 elektronów / cm ^ 3 to suma liczba elektronów na objętość Cu. ” Nie, całkowita liczba elektronów / cm ^ 3 dla miedzi wynosi 2,46×10 ^ 24. Dlatego też, jeśli każdy atom dostarcza tylko jeden ruchomy elektron do metalu ' s elektronowego morza, wówczas gęstość swobodnych elektronów = 2,46e24 / N, gdzie N = 29 dla miedzi. Ich powyższe równanie jest poprawne. Zobacz ten sam kalkulator w fizyce Halliday / Resnick lub wikipedii, Drift_velocity
• @wbeaty: tak, masz rację (nie ' nie mam Hallidaya, ale) Przeliczyłem i otrzymałem około rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 jako całkowitą liczbę elektronów na cm ^ 3 (rho densisty, Mm masa molowa, Na = AVogadro ' s numer). Nie ' nie pamiętam obliczeń sprzed 2 lat …

Mówimy tutaj o metalach. Zazwyczaj obiekt metalowy nie składa się z cząsteczek. Składa się z atomów metalu zgrupowanych razem. Jest to pokazane na poniższym obrazku:

Czerwone kółka to elektrony. Jak widać, „nie można naprawdę powiedzieć, do jakiego atomu należy” elektron.Elektrony te tworzą połączenia między atomami – a więc należą do dwóch atomów.

Teraz, gdy zaczyna płynąć prąd, elektrony te rzeczywiście się poruszają. Kiedy płynie prąd, energia jest przenoszona. Ponieważ atomy nie mogą się swobodnie poruszać, elektrony muszą się poruszać.

Możesz to zobaczyć również w jednostce ampera prądu: 1 amper to 1 kulomb na sekundę. Kulomb (C) to jednostka ładunku (Q). 1 Amper oznacza, że 1 kulomb ładunku przechodzi przez określony punkt w ciągu 1 sekundy. Ładunek ten jest wytwarzany przez elektrony, które faktycznie przepływają od obiektu 1 do obiektu 2.

Kiedy „re mówiąc o prądzie stałym (np. normalna aplikacja zasilana z baterii), elektrony te nie powrócą do swojego źródła. Rozważ ten obwód:

Na początku istnieje różnica w ładunku między ujemnym a dodatnim biegun: biegun ujemny ma nadwyżkę elektronów, co tworzy siłę (napięcie), a ponieważ istnieje połączenie między dwoma biegunami (drutem i żarówką), elektrony zaczynają płynąć. Elektrony przemieszczają się od bieguna ujemnego przez żarówkę do bieguna dodatniego, aż nie będzie już żadnej różnicy w ładunku (lub będzie tak mało, że nie spowoduje to przepływu prądu).

Teraz możesz zobaczyć, że te elektrony nie powróciły do swojego źródła: zaczęły się na biegunie ujemnym i zakończyły na biegunie dodatnim.

Nazywamy to ścieżką zamkniętą, ponieważ tam ” koło sa: prąd zaczyna się na akumulatorze i kończy na akumulatorze. Występuje zamieszanie, ponieważ bateria w rzeczywistości składa się z dwóch obiektów: bieguna dodatniego i ujemnego.

Spójrz na ten obwód (który jest w zasadzie taki sam, ale zamiast tego ma kondensator zamiast baterii i rezystor żarówki):

Prąd płynie z prawej strony kondensatora (ujemnie naładowany, nadwyżka elektronów ) przez rezystor do lewej strony kondensatora (dodatnio naładowany, brak elektronów). Tutaj płytki kondensatora są rozdzielone, więc łatwo można zobaczyć, że faktycznie nie jest to zamknięta ścieżka.

Nazywamy to po prostu zamkniętą ścieżką, ponieważ prąd zaczyna się i kończy na kondensatorze.

Ponieważ elektrony nie muszą tak naprawdę wracać do swojej bazy, możesz teraz zrozumieć, że elektrony mogą również wpływać do ziemi. To samo dzieje się z piorunami. Elektrony przepływają z chmur na ziemię (lub na odwrót, nie wiem), aby zneutralizować różnicę w ładunku.

Komentarze

• Odnośnie wyładowań atmosferycznych: w obu kierunkach. ” Średnio na całym świecie negatywne wyładowania atmosferyczne stanowią zdecydowaną większość, około 90 procent wszystkich uderzeń. … Nawiasem mówiąc, pozytywne uderzenia pioruna są uważane za najbardziej niebezpieczne, ponieważ mogą wytwarzać bardzo duże prądy, do 300 000 amperów! ” ( źródło )
• Podoba mi się twoja energia @Camil (gra słów zamierzona), ale powinieneś mieć świadomość, że istnieje wiele subtelnych nieścisłości w tej odpowiedzi. Nieporozumienie nie polega na tym, że bateria ma dwa bieguny, niejasność polega na tym, że obwody nie ' nie opisują ruchu żadnego pojedynczego elektronu – opisują zagregowane zachowanie i przenoszenie energii … odpowiedź nadal zawiera te same niejasne założenia, które skłoniły PO do zadania pytania. Albo przedyskutuj w skrócie, w którym przypadku prąd musi wrócić do źródła – lub – omówić zjawisko fizyczne z elektronami i ich nastawieniem na jakąkolwiek ekwipotencjalną powierzchnię.
• s. – Nie odrzuciłem głosu. Tak dla porządku, na wypadek gdyby zrobił to ktoś inny. – ” nie ja! „;)
• Warto również wskazać, że chociaż elektrony nie podróżują przez baterie, prąd tak. Dlatego bateria musi mieć elektrolit i działa dokładnie, ponieważ elektrony mogą przez niego ' t podróżować, ale jony dodatnie mogą. Jony dodatnie, podróżujące w przeciwnym kierunku niż elektrony, uniemożliwiają elektronom poruszającym się w obwodzie tworzenie równowagi, aż do wyczerpania energii chemicznej. Chociaż jony i elektrony poruszają się w przeciwnych kierunkach, mają przeciwne ładunki i razem tworzą pełny obwód prądu w jednym kierunku.
• @CamilStaps Pojedynczy elektron podąży losową ścieżką, gdziekolwiek się da. Prawdopodobnie większość tego ruchu można przypisać szumowi termicznemu, a nie elektrycznej maszynie, w której jest on częścią. Tylko jeśli weźmiesz średni ruch wielu (więcej niż miliardów) elektronów, zauważysz, że poruszają się one w jednym kierunku bardziej niż w drugim. Obwody nie ' nie opisują przepływu elektronów: opisują przepływ prądu.