Действительно ли электроны текут при подаче напряжения?

18

В книгах говорится, что цепь - это замкнутый путь, и поэтому электроны возвращаются к источнику. Если это так, что произойдет, если в цепи возникнет замыкание на землю? Как электроны вернутся к своему источнику?

Действительно ли электроны выходят из своих атомов или они просто вибрируют и передают энергию таким образом, когда мы прикладываем напряжение?

Ранджит
источник
1
Я обсуждал больше в своем ответе, но схемы являются абстрактной концепцией. «электроны возвращаются к источнику» в абстрактном означает , что они должны достичь опорного потенциала. Например, заземленная батарея и Земля: мобильные заряды могут достигать Земли или отрицательного заряда батареи, но поскольку они имеют одинаковый потенциал, они эффективно связаны.
DrFriedParts
Когда происходит замыкание на землю, электроны перемещаются через замыкание на землю, через заземление, обратно к источнику. Если бы не было заземления, не было бы тока даже при замыкании на землю. Полностью изолированная цепь была бы более безопасной, но это другой вопрос.
Дэвид
Связано: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…
Всегда в замешательстве
Связано: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…
Всегда в замешательстве

Ответы:

24

Размышления о токе с точки зрения движения электронов - это начало пути к плохой ментальной модели работы электричества. Вот несколько вещей, которые не так с ним:

  • Электроны являются лишь одним из многих носителей заряда. Любой ион также является носителем заряда.

  • Протоны, которые уравновешивают электроны, так же важны. Если бы у вас были только электроны, то все электроны во вселенной отталкивались бы друг от друга и вылетали бы во вселенную.

  • Электроны имеют отрицательный заряд, и вы не будете путать себя без всякой причины, думая о том, как они переходят из отрицательного в положительное. Это на самом деле не имеет значения вообще.

  • Электроны на самом деле все время роятся во всех случайных направлениях, и их движение из-за тока ничтожно мало.

Важно то, что носители заряда (электроны являются одним из таких) могут использоваться для передачи электродвижущей силы (обычно называемой просто напряжением). Это довольно обычное понятие, правда. Вы можете толкнуть один конец стержня и передать механическое усилие на другой конец стержня. Стержень двигается, когда ты это делаешь? Ну, может быть, но здесь происходят две вещи:

  1. сила передается через стержень, как волны, распространяющиеся со скоростью звука в этом материале
  2. если и только если мы также передаем энергию, стержень движется, в большинстве случаев, с гораздо меньшей скоростью

Разница для стержня очевидна, но поскольку мы не видим электрический заряд, разница не очевидна.

Итак, ваш вопрос был: действительно ли электроны текут при подаче напряжения? Строго говоря, ответ может быть , и это зависит от того, что вы подразумеваете под потоком . Это похоже на вопрос, движется ли веревка, когда вы ее тянете? Ну, если он прикреплен к воздушному шару, он может много двигаться. Если он прикреплен к кирпичной стене, он может вообще не двигаться.

Движение носителей заряда (как электронов) является текущим . Если у нас есть ток, то есть чистое движение носителей заряда. На самом деле они роятся повсюду, так же, как отдельные молекулы воды роятся в трубе, даже если нет чистого потока. Ток описывает среднее движение. В случае постоянного тока среднее движение происходит по кругу.

Как отдельные носители заряда взаимодействуют для достижения этой цели, сложно, и это действительно вопрос физики, а не вопрос электроники. Тем не менее, я бы посоветовал вам проверить этот учебник MIT по полям .

Фил Фрост
источник
Но на самом деле куча электронов разлетится, а не обниматься в клубок.
Воутер ван Оойен
@WoutervanOoijen да, я думаю, вы правы :) В любом случае, это был бы совсем другой мир!
Фил Фрост,
90% всего, что я читаю, просто неправильно, когда речь идет об электронах, движущихся вокруг и теряющих электроны.
Джонни
16

Электроны же физически двигаться , когда прикладывается напряжение - очень медленно .

