Czy elektrony faktycznie płyną po przyłożeniu napięcia?

18

W książkach jest powiedziane, że obwód jest ścieżką zamkniętą i dlatego elektrony wracają do źródła. Jeśli tak jest, co by się stało, gdyby w obwodzie wystąpiło zwarcie doziemne? Jak elektrony powróciłyby do swojego źródła?

Czy elektrony faktycznie wychodzą z atomów, czy po prostu wibrują i przenoszą energię w ten sposób, gdy przykładamy napięcie?

Ranjit
źródło
1
Omówiłem więcej w mojej odpowiedzi, ale obwody są pojęciem abstrakcyjnym. „elektrony wracają do źródła” w sposób abstrakcyjny oznaczają, że muszą osiągnąć potencjał odniesienia. Na przykład uziemiona bateria i Ziemia: ładunki mobilne mogą osiągnąć Ziemię lub ujemną baterię, ale ponieważ mają ten sam potencjał, są skutecznie połączone.
DrFriedParts
Kiedy występuje zwarcie doziemne, elektrony przemieszczają się przez zwarcie doziemne, poprzez połączenie uziemiające, z powrotem do źródła. Gdyby nie było uziemienia, nie byłoby prądu, nawet przy zwarciu doziemnym. W pełni izolowany obwód byłby bezpieczniejszy, ale to kolejne pytanie.
David
Powiązane: electronics.stackexchange.com/questions/233851/...
Zawsze zdezorientowany
Powiązane: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Zawsze zdezorientowany

Odpowiedzi:

24

Myślenie o prądzie w kategoriach poruszających się elektronów jest początkiem ścieżki do złego modelu mentalnego działania elektryczności. Oto kilka rzeczy, które są z tym nie tak:

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

  • Równie ważne są protony, które równoważą elektrony. Gdybyście mieli tylko elektrony, wówczas wszystkie elektrony we wszechświecie byłyby od siebie odpychane i strzelałyby do wszechświata.

  • Elektrony mają ładunek ujemny, a mylisz się bez żadnego powodu, myśląc o tym, jak przepływają od ujemnego do dodatniego. To wcale nie ma znaczenia.

  • Elektrony cały czas roją się we wszystkich losowych kierunkach, a ich ruch pod wpływem prądu jest w porównaniu z tym niewielki.

Ważne jest to: nośniki ładunku (elektrony są jednym z nich) mogą być wykorzystane do przeniesienia siły elektromotorycznej (zwykle zwanej tylko napięciem). To naprawdę dość zwyczajna koncepcja. Możesz popchnąć jeden koniec pręta i przenieść siłę mechaniczną na drugi koniec pręta. Czy wędka się porusza, kiedy to robisz? Cóż, może, ale tutaj dzieją się dwie rzeczy:

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

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

Więc twoje pytanie brzmiało: czy elektrony faktycznie płyną, gdy przyłożone jest napięcie? Ściśle mówiąc, odpowiedź może być i zależy od tego, co rozumiesz przez przepływ . To podobne do pytania, czy lina porusza się, gdy ją ciągniesz? Cóż, jeśli jest przymocowany do balonu, może się dużo poruszać. Jeśli jest przymocowany do ceglanego muru, może się wcale nie ruszać.

Ruch nośników ładunku (takich jak elektrony) jest aktualny . Jeśli mamy prąd, to ruch netto przewoźników ładunków. Naprawdę roi się od nich tak samo, jak poszczególne cząsteczki wody roją się w rurze, nawet jeśli nie ma przepływu netto. Prąd opisuje średni ruch. W przypadku prądu stałego średni ruch jest w kole.

To, jak poszczególne nośniki ładunku oddziałują w tym celu, jest skomplikowane i jest to tak naprawdę pytanie fizyki, a nie pytanie elektroniki. Proponuję jednak sprawdzić ten samouczek MIT na temat pól .

Phil Frost
źródło
Ale afaik kilka elektronów rozpadnie się, nie przytulając się do siebie w kuli.
Wouter van Ooijen
@WoutervanOoijen tak, myślę, że masz rację :) W każdym razie byłby to zupełnie inny świat!
Phil Frost
90% wszystkiego, co czytam, jest po prostu błędne, jeśli chodzi o poruszające się elektrony i luźne elektrony.
Johnny
16

Elektrony fizycznie przenieść po przyłożeniu napięcia - bardzo powoli .

