Dlaczego nie ma prądu w przewodzie bez przyłożonego napięcia?

Atomy materiałów z luźno związanymi zewnętrznymi elektronami stale wymieniają między sobą ładunki w czasie, a materiały te nazywane są przewodnikami. Teraz proces prowadzenia różni się od tego często opisywanego w podręcznikach elektrotechniki.

Oznacza to, że aby prąd mógł przepływać w obwodzie, elektron musi przejść od jednego przewodu do drugiego, co po prostu nie jest prawdą. Rzeczywistość jest taka:

Na przykład elektron znajdujący się najdalej po lewej stronie od ujemnego ołowiu akumulatora zderza się z najbliższym atomem, a ze względu na jego przyspieszenie wybija elektron obracający się na tym poziomie skorupy. Powalony elektron zmierza do swojego najbliższego atomu i z kolei robi to samo, wybijając elektron, który powoduje reakcję łańcuchową. Zasadniczo elektrony poruszają się tylko trochę, ale ogólny wynik jest praktycznie natychmiastowy.

Nie rozumiem, że jeśli weźmiemy regularny przewód przewodzący BEZ przyłożenia do niego napięcia, elektrony wciąż będą odbijać się od atomu do atomu, co oznacza, że ​​dosłownie jest „przepływ elektronów” w drucie, ale jeśli podłączymy drut do dioda LED nic by się nie wydarzyło. Tak naprawdę pytam, czym różni się „przepływ elektronów Z przyłożonym napięciem” od „przepływu elektronów BEZ przyłożonego napięcia” w przewodzie.

Statystycznie jest tyle elektronów, które poruszają się w jednym kierunku, jak w 180º przeciwnych, więc praktycznie nie ma prądu netto. To, co znamy jako „prąd”, to ruch większej liczby elektronów w jednym kierunku niż we wszystkich innych (1D, 2D lub 3D przez kawałek metalu). W ten sposób możesz mieć „tony swobodnych elektronów”, ale nie płynąć ani mierzyć prądów netto.

Losowe pobudzenie tych elektronów ma nazwę: szum termiczny. To mieszanie jest proporcjonalne do temperatury, więc dostajesz go więcej podczas podgrzewania. Jednak średni ruch jest zawsze równy zero, więc nigdy nie można wykonać żadnej użytecznej „pracy” lub w sposób równoważny wyodrębnić użytecznej energii z procesu.

Jest to zgodne z prawami termodynamiki.

Krótka odpowiedź: niektóre podręczniki są zainfekowane błędnym przekonaniem, że elektrony zawsze krążą po poszczególnych atomach metali. Nie. Powiedzą ci również, że tylko elektrony skakać między atomami, gdy napięcie jest przyłożone wzdłuż przewodów. Źle.

W metalach elektrony zewnętrzne każdego atomu metalu opuściły swój pierwotny atom. Dzieje się tak, gdy metal jest formowany po raz pierwszy. Gdyby elektrony nadal przylegały do ​​każdego atomu, wówczas metal byłby izolatorem, a przy niskich wartościach prądu omy nie byłyby stałe. W rzeczywistości elektrony zewnętrzne lub „pasmo przewodzące” cały czas krążą wokół wszystkich atomów metali. Drut metalowy przypomina rodzaj „zestalonej plazmy”. Metale są dziwne.

Fizycy nazywają ruchomą populację elektronów metalem nazwą „morze elektronów” lub „ocean ładunków”. W chemii nazywa się to „wiązaniem metalicznym”.

Z nie kwantowego punktu widzenia możemy postrzegać obiekty metalowe jako pojemniki wypełnione „płynem elektrycznym” w stylu Ben Franklina! Elektrony metalu drżą z dużą prędkością, wędrując dookoła, podobnie jak cząsteczki gazu w wężu. Ale ten ruch elektronów odbywa się w losowych kierunkach. To magazyn energii cieplnej, ale nie ma jednego kierunku, więc nie jest to „wiatr”; nie prąd elektryczny. Dla każdego elektronu przechodzącego w jedną stronę jest inny cofający się.

Dlatego rzeczywisty prąd elektryczny prądu stałego w metalu jest powolnym średnim dryftem tej chmury elektronów. Poszczególne elektrony oczywiście nie poruszają się wolno. Zamiast tego błąkają się niemal z prędkością światła przez cały czas. Ale podczas prądu stałego na ich średniej ścieżce wędrówki nakłada się niewielki dryf prądu stałego. Atmosfera ziemska robi to samo: każda cząsteczka porusza się z niemal prędkością dźwięku, nawet w martwych warunkach; bezwietrznie. Uważamy wędrówkę za „termiczną”, jak ruch Browna. To samo z poszczególnymi elektronami w metalu.

