Diz-se nos livros que um circuito é um caminho fechado e, portanto, que os elétrons voltam para a fonte. Se for esse o caso, o que seria acontecer quando houver uma falha de aterramento em um circuito? Como os elétrons voltariam à sua fonte?
Os elétrons realmente saem de seus átomos ou eles apenas vibram e transferem a energia dessa forma quando aplicamos uma voltagem?
Comentários
- Discuti mais em minha resposta, mas os circuitos são um conceito abstrato. ” elétrons voltam para a fonte ” no abstrato significa que eles devem atingir o potencial de referência. Por exemplo, uma bateria aterrada e a Terra: as cargas móveis podem atingir a Terra ou o negativo da bateria, mas como têm o mesmo potencial, estão efetivamente conectadas.
- Quando há uma falha de aterramento, o os elétrons se movem através da falha de aterramento, através de uma conexão de aterramento, de volta à fonte. Se não houvesse conexão de aterramento, não haveria corrente, mesmo com uma falha de aterramento. Um circuito totalmente isolado seria mais seguro, mas essa é outra questão.
- Relacionado: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
- Relacionado: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Resposta
Pensar na corrente em termos de elétrons se movendo é o Comece por um caminho para um modelo mental pobre de como a eletricidade funciona. Aqui estão apenas algumas coisas erradas com ele:
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Os elétrons são apenas um dos muitos portadores de carga. Qualquer íon também é um portador de carga.
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Os prótons que equilibram os elétrons são igualmente importantes. Se você tivesse apenas elétrons, todos os elétrons do universo seriam repelidos uns dos outros e disparariam para o universo.
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Os elétrons têm carga negativa e você se confundirá sem nenhuma razão pensando sobre como eles fluem do negativo para o positivo. Na verdade, não importa.
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Os elétrons estão, na verdade, enxameando em todas as direções aleatórias o tempo todo, e seu movimento devido à corrente é minúsculo, em comparação.
O importante é o seguinte: portadores de carga (sendo os elétrons um deles) podem ser usados para transmitir uma força eletromotriz (normalmente chamado apenas de tensão). Este é um conceito bastante comum, na verdade. Você pode empurrar uma extremidade de uma haste e transmitir uma força mecânica para a outra extremidade. A haste se move, quando você faz isso? Bem, talvez, mas há duas coisas acontecendo aqui:
- a força é transmitida através da haste, como ondas que se propagam na velocidade do som naquele material
- se e somente se nós também transmitem energia, a haste se move, na maioria dos casos a uma velocidade muito mais lenta
A diferença é óbvia para uma haste, mas como não podemos ver a carga elétrica, a diferença não é óbvia .
Então, sua pergunta era: Os elétrons realmente fluem w uando uma tensão é aplicada? Falando estritamente, a resposta é talvez , e depende do que você entende por fluxo . É semelhante à pergunta: uma corda se move quando você a puxa? Bem, se ela estiver presa a um balão, pode se mover muito. Se estiver preso a uma parede de tijolos, pode não se mover.
O movimento dos portadores de carga (como elétrons) é corrente . Se tivermos uma corrente, então há um movimento líquido de portadores de carga. Na verdade, eles estão fervilhando por toda parte, assim como as moléculas de água individuais estão fervilhando em um cano, mesmo que não haja fluxo líquido. A corrente descreve o movimento médio. No caso da corrente CC, o movimento médio é em um círculo.
Como os portadores de carga individuais interagem para realizar isso é complicado, e é realmente uma questão de física, não de eletrônica. No entanto, Eu sugiro que você confira este tutorial do MIT sobre campos .
Comentários
- Mas afaik um monte de elétrons se separarão, não se aninharão em uma bola.
- @WoutervanOoijen sim, acho que você está certo 🙂 De qualquer forma, seria um mundo muito diferente!
- 90% de tudo que li é simplesmente errado quando se trata de elétrons se movendo e elétrons soltos.
Resposta
Os elétrons movem-se fisicamente quando uma tensão é aplicada – extremamente devagar .
Um circuito energizado a 100 VCC, alimentando uma carga 1A (como uma lâmpada) por meio de um fio de cobre de 2 mm de diâmetro verá os elétrons se movendo à taxa de:
\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
onde
- Q é o número de elétrons por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente \ $ 8.5 \ times 10 ^ {22} \ $)
- R é o raio do fio
- e é a carga por elétron (aproximadamente \ $ 1,6 \ times 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)
Isso funciona para 8,4 cm / hora . Não exatamente rápido.