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

IQeR2π

gdzie

  • 8.5×1022 )
  • R jest promieniem drutu
  • 1.6×10-19

Działa to do 8,4 cm / godzinę . Niezupełnie szybko.

Najważniejsze jest to, że to energia przepływa przez obwód niemal natychmiast - a nie same elektrony. (Elektrony stanowią wygodną „autostradę”, umożliwiającą szybki przepływ energii.)

Szkoda, że ​​powolny dryf elektronów pod napięciem skończył się tak samo jak przepływ energii, który faktycznie działa w obwodzie.

Adam Lawrence
źródło
P=IEI=0
Prawda prawda Pamiętaj, że w AC po prostu się poruszają i tak naprawdę nie krążą same w sobie.
Adam Lawrence
Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 to suma liczba elektronów na objętość Cu. Tylko niewielka część tych elektronów to wolne elektrony, które biorą udział w przewodzeniu ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Więc ta formuła jest błędna.
Twardziela
@ Curd Twój numer jest nieprawidłowy, skąd go masz? > „Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektronów / cm ^ 3 to całkowita liczba elektronów na objętość Cu.” Nie, całkowita liczba elektronów / cm ^ 3 dla miedzi wynosi 2,46x10 ^ 24. Dlatego jeśli każdy atom wnosi tylko jeden ruchomy elektron do elektronowo-morskiego metalu, wówczas gęstość swobodnego elektronu = 2,46e24 / N, gdzie N = 29 dla miedzi. Ich powyższe równanie jest poprawne. Zobacz to samo obliczenie w Halliday / Resnick physics lub wikipedia, Drift_velocity
wbeaty,
@wbeaty: tak, masz rację (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 = Numer AVogadro). Nie pamiętam moich obliczeń 2 lata temu ...
Curd
11

Nie myl dogodnej abstrakcji z rzeczywistością fizyczną

  • „Obwody” to abstrakcyjna koncepcja, która ma nam pomóc lepiej zrozumieć świat.
  • elektrony są bytem fizycznym.

Uwaga na temat „zamkniętych” ścieżek

Obwody o zamkniętej ścieżce nie oznaczają powrotu elektronów do źródła. Ponadto, elektrony, które opuszczają źródło, niezwykle rzadko są tymi samymi elektronami, które wracają na drugi biegun źródła (wyjaśnienie prędkości znajduje się w odpowiedzi @ madmanguruman).

Analogie mechaniczne

To jest jak domino, które spadają. Fala energii rozchodzi się przez spadające domino, ale domina nie tłumaczą zbyt wiele.

Pamiętaj, że energia to ładunek elektronu razy siła przyłożona do niego (napięcie). To (w przeważającej części) siły poruszają się przez metalową sieć, a nie ładunki (elektrony).

Tak jak na tym zdjęciu:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Siły przenoszą się przez kule, ale kule pozostają w dużej mierze na swoim miejscu. W przeciwieństwie do kulek mechanicznych, które są zrównoważone grawitacją, z elektronami w metalowych drutach z ogniw galwanicznych (akumulatorów), następuje powolne ogólne przesunięcie elektronów (jak samochody utknięte w ruchu) na drugi koniec.

Dalsza lektura

Można rozważyć ten odpowiedź dałem do podobnej kwestii związanej z fizyki.

DrFriedParts
źródło
Heh, obwody są powszechnymi obiektami makro, podczas gdy elektrony są teoretycznymi bestiami o silnym zachowaniu QM. Ale zgadzam się: możemy wyeliminować wiele abstrakcji, stosując obwody zbudowane z naładowanego piasku przez węże lub naładowane metalowe kulki na obracającym się plastikowym kole. W każdym przypadku dryf ładunku (prąd) jest wymagany w dowolnym obwodzie. Analogicznie: w przypadku mechanicznego paska napędowego stosuj coraz większą siłę / napięcie przy niższej prędkości, aż pasek zacznie się poruszać z prędkością metrów / godziny, ale przenosi kilowaty. To tylko wydaje , jakby siła jest ważniejsza niż ruch. Zatrzymaj wolny pasek, a energia też się zatrzyma.
wbeaty,
6

Mówimy tutaj o metalach. Zazwyczaj przedmiot metalowy nie składa się z cząsteczek. Składa się z atomów metali, wszystkie zgrupowane razem. Jest to pokazane na poniższym obrazku:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Czerwone kółka to elektrony. Jak widać, nie można tak naprawdę powiedzieć, do którego atomu elektron należy. Te elektrony tworzą połączenia między atomami - należą więc do dwóch atomów.

