Det står i böcker att en krets är en sluten väg och därmed att elektroner kommer tillbaka till källan. Om så är fallet, vad skulle hända när det fanns ett jordfel i en krets? Hur skulle elektronerna återvända till sin källa?
Rör elektronerna sig faktiskt ut ur sina atomer eller vibrerar de bara och överför energin på det sättet när vi applicerar en spänning?
Kommentarer
- Jag diskuterade mer i mitt svar, men kretsar är ett abstrakt begrepp. ” elektroner kommer tillbaka till källan ” abstrakt betyder att de måste nå referenspotentialen. Till exempel ett jordat batteri och jorden: mobilavgifterna kan nå jorden eller batteriet negativt, men eftersom de har samma potential är de effektivt anslutna.
- När det finns ett jordfel är elektroner rör sig genom jordfelet, genom en jordanslutning, tillbaka till källan. Om det inte fanns någon jordanslutning, skulle det inte finnas någon ström, inte ens med ett jordfel. En helt isolerad krets skulle vara säkrare, men det är en annan fråga.
- Relaterat: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
- Relaterat: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Svar
Att tänka på ström i termer av elektroner som rör sig är starta en väg till en dålig mental modell av hur el fungerar. Här är bara några saker som är fel med det:
-
Elektroner är bara en av många laddningsbärare. Varje jon är också en laddningsbärare.
-
Protonerna som balanserar elektronerna är lika viktiga. Om du bara hade elektroner skulle alla elektroner i universum avvisas från varandra och skjuta ut i universum.
-
Elektroner har negativ laddning, och du kommer att förvirra dig själv utan goda skäl alls att tänka på hur de flyter från negativa till positiva. Det spelar ingen roll alls.
-
Elektroner svämmar faktiskt runt i alla slumpmässiga riktningar hela tiden, och deras rörelse på grund av ström är liten i jämförelse.
Det viktiga är detta: laddningsbärare (elektroner är en sådan) kan användas för att överföra en elektromotorisk kraft (kallas vanligtvis bara spänning). Det här är ett ganska vanligt koncept. Du kan trycka på den ena änden av en stav och överföra en mekanisk kraft till den andra änden av stången. Rör stången, när gör du det här? kanske, men det händer två saker här:
- kraft överförs genom stången, som vågor som sprider sig med ljudets hastighet i det materialet
- om och bara om vi sänder också kraft, stången rör sig, i de flesta fall med mycket långsammare hastighet
Skillnaden är uppenbar för en stång, men eftersom vi inte kan se elektrisk laddning är skillnaden inte uppenbar .
Så, din fråga var: Strömmar elektroner faktiskt w när en spänning appliceras? Strängt taget är svaret kanske och det beror på vad du menar med flöde . Det liknar frågan, rör sig ett rep när du drar i det? Tja, om det är fäst vid en ballong kan det röra sig mycket. Om den är fäst vid en tegelvägg kanske den inte rör sig alls.
Rörelserna för laddningsbärare (som elektroner) är ström . Om vi har en ström, då det finns en nettorörelse av laddningsbärare. De svärmar verkligen överallt, precis som de enskilda vattenmolekylerna svärmer runt i ett rör, även om det inte finns något nätflöde. Strömmen beskriver den genomsnittliga rörelsen. När det gäller likström är den genomsnittliga rörelsen i en cirkel.
Hur de enskilda laddningsbärarna samverkar för att åstadkomma detta är komplicerat, och det är verkligen en fysikfråga, inte en elektronikfråga. Jag föreslår att du kolla in den här MIT-självstudien om fält .
Kommentarer
- Men afaik kommer en massa elektroner att flyga isär, inte krama ihop i en boll.
- @WoutervanOoijen ja, jag antar att du har rätt 🙂 I alla fall skulle det vara en helt annan värld!
- 90% av allt jag läser är helt enkelt fel när det gäller elektroner som rör sig och lösa elektroner.
Svar
Elektroner rör sig fysiskt när en spänning appliceras – extremt långsamt .
En krets som matas med 100VDC, som driver en 1A-belastning (som en glödlampa) genom koppartråd med en diameter på 2 mm ser elektroner röra sig med hastigheten:
\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $
där
- Q är antalet elektroner per kubikcentimeter koppar (ungefär \ $ 8.5 \ gånger 10 ^ {22} \ $)
- R är trådens radie
- e är laddningen per elektron (ungefär \ $ 1,6 \ gånger 10 ^ {- 19} \ $ coulombs
Detta fungerar till 8,4 cm / timme . Inte precis snabbt.