O que é fundamental é o fato de ser a energia que corre através do circuito quase instantaneamente – não os próprios elétrons. (Os elétrons formam uma “estrada” conveniente para permitir que a energia flua rapidamente.)
É uma pena que a lenta deriva dos elétrons sob uma voltagem acabou com o mesmo nome do fluxo de energia que realmente funciona em um circuito.
Comentários
- Sem esse deslocamento lento dos elétrons, não há corrente, então podemos ‘ t temos um fluxo de energia. Um fluxo de energia é chamado de potência e, como sabemos, \ $ P = IE \ $. Se \ $ I = 0 \ $, então não pode haver fluxo de energia. talvez eles apenas metade tenham o mesmo nome 🙂
- É verdade. Lembre-se, em AC, eles apenas se mexem e não ‘ realmente circulam per se.
- Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 é o total número de elétrons por volume de Cu. Apenas uma fração desses elétrons são elétrons livres que participam da condução ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Portanto, esta fórmula é errado.
- @Curd seu numero esta errado, onde voce conseguiu isso? > ” Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 é o total número de elétrons por volume de Cu. ” Não, o número total de elétrons / cm ^ 3 para o cobre é 2,46×10 ^ 24. Portanto, se cada átomo contribui com apenas um elétron móvel para o mar de elétrons ‘ s do metal, então a densidade do elétron livre = 2,46e24 / N, onde N = 29 para o cobre. A equação acima está correta. Veja este mesmo cálculo em Halliday / Resnick physics, ou wikipedia, Drift_velocity
- @wbeaty: sim, você está certo (eu não ‘ t tenho Halliday, mas) eu recalculei e obtive cerca de rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 como o número total de elétrons por cm ^ 3 (rho densisty, Mm massa molar, Na = AVogadro ‘ s número). Não ‘ não me lembro do meu cálculo de 2 anos atrás …
Resposta
Não confunda abstração conveniente com realidade física
- ” Circuitos “são um conceito abstrato projetado para nos ajudar a raciocinar melhor sobre o mundo.
- elétrons são uma entidade física.
Uma nota sobre caminhos “fechados”
Os circuitos de caminho fechado não implicam que os elétrons retornem à fonte. Além disso, os elétrons que deixam a fonte são extremamente raramente os mesmos elétrons que retornam ao outro pólo da fonte (veja a resposta de @madmanguruman para a explicação da velocidade).
Analogias mecânicas
É como dominó naquele outono. A onda de energia se propaga através dos dominós que caem, mas os dominós não traduzem muito.
Lembre-se de que a energia é a carga do elétron vezes a força aplicada a ele (voltagem). São (esmagadoramente) as forças que estão se movendo através da rede metálica, não as cargas (elétrons).
Assim como nesta imagem:
As forças se transferem através das bolas, mas as bolas permanecem praticamente no lugar. Ao contrário das bolas mecânicas, que são balanceadas pela gravidade, com elétrons em fios de metal de células galvânicas (baterias), há um processo lento deriva geral dos elétrons (como carros presos no trânsito) para a outra extremidade.
Leitura adicional
Você pode considerar isto resposta que dei a uma pergunta semelhante relacionada à física.
Comentários
- Heh, circuitos são macrobjetos comuns, enquanto elétrons são bestas teóricas com forte comportamento de QM. Mas eu concordo: podemos eliminar muita abstração usando circuitos construídos com areia carregada por meio de mangueiras ou bolas de metal carregadas em uma roda de plástico giratória. Em qualquer caso, o desvio de carga (corrente) é necessário em qualquer circuito. Analogia: com uma correia de transmissão mecânica, empregue força / tensão cada vez mais alta em velocidade menor, até que a correia se mova a metros / h e ainda transfira quilowatts. Apenas parece que a força é mais importante do que o movimento. Pare o cinto lento e a energia para também.
Resposta
Estamos falando de metais aqui. Normalmente, um objeto de metal não consiste em moléculas. Consiste em átomos de metal, todos agrupados. Isso é mostrado na imagem abaixo:
Os círculos vermelhos são elétrons. Como você pode ver, não é possível dizer a que átomo um elétron “pertence”.Esses elétrons formam as conexões entre os átomos – então eles pertencem a dois átomos.