Цепь под напряжением 100 В постоянного тока, питающая нагрузку 1 А (например, лампочку) через медный провод диаметром 2 мм, будет видеть движение электронов со скоростью:

IQeR2π

где

  • 8.5×1022
  • R - радиус проволоки
  • 1.6×1019

Это работает до 8,4 см / час . Не совсем быстро.

Ключевым является тот факт, что энергия проходит по цепи практически мгновенно, а не сами электроны. (Электроны образуют удобную «магистраль», позволяющую энергии быстро течь.)

К сожалению, медленный дрейф электронов под напряжением закончился тем же именем, что и поток энергии, который действительно работает в цепи.

Адам Лоуренс
источник
P=IEI=0
Правда достаточно. Имейте в виду, в AC, они просто покачиваются и на самом деле не циркулируют.
Адам Лоуренс
Q = 8,5 × 10 ^ 22 Электронов / см ^ 3 - общее количество электронов на объем Cu. Только часть этих электронов являются свободными электронами, которые принимают участие в проводимости ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Так что эта формула неверна.
Творог
@ Неужели твой номер не так, где ты его взял? > «Q = 8,5 × 10 ^ 22 Электронов / см ^ 3 - общее количество электронов на объем Cu». Нет, общее количество электронов / см ^ 3 для меди составляет 2,46х10 ^ 24. Следовательно, если каждый атом вносит только один подвижный электрон в электрон-море металла, то плотность свободных электронов = 2,46e24 / N, где N = 29 для меди. Приведенное выше уравнение верно. См. Этот же отчет в физике Хэллидея
wbeaty
@wbeaty: да, вы правы (у меня нет Хэллидея, но) я пересчитал и получил примерно rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 как общее число электронов на см ^ 3 (плотность rho, молярная масса Mm, Na = Номер А.В.огадро). Я не помню свой расчет 2 года назад ...
Творог
11

Не путайте удобную абстракцию с физической реальностью

  • «Цепи» - это абстрактная концепция, призванная помочь нам лучше понять мир.
  • электроны являются физическим лицом.

Примечание о «закрытых» путях

Замкнутые цепи не подразумевают возвращение электронов к источнику. Кроме того, электроны, покидающие источник, крайне редко являются теми же электронами, которые возвращаются к другому полюсу источника (см. Ответ @ madmanguruman для объяснения скорости).

Механические аналогии

Это как домино, которое падает. Энергетическая волна распространяется через падающие домино, но домино не слишком много переводит.

Помните, что энергия - это заряд электрона, умноженный на приложенную к нему силу (напряжение). Это (в подавляющем большинстве) силы, которые движутся через решетку металла, а не заряды (электроны).

Так же, как на этой картинке:

enter image description here

Силы передаются через шары, но шары остаются в основном на месте. В отличие от механических шариков, которые уравновешены гравитацией, с электронами в металлических проводах от гальванических элементов (батарей), существует медленный общий дрейф электронов (как автомобили, застрявшие в пробке) к другому концу.

дальнейшее чтение

Вы можете рассмотреть этот ответ, который я дал на похожий вопрос по физике.

DrFriedParts
источник
Хех, схемы - это обычные макрообъекты, а электроны - теоретические звери с сильным поведением КМ. Но я согласен: мы можем устранить абстракцию, используя схемы, построенные из заряженного песка через шланги или заряженных металлических шариков на вращающемся пластиковом колесе. В любом случае дрейф заряда (ток) требуется в любой цепи. Аналогия: с механическим приводным ремнем, используйте более высокую и более высокую силу / натяжение на более низкой скорости, пока ремень не будет двигаться со скоростью метров / час, пока не передаст киловатты. Это только кажется, что сила важнее движения. Остановите пижамный пояс, и энергия тоже прекратится.
wbeaty
6

Мы говорим о металлах здесь. Как правило, объект из металла не состоит из молекул. Он состоит из атомов металла, сгруппированных вместе. Это показано на рисунке ниже:

enter image description here

Красные круги - это электроны. Как видите, вы не можете сказать, к какому атому принадлежит электрон. Эти электроны образуют связи между атомами - поэтому они принадлежат двум атомам.

Теперь, когда ток начинает течь, эти электроны действительно движутся. Когда течет ток, энергия передается. Поскольку атомы не могут легко двигаться, электроны должны двигаться.