Vilken nyckel är det faktum att det är energi genom kretsen nästan omedelbart – inte själva elektronerna. (Elektronerna gör en bekväm ”motorväg” för att låta energin strömma snabbt.)
Det är olyckligt att elektronernas långsamma drift under en spänning hamnade med samma namn som energiflödet som faktiskt fungerar i en krets.
Kommentarer
- Utan den långsamma drivningen av elektroner finns det ingen ström, så vi kan ’ har inte ett energiflöde. Ett energiflöde kallas kraft, och som vi vet, \ $ P = IE \ $. Om \ $ I = 0 \ $ kan det inte finnas något energiflöde. Så kanske de bara hälften har samma namn 🙂
- Det är sant. Kom ihåg, i AC vickar de bara och gör ’ t cirkulerar egentligen i sig.
- Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 är totalt antal elektroner per volym Cu. Endast en bråkdel av dessa elektroner är fria elektroner som deltar i ledning ( sv.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Så denna formel är fel.
- @Curd ditt nummer är fel, var fick du det? > ” Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektroner / cm ^ 3 är den totala antal elektroner per volym Cu. ” Nej, det totala antalet elektroner / cm ^ 3 för koppar är 2,46×10 ^ 24. Därför, om varje atom bara bidrar med en mobil elektron till metallen ’ s elektron-sea, då är den fria elektrontätheten = 2,46e24 / N, där N = 29 för koppar. Deras ovanstående ekvation är korrekt. Se samma beräkning i Halliday / Resnick physics, eller wikipedia, Drift_velocity
- @wbeaty: yup, du har rätt (jag don ’ Jag har inte Halliday men) Jag beräknar om och får ungefär rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 som totalt antal elektroner per cm ^ 3 (rho densisty, Mm molmassa, Na = AVogadro ’ s nummer). Jag minns inte ’ min beräkning för 2 år sedan …
Svar
Förväxla inte bekväm abstraktion med fysisk verklighet
- ” Kretsar ”är ett abstrakt begrepp som är utformat för att hjälpa oss att bättre resonera om världen.
- elektroner är en fysisk enhet.
En anteckning om ”stängda” banor
Kretsar med slutna banor innebär inte att elektroner återvänder till källan. Dessutom är elektronerna som lämnar källan extremt sällan samma elektroner som återgår till källans andra pol (se @madmangurumans svar för hastighetsförklaringen).
Mekaniska analogier
Det är som domino som faller. Energivågen sprids genom de fallande dominoerna, men dominoerna översätter inte mycket.
Kom ihåg att energi är laddningen av elektronen gånger den kraft som appliceras på den (spänning). Det är (överväldigande) krafterna som rör sig genom metallgallret, inte laddningarna (elektroner).
Precis som på den här bilden:
Krafterna överförs över kulorna, men kulorna förblir till stor del på plats. Till skillnad från de mekaniska kulorna, som balanseras av tyngdkraften, med elektroner i metalltrådar från galvaniska celler (batterier), finns det en långsam elektronernas totala drift (som bilar som fastnat i trafiken) till andra änden.
Ytterligare läsning
Du kan överväga detta svar jag gav på en liknande relaterad fysikfråga.
Kommentarer
- Heh, kretsar är vanliga makroobjekt, medan elektroner är teoretiska djur med starkt QM-beteende. Men jag håller med om: vi kan eliminera mycket abstraktion genom att använda kretsar byggda från laddad sand genom slangar eller laddade metallkulor på ett roterande plasthjul. I vilket fall som helst krävs laddningsdrift (ström) i alla kretsar. Analogi: med ett mekaniskt drivrem, använd högre och högre kraft / spänning vid lägre hastighet, tills remmen rör sig vid meter / tim men ändå överför kilowatt. Det verkar bara som om kraften är viktigare än rörelsen. Stoppa sloooow-bältet, och energin stannar också.
Svar
Vi pratar om metaller här. Vanligtvis består ett metallobjekt inte av molekyler. Det består av metallatomer, alla grupperade tillsammans. Detta visas på bilden nedan:
De röda cirklarna är elektroner. Som du kan se kan du inte säga till vilken atom en elektron tillhör.Dessa elektroner bildar förbindelserna mellan atomerna – så de tillhör två atomer.