Agora, quando uma corrente começa a fluir, esses elétrons realmente se movem. Quando uma corrente flui, a energia é transferida. Como os átomos não podem se mover facilmente, os elétrons precisam se mover.
Você também pode ver isso na unidade de Ampere da corrente: 1 ampere é igual a 1 Coulomb por segundo. O Coulomb (C) é o unidade de carga (Q). 1 Ampere significa 1 Coulomb de carga que passa por um certo ponto em 1 segundo. Esta carga é produzida pelos elétrons que realmente fluem do objeto um para o objeto dois.
Quando estamos falando sobre corrente DC (aplicação normal alimentada por bateria, por exemplo), esses elétrons não retornarão à sua fonte. Considere este circuito:
No início, há “uma diferença de carga entre o negativo e o positivo pólo: o pólo negativo tem um excedente de elétrons. Isso cria uma força (voltagem) e, como há uma ligação entre os dois pólos (o fio e o bulbo), os elétrons começam a fluir. Os elétrons se movem do pólo negativo através do bulbo para o pólo positivo, até que não haja mais diferença de carga (ou é tão pouco que não fará com que uma corrente flua).
Agora você pode ver que esses elétrons não retornaram à sua fonte: eles começaram no pólo negativo e terminaram no pólo positivo.
Chamamos isso de caminho fechado porque há ” um círculo: a corrente começa na bateria e termina na bateria. Há confusão porque a bateria realmente existe de dois objetos: o pólo positivo e o negativo.
Olhe para este circuito (que é basicamente o mesmo, mas com um capacitor em vez de uma bateria e um resistor em vez de uma lâmpada):
A corrente flui do lado direito do capacitor (carga negativa, elétrons excedentes ) através do resistor do lado esquerdo do capacitor (carga positiva, falta de elétrons). Aqui, as placas do capacitor são separadas, então você pode ver facilmente que na verdade não é um caminho fechado.
Nós apenas o chamamos de caminho fechado, porque a corrente começa e termina no capacitor.
Já que os elétrons não precisam realmente retornar à sua base, agora você pode entender que os elétrons também podem fluir para a terra. Isso também acontece com os relâmpagos. Os elétrons fluem das nuvens para a terra (ou o contrário, não sei), apenas para neutralizar a diferença de carga.
Comentários
- Sobre raios: ambas as direções. ” Em média, em todo o mundo, os relâmpagos negativos constituem a grande maioria, cerca de 90 por cento de todos os ataques. … A propósito, acredita-se que os relâmpagos positivos sejam os mais perigosos, pois podem produzir correntes muito grandes, de até 300.000 amperes! ” ( fonte )
- Gosto da sua energia @Camil (trocadilho intencional), mas você deve estar ciente de que há uma série de imprecisões sutis nessa resposta. A confusão não é que uma bateria tem dois pólos, a confusão é que os circuitos não ‘ t descrevem o movimento de qualquer elétron – eles descrevem o comportamento agregado e a transferência de energia … seu A resposta continua a fazer as mesmas suposições confusas que levaram o OP a fazer a pergunta. Discuta no abstrato, caso em que a corrente deve retornar à fonte – ou – discuta o físico com os elétrons e sua atitude de qualquer superfície equipotencial.
- p.s. – Eu não votei contra. Apenas para registro, caso outra pessoa o faça. – ” não eu! “;)
- Também valeria a pena apontar que, embora os elétrons não viajem através de baterias, a corrente sim. É por isso que uma bateria deve ter um eletrólito e funciona precisamente porque os elétrons não podem ‘ t viajar através dela, mas os íons positivos podem. Os íons positivos, viajando na direção oposta dos elétrons, evitam que os elétrons que se movem através do circuito criem um equilíbrio até que a energia química se esgote. Embora os íons e elétrons se movam em direções opostas, eles têm cargas opostas e, juntos, formam um circuito completo de corrente em uma direção.
- @CamilStaps um elétron individual seguirá um caminho aleatório em qualquer lugar que puder. Provavelmente, a maior parte desse movimento é atribuída ao ruído térmico, e não à máquina elétrica da qual ele faz parte. Somente se você tomar o movimento médio de muitos (mais de bilhões) de elétrons, você notará que eles estão se movendo mais em uma direção do que em outra. E os circuitos não ‘ t descrevem o fluxo de elétrons: eles descrevem o fluxo de corrente.