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

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

Kiedy mówimy o prądzie stałym (na przykład normalnej aplikacji zasilanej bateryjnie), elektrony te nie powrócą do swojego źródła. Rozważ ten obwód:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Na początku istnieje różnica w ładunku między biegunem ujemnym i dodatnim: biegun ujemny ma nadwyżkę elektronów. To tworzy siłę (napięcie), a ponieważ istnieje związek między dwoma biegunami (drutem i żarówką), elektrony zaczynają płynąć. Elektrony przemieszczają się z bieguna ujemnego przez żarówkę do bieguna dodatniego, dopóki nie będzie już żadnej różnicy w ładunku (lub jest tak mała, że ​​nie spowoduje przepływu prądu).

Teraz możesz zobaczyć, że te elektrony nie wróciły do ​​źródła: rozpoczęły się na biegunie ujemnym, a zakończyły na biegunie dodatnim.

Nazywamy to zamkniętą ścieżką, ponieważ istnieje koło: prąd zaczyna się na akumulatorze, a kończy na akumulatorze. Istnieje zamieszanie, ponieważ bateria faktycznie składa się z dwóch obiektów: bieguna dodatniego i ujemnego.

Spójrz na ten obwód (który jest w zasadzie taki sam, ale z kondensatorem zamiast baterii i rezystorem zamiast żarówki):

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Prąd płynie z prawej strony kondensatora (ujemnie naładowany, nadwyżka elektronów) przez rezystor do lewej strony kondensatora (dodatnio naładowany, niedobór elektronów). Tutaj płytki kondensatora są oddzielone, dzięki czemu można łatwo zobaczyć, że tak naprawdę nie jest to zamknięta ścieżka.

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

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


źródło
2
Odnośnie błyskawicy: w obu kierunkach. „ Średnio na całym świecie ujemne uderzenia pioruna stanowią ogromną większość, około 90 procent wszystkich uderzeń. Nawiasem mówiąc, uważa się, że uderzenia piorunów są najbardziej niebezpieczne, ponieważ mogą wytwarzać bardzo duże prądy, do 300 000 wzmacniacze! ”( źródło )
Anindo Ghosh
2
Lubię twoją energię @Camil (gra słów zamierzona), ale powinieneś być świadomy, że istnieje wiele subtelnych nieścisłości w tej odpowiedzi. Zamieszanie nie polega na tym, że bateria ma dwa bieguny, zamieszanie polega na tym, że obwody nie opisują ruchu żadnego pojedynczego elektronu - opisują agregowane zachowanie i transfer energii ... twoja odpowiedź nadal przyjmuje te same mylące założenia, które doprowadziły do OP, aby zadać pytanie. Dyskutuj w skrócie, w którym to przypadku prąd musi wrócić do źródła - lub - dyskutuj o fizyce z elektronami i ich dowolną postawą ekwipotencjalną względem powierzchni.
DrFriedParts
ps - nie oddałem głosu. Dla przypomnienia na wypadek, gdyby zrobił to ktoś inny. -- "nie ja!" ;)
DrFriedParts
2
Warto również wskazać, że chociaż elektrony nie przemieszczają się przez baterie, prąd tak. Właśnie dlatego bateria musi zawierać elektrolit i działa dokładnie dlatego, że elektrony nie mogą przez nią przepływać, ale jony dodatnie mogą. Jony dodatnie, przemieszczające się w przeciwnych kierunkach elektronów, zapobiegają przemieszczaniu się elektronów przez obwód w stanie równowagi do momentu wyczerpania energii chemicznej. Chociaż jony i elektrony poruszają się w przeciwnych kierunkach, mają przeciwne ładunki i razem tworzą kompletny obwód prądu w jednym kierunku.
Phil Frost
3
@CamilStaps pojedynczy elektron podąży losową ścieżką w dowolnym miejscu. Prawdopodobnie większość tego ruchu można przypisać hałasowi termicznemu, a nie maszynie elektrycznej, w której się on znajduje. Tylko jeśli weźmiesz średni ruch wielu (ponad miliardów) elektronów, zauważysz, że poruszają się one w jednym kierunku bardziej niż w innym. Obwody nie opisują przepływu elektronów: opisują przepływ prądu.
Phil Frost,