Почему нет чистого тока в проводе без приложенного напряжения?

Атомы материалов со слабосвязанными крайними электронами постоянно обмениваются зарядами между собой, и эти материалы называются проводниками. Теперь процесс проведения отличается от того, который часто описывается в учебниках по электротехнике.

Это подразумевает, что для того, чтобы ток протекал в цепи, электрон должен двигаться от одного провода к другому, что просто не соответствует действительности. Реальность это что-то вроде этого:

Например, электрон в дальнем левом углу, идущий от отрицательного провода батареи, сталкивается с ближайшим атомом и из-за своего ускорения выбивает электрон, вращающийся на этом уровне оболочки. Выбитый электрон направляется к ближайшему атому и, в свою очередь, делает то же самое, выбивая электрон, который вызывает цепную реакцию. Так что, в основном, электроны движутся чуть-чуть, но общий результат практически мгновенный.

Чего я не понимаю, так это того, что если мы возьмем обычный проводящий провод БЕЗ приложенного к нему напряжения, электроны все равно будут постоянно отскакивать от атома к атому, что означает, что буквально в проводе есть «поток электронов», но если мы подключим провод к со светодиодом ничего не случилось бы. Итак, что я действительно спрашиваю, так это то, как «поток электронов с приложенным напряжением» отличается от «потока электронов без приложенного напряжения» в проводе.

По статистике, в одном направлении движется столько электронов, сколько в противоположных 180 °, поэтому эффективный ток отсутствует. То, что мы знаем как «ток», - это движение большего количества электронов в одном направлении, чем все остальные (1D, 2D или 3D через кусок металла). Таким образом, у вас могут быть «тонны свободных электронов», но нет протекающих или измеряемых чистых токов.

Случайное возбуждение этих электронов имеет название: тепловой шум. Это перемешивание пропорционально температуре, поэтому вы получаете больше, когда нагреваете вещи. Однако среднее движение всегда равно нулю, поэтому вы никогда не сможете выполнять какую-либо полезную «работу» или эквивалентно извлекать полезную энергию из процесса.

Это согласуется с законами термодинамики.

Короткий ответ: некоторые учебники заражены неправильным представлением о том, что электроны всегда вращаются вокруг отдельных атомов металла. Нет. Они также скажут вам, что электроны прыгают только между атомами, когда на провода подается напряжение. Неправильно.

В металлах внешний электрон (ы) каждого атома металла покинул свой первоначальный атом. Это происходит, когда металл впервые сформирован. Если бы электроны продолжали прилипать к каждому атому, тогда металл был бы изолятором, и при низких значениях тока, Ом не был бы постоянным. В действительности, электроны внешней или "зоны проводимости" постоянно вращаются среди всех атомов металла. Металлическая проволока напоминает своего рода «затвердевшую плазму». Металлы странные.

Физики называют мобильное электронное население металла названием "море электронов" или "океан заряда". В химии это называется «металлическая связь».

С не квантовой точки зрения, мы можем рассматривать металлические объекты как контейнеры, заполненные «электрической жидкостью», в стиле Бена Франклина! Электроны металла с большой скоростью дрожат вокруг, блуждая вокруг, подобно молекулам газа внутри шланга. Но это электронное движение в случайных направлениях. Это хранилище тепловой энергии, но у него нет единого направления, так что это не «ветер»; не электрический ток. Для каждого электрона, идущего в одну сторону, есть другой, идущий назад.

Следовательно, действительный электрический ток постоянного тока в металле представляет собой медленный средний дрейф этого электронного облака. Отдельные электроны не двигаются медленно, конечно. Вместо этого они все время бродят почти со скоростью света. Но во время постоянного тока на их средний путь блуждающих сигналов накладывается небольшой дрейф постоянного тока. Атмосфера Земли делает то же самое: каждая молекула движется почти со скоростью звука, даже в мертвых неподвижных условиях; безветренно. Мы рассматриваем блуждание как «тепловое», как броуновское движение. То же самое с отдельными электронами в металле.