Prawidłowa animacja atomów / elektronów metali przedstawiałaby elektrony skaczące w obu kierunkach dla prądu zerowego. Lub pokaż im, jak poruszają się w przód iw tył po kilku atomach, z przypadkowym ruchem podczas zerowych amperów. (Lub pokaż wnętrze drutu wyglądające jak „śnieg telewizyjny”, jak migotliwy biały szum.) Następnie, podczas prądu stałego, cały wzór elektronów będzie powoli przesuwał się jako jednostka. Im wyższy amper, tym szybszy przepływ. „Płynny biały szum” porusza się powoli, jak woda w rurze, ale pojedyncze cząstki nigdy nie pozostają nieruchome.

Pamiętaj, że to zdjęcie NIE MA ZASTOSOWANIA DO WSZYSTKICH PRZEWODNIKÓW . Dotyczy to tylko metali stałych (najczęstszej formy przewodnika stosowanego w elektrotechnice), ale nie dotyczy słonej wody, kwasów, prądów gruntowych, tkanek / nerwów ludzkich, ciekłych metali, ruchomych metali, plazmy, iskier itp. t elektronów, dlatego inżynierowie i naukowcy używają „prądu konwencjonalnego”, który ma zastosowanie do wszystkich rodzajów przewodników. Przepływ elektronów w metalach jest ogólnie szczególnym przypadkiem prądów elektrycznych.

PS
Pamiętaj, że elektrony nie są niewidoczne! (W rzeczywistości, elektrony są o tylko rzeczy, które są widoczne.) Tak więc, gdy patrzymy na gołego drutu, widzimy jego elektronów morze. Mobilne elektrony są skrajnymi odbłyskami fal elektromagnetycznych. „Metaliczny” wygląd metalowej powierzchni to nasz pogląd na wolne elektrony. Elektrony są więc jak srebrzysty płyn. Podczas prądów elektrycznych w metalu płynie srebrzysty materiał. Ale w tym przepływie nie ma brudu ani pęcherzyków, więc chociaż widzimy „płyn”, nie widzimy jego ruchu. (Heh, nawet gdybyśmy mogli zobaczyć, że coś się porusza, dryf ładunku byłby zbyt wolny, aby to zauważyć; jak minutowa wskazówka zegara!)

Jeśli drut jest nadprzewodnikiem, prąd rzeczywiście może płynąć bez napięcia.

Był taki przykład, który dał mi jeden z moich nauczycieli.

Elektrony bez napięcia są po prostu jak niezależne osoby lubiące się w jakimś losowym mieście. Szczęśliwie poruszają się swobodnie, ale nie są częścią żadnego ruchu. Są indywidualne, które nie mają znaczenia.

Nagle partia obca ustanawia regułę. To sprawia, że ​​elektrony maszerują do ustanowienia partii zagranicznej (nie konwencjonalnego prądu) w buncie, buntowniku itp. Są one częścią ruchu i nazywa się to Prądem.

Prąd wymaga przepływu elektronów w paśmie przewodzenia i bez napięcia (lub ciśnienia jako analogii przepływu) nie ma energii, aby wzbudzić elektrony w paśmie przewodzenia. Rezystancja jest zawsze obecna ze względu na właściwości atomowe, a spadek napięcia musi być napięciem całkowitym, ponieważ oporność staje się zasadniczo nieskończona, ponieważ powłoki walencyjne w metalach znacznie różnią się od pasm przewodnictwa, ponieważ są związane ze strukturą sieciową metalu. Wymagają wzbudzenia i gradientu, aby zerwać ich więź z wartościowością, którą ona chce. Elektrony walencyjne mogą oddziaływać, ale nie są jednorodnie kierunkowe i nie przepływają swobodnie, jak gdyby były wzbudzone w paśmie przewodzenia. Dotyczy to oczywiście prostych metali przewodzących.

Z twojego pytania jasno wynika, że ​​nie znasz różnicy między przypadkowym ruchem elektronu a kierunkowym ruchem elektronu. Losowy ruch elektronów nie jest aktualny. Kierunkowy ruch elektronów jest .
Jest to napięcie, które nadaje kierunek elektronom, powodując w ten sposób kierunkowy przepływ elektronów - „prąd elektronowy”.

Twoje twierdzenie, że „elektron musi przejść z jednego odprowadzenia ... na drugi, jest po prostu nieprawdziwe” jest błędne . Faktem jest, że dla każdego elektronu, który „wchodzi” do drutu, inny elektron musi „wyjść” z drugiego końca. Jeśli tak się nie stanie, to nie masz przepływu prądu! Właśnie dlatego „nic się nie dzieje po podłączeniu diody LED do drutu” bez przyłożenia napięcia.

Powiedziano nam, abyśmy nie zawracali sobie głowy, ponieważ jest w tym więcej fizyki i mniej praktycznego znaczenia.

W fizyce drut nie jest zwarty, ale ma rezystancję, pojemność i indukcyjność. Kiedy przykładasz napięcie do drutu, wielu myśli.

Gdy nie jest przyłożone napięcie, elektrony nie przeskakują z atomu na atom, aby świecić dioda LED.

Fizjolog mógłby odpowiedzieć na to lepiej niż EE. W wymianie stosów znajduje się sekcja fizyki.