Nu, när en ström börjar strömma, rör sig dessa elektroner verkligen. När en ström flyter överförs energi. Eftersom atomerna inte kan röra sig lätt måste elektronerna röra sig.
Du kan se detta i enheten Ampere of current också: 1 ampere är lika med 1 Coulomb per sekund. Coulomb (C) är laddningsenhet (Q). 1 ampere betyder 1 laddningscoulomb passerar en viss punkt på 1 sekund. Denna laddning produceras av elektronerna som faktiskt flödar från objekt ett till objekt två.
När vi är pratar om likström (till exempel normal batteridriven applikation), kommer dessa elektroner inte att återgå till sin källa. Tänk på den här kretsen:
I början är det en skillnad i laddning mellan det negativa och det positiva pol: den negativa polen har ett överskott av elektroner. Detta skapar en kraft (spänning), och eftersom det finns en länk mellan de två polerna (ledningen och glödlampan) börjar elektronerna flyta. Elektronerna rör sig från den negativa polen genom glödlampan till den positiva polen tills det inte längre finns någon skillnad i laddning (eller så är det så lite att den inte får en ström att strömma).
Du kan nu se att dessa elektroner inte återvände till sin källa: de började vid den negativa polen och slutade vid den positiva polen.
Vi kallar detta en stängd väg eftersom det ” en cirkel: ström börjar vid batteriet och slutar vid batteriet. Det är förvirring eftersom batteriet faktiskt består av två objekt: den positiva och den negativa polen.
Titta på denna krets (som i princip är densamma, men med en kondensator istället för ett batteri och ett motstånd istället av en glödlampa):
Strömmen flyter från kondensatorns högra sida (negativt laddad, elektronöverskott ) genom motståndet till kondensatorns vänstra sida (positivt laddad, elektronbrist). Här är kondensatorplattorna åtskilda så att du enkelt kan se att den faktiskt inte är en sluten väg.
Vi kallar det bara en sluten väg, eftersom strömmen börjar och slutar vid kondensatorn.
Eftersom elektronerna inte behöver återvända till sin bas, kan du nu förstå att elektroner kan också strömma in i jorden. Detta är också vad som händer med blixtar. Elektroner flyter från molnen till jorden (eller tvärtom, jag skulle inte veta det), bara för att neutralisera skillnaden i laddning.
Kommentarer
- När det gäller blixt: Båda riktningarna. ” I genomsnitt över hela världen utgör negativa blixtar de allra flesta, cirka 90 procent av alla strejker. … Positivt blixtnedslag tros förresten vara det farligaste, eftersom de kan producera mycket stora strömmar, upp till 300 000 ampere! ” ( källa )
- Jag gillar din energi @Camil (ordspel avsedd), men du bör vara medveten om att det finns ett antal subtila felaktigheter med detta svar. Förvirringen är inte att ett batteri har två poler, förvirringen är att kretsar ’ t beskriver rörelsen för en enskild elektron – de beskriver aggregerat beteende och energiöverföring … din svaret fortsätter att göra samma förvirrade antaganden som fick OP att ställa frågan. Antingen diskutera abstrakt, i vilket fall strömmen måste återvända till källan – eller – diskutera det fysiska med elektroner och deras valfri-att-jämföra-attityd.
- p.s. – Jag röstade inte ner. Bara för rekordet om någon annan gör det. – ” inte jag! ”;)
- Det vore också värt att påpeka att även om elektroner inte färdas genom batterier, gör ström . Det är därför ett batteri måste ha en elektrolyt, och det fungerar just för att elektroner kan ’ inte färdas genom det, men positiva joner kan. De positiva jonerna, som färdas i motsatt riktning mot elektronerna, förhindrar att elektronerna rör sig genom kretsen från att skapa en jämvikt tills den kemiska energin är utarmad. Även om jonerna och elektronerna rör sig i motsatta riktningar, har de motsatta laddningar och tillsammans skapar de en komplett strömkrets i en riktning.
- @CamilStaps kommer en enskild elektron att ta en slumpmässig väg var som helst den kan. Förmodligen hänför sig det mesta av denna rörelse till termiskt buller och inte till den elektriska maskin som den råkar vara en del av. Endast om du tar genomsnittlig rörelse för många (mer än miljarder) elektroner kommer du att märka att de rör sig i en riktning mer än en annan. Och kretsar beskriver inte ’ t elektronflöde: de beskriver strömflödet.