Правильная анимация атомов / электронов металлов будет изображать прыжки электронов в обоих направлениях при нулевом токе. Или покажите, как они шевелятся взад-вперед по нескольким атомам со случайным движением в течение нуля ампер. (Или покажите внутреннюю часть провода в виде «телевизионного снега», похожего на мерцающий белый шум.) Затем, во время постоянного тока, весь набор электронов будет медленно скользить как единое целое. Чем выше ампер, тем быстрее поток. «Жидкий белый шум» движется медленно, как вода в трубе, но отдельные частицы никогда не остаются неподвижными.

Обратите внимание, что эта картина не применяется ко всем проводникам . Это относится только к твердым металлам (наиболее распространенная форма проводников, используемых в электротехнике), но не к соленой воде, кислотам, поверхностным токам, тканям / нервам человека, жидким металлам, движущимся металлам, плазме, искрам и т. Д. t электроны, поэтому инженеры и ученые используют «обычный ток», который применяется ко всем типам проводников. Электронный поток внутри металлов является частным случаем электрических токов в целом.

PS
Обратите внимание, что электроны не невидимы! (На самом деле, электроны о единственных вещах, которые видны.) Таким образом, всякий раз , когда мы смотрим на оголенный провод, мы видим его электрон-море. Подвижные электроны являются экстремальными отражателями электромагнитных волн. «Металлический» вид металлической поверхности - это наш взгляд на свободные электроны. Итак, электроны похожи на серебристую жидкость. Во время электрических токов в металле это серебристый материал, который течет вдоль. Но в этом потоке нет грязи или пузырьков, поэтому, хотя мы можем видеть «жидкость», мы не можем видеть ее движение. (Хех, даже если бы мы могли видеть что-то движущееся, дрейф заряда был бы слишком медленным, чтобы заметить; как минутная стрелка на часах!)

Если провод является сверхпроводником, ток действительно может течь без напряжения.

Был такой пример, который мне дал один мой учитель.

Электроны без напряжения просто как независимые люди, которым нравится какой-то случайный город. Они счастливо двигаются свободно, но они не являются частью какого-либо движения. Они индивидуальны, которые не имеют значения.

Теперь вдруг иностранная сторона устанавливает правило. Это заставляет электроны идти к созданию иностранной стороны (не обычного тока) в восстании, мятежнике и т. Д. И т. Д. Они являются частью движения, и это называется Током.

Ток требует, чтобы электроны в зоне проводимости текли, и без напряжения (или давления в качестве аналога потока) не было бы энергии, чтобы возбудить электроны в зоне проводимости. Сопротивление всегда присутствует благодаря атомным свойствам, и падение напряжения должно быть полным напряжением, поскольку сопротивление становится практически бесконечным, поскольку валентные оболочки в металлах сильно отличаются от зон проводимости в том смысле, что они связаны с решеточной структурой металла. Им нужно возбуждение и градиент, чтобы разорвать их связь с валентностью, которой она будет. Валентные электроны могут взаимодействовать, но они не являются равномерно направленными и не являются свободно текущими, как если бы они были возбуждены в зону проводимости. Это конечно для простых проводящих металлов.

Из вашего вопроса ясно, что вы не знаете различий между случайным движением электронов и направленным движением электронов. Случайное движение электронов не является текущим. Направленное движение электронов есть .
Это напряжение, которое задает направление электронам, вызывая направленный поток электронов - «электронный ток».

Ваше утверждение о том, что «электрон должен двигаться от одного отведения ... к другому, просто неверно» неверно . Дело в том, что для каждого электрона, который «входит» в провод, другой электрон должен «выйти» с другого конца. Если этого не происходит, то у вас нет тока! Именно поэтому «ничего не происходит при подключении светодиода к проводу» без подачи напряжения.

Нам сказано не беспокоиться, потому что в нем больше физики и меньше практического значения.

В физике провод не является абсолютно коротким, но имеет сопротивление, емкость и индуктивность. Когда вы подаете напряжение в провод, многие думают, что это происходит.

Когда напряжение не приложено, нет достаточного количества электронов, прыгающих от атома к атому, чтобы зажечь светодиод.

Физик мог бы ответить на этот вопрос лучше, чем ЭЭ. В стеке есть раздел физики.