Вы можете увидеть это в единице Ампер текущего тока: 1 Ампер равняется 1 Кулону в секунду. Кулон (C) - это единица заряда (Q). 1 Ампер означает, что 1 кулон заряда проходит определенную точку за 1 секунду. Этот заряд создается электронами, которые фактически перетекают от объекта один к объекту два.

Когда мы говорим о постоянном токе (например, обычное приложение с питанием от батареи), эти электроны не вернутся к своему источнику. Рассмотрим эту схему:

enter image description here

В начале, есть разница в заряде между отрицательным и положительным полюсом: отрицательный полюс имеет избыток электронов. Это создает силу (напряжение), и, поскольку между двумя полюсами (провод и колба) есть связь, электроны начинают течь. Электроны движутся от отрицательного полюса через колбу к положительному полюсу до тех пор, пока больше не будет разницы в заряде (или это настолько мало, что это не приведет к течению тока).

Теперь вы можете видеть, что эти электроны не вернулись к своему источнику: они начинались на отрицательном полюсе и заканчивались на положительном полюсе.

Мы называем это замкнутым путем, потому что есть круг: ток начинается на батарее и заканчивается на батарее. Существует путаница, потому что батарея фактически состоит из двух объектов: положительного и отрицательного полюса.

Посмотрите на эту схему (которая в основном такая же, но с конденсатором вместо батареи и резистором вместо лампы):

enter image description here

Ток течет от правой стороны конденсатора (отрицательно заряженный, избыток электронов) через резистор к левой стороне конденсатора (положительно заряженный, нехватка электронов). Здесь пластины конденсатора разделены, так что вы можете легко увидеть, что это на самом деле не замкнутый путь.

Мы просто называем это замкнутым путем, потому что ток начинается и заканчивается на конденсаторе.

Поскольку электронам на самом деле не нужно возвращаться на свою базу, теперь вы можете понять, что электроны также могут попадать в землю. Это также то, что происходит с молнией. Электроны текут из облаков на землю (или наоборот, я бы не знал), просто чтобы нейтрализовать разницу в заряде.


источник
2
Относительно молнии: в обоих направлениях. « В среднем по всему миру отрицательные вспышки молнии составляют подавляющее большинство, около 90 процентов всех ударов ... Кстати, положительные удары молнии считаются наиболее опасными, поскольку они могут создавать очень большие токи, до 300 000 усилители! "( источник )
Аниндо Гош
2
Мне нравится ваша энергия @Camil (каламбур), но вы должны знать, что в этом ответе есть ряд тонких неточностей. Путаница заключается не в том, что батарея имеет два полюса, а в том, что цепи не описывают движение какого-либо отдельного электрона - они описывают совокупное поведение и передачу энергии ... Ваш ответ продолжает делать те же самые запутанные предположения, которые привели ОП, чтобы задать вопрос. Либо обсудите в аннотации, в этом случае ток должен вернуться к источнику - или - обсудите физическое с электронами и их любое отношение эквипотенциальной поверхности к действию.
DrFriedParts
ps - я не голосовал против. Просто для записи на случай, если кто-то еще. -- "не я!" ;)
DrFriedParts
2
Стоит также отметить, что, хотя электроны не проходят через батареи, ток идет. Вот почему в батарее должен быть электролит, и он работает именно потому, что электроны не могут проходить через него, а положительные ионы могут. Положительные ионы, движущиеся в противоположном направлении от электронов, не позволяют электронам, движущимся по кругу, создавать равновесие, пока химическая энергия не истощится. Хотя ионы и электроны движутся в противоположных направлениях, они имеют противоположные заряды и вместе образуют полную цепь тока в одном направлении.
Фил Фрост
3
@CamilStaps отдельный электрон будет идти случайным путем куда угодно. Вероятно, большая часть этого движения связана с тепловым шумом, а не с электрической машиной, частью которой он является. Только если вы возьмете среднее движение многих (более миллиардов) электронов, вы заметите, что они движутся в одном направлении больше, чем в другом. И схемы не описывают поток электронов: они описывают ток.
Фил Фрост