Чому електрони не виштовхуються з провідника у відкритому контурі під впливом джерела живлення?

Часто електричний струм порівнюється з потоком води. Наприклад, якщо я пророблюю отвір у резервуарі з водою, вода буде текти до тих пір, поки тиск в баку і атмосферне не зрівняються або резервуар не стане порожнім. Чому цього не відбувається з електрикою?

Ви уявляєте собі відкриту ланцюг, щоб виглядати так:

Кращою аналогією було б таке:

Труби в контурі не оточені вільним простором для течії води - вони тунельовані через скелю. Там, де немає труби, там просто скеля і вода не тече.

Аналогія води дуже обмежена і не моделює спосіб руху електронів в дроті. Його завжди слід використовувати з великою обережністю.

Електрони дрейфують дуже повільно (близько 1 м / год), стрибаючи з атома на атом. Струм, здається, тече миттєво в повному контурі, але не буде текти в неповному контурі (немає електричного поля для переміщення електронів).

Усередині проводу велика провідність (багато «вільних» електронів гуде приблизно випадковим чином), і невелике електричне поле (різниця напруги на кожному кінці проводу) може виробляти струм. Поза проводом дуже низька електропровідність і немає електричного поля для подолання залучення позитивно заряджених іонів металу в дроті, якщо електрон повинен покинути поверхню дроту.

З іншого боку, вода (молекули) буде просто витікати з кінця труби, оскільки сила, що штовхає воду на відкритому кінці (за рахунок тиску повітря), менша від сили, що виштовхує воду з системи (тиск повітря + сила тяжіння + насос?).

Вода може вийти, тому що всередині і зовні труби є по суті однакове середовище, і молекули впливають на тиск (повітря і насос), гравітацію (всередині труби) і гравітацію (поза трубою).

Чи можливо електронам вийти з дроту?

Так.

Щоб електрони могли вирватись із свого «металевого контейнера», необхідно забезпечити достатньою енергією, щоб розірвати зв’язки, які зв’язують їх з іонами металу. Це можна зробити за допомогою фотонів з високою енергією (див. Електричний ефект фото та робочу функцію) або нагрівання металу (термоемісійне випромінювання). Звичайно, якщо це робиться на повітрі, електрони не можуть зайти дуже далеко до поглинання, тому це потрібно робити у вакуумі.

Якщо електричне поле дуже високе (як у заряджених хмарах), що утворюється іскра, блискавка.

Зробити отвір у ємності з водою, щоб вода могла вийти - це те саме, що і коротке замикання в електроніці. Блокування водопровідної труби - це те саме, що з'єднання відкритого типу.

Пам’ятайте, резервуар для води є «ізолятором потоку води» і такий же, як заблокована труба.

Все це питання вирівнювання тиску.

З водою вирівнюється не тиск води, а атмосферний тиск, що діє на воду. Повітря тисне на воду і виштовхує її з отвору до тих пір, поки внутрішні та зовнішні тиски не зрівняються.

Підключіть провід між двома полюсами акумулятора, і тиск між двома полюсами може зрівнятися.

Засуньте заглушку в отвір резервуара, і вода вже не може текти - різниця тиску між внутрішньою і зовнішньою стороною тепер виправлена. Додайте дуже високий опір між двома полюсами акумулятора, і струм вже не може текти (або текти дуже повільно - у банда є крапелька). Чим вище опір, тим повільніше потік.

$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

Вода та електрика не працюють однаково. Іноді вода в трубах використовується як аналогія струму в проводах, але ця аналогія руйнується у тому випадку, про який ви просите.

Насправді аналогія все ж справедлива, якщо ви пам’ятаєте, що повітря не проводить електрику, але повітря легко проводить потік води. Щоб зробити аналогію потоку води більш точною, вам доведеться передбачити все, крім внутрішньої частини труб, яка буде виготовлена ​​з якогось міцного матеріалу. Уявіть, що все, що є повітрям, насправді є якоюсь твердою гумою, наприклад. Вода не витікає з труби, оскільки вона нікуди не може йти.

Рівень енергії

Цей ефект зазвичай пояснюється концепцією енергетичних рівнів . Матеріали поділяються на три групи: ізолятори, провідники та напівпровідники.

Для диригентів ...

З точки зору енергетичних рівнів (атомних) для провідників немає енергетичного зазору між валентною смугою та зоною провідності . Тоді, маючи дуже мало енергії, електрони можуть бути приведені в рух.

Для ізоляторів ....

Для ізолятора енергетичний зазор між валентною та провідниковою смугами значно більший, а значить, для знаходження електрона в зоні провідності потрібно багато енергії.

Потім у відкритому контурі ...

У відкритому контурі ізоляція, що оточує провідник, має набагато більший рівень енергії, ніж цей. У нормальних умовах електрони з ізольованого провідника не мають достатньої кількості енергії для досягнення смуги провідності ізолятора.

Але ...

Однак якщо енергія, прикладена до провідника, значно збільшиться, це може домогтися стрибка до ізоляційного матеріалу; цей ефект - електричний розряд або діелектричний розрив.

Електрони перебувають у пастці через метал через робочу функцію цього металу. Робоча функція - це міра енергії електрона в металі до енергії у вільному просторі. (або у вакуумі. присутність повітря - лише додаткове ускладнення.) Електрони в металі завжди перебувають у меншому енергетичному стані, ніж у вакуумному. Якщо до металу застосувати достатньо сильне електричне поле, електрони можуть перейти в роботу і залишити метал. (подумайте про катод вакуумної трубки.) Аналогія води досить проста. Вода знаходиться у відрі або кориті з високими бортиками. (Але краще просто подумати про справжні електрони.)

Будь-яка різниця між кількістю електронів у певній області та кількістю протонів у цій області спричинить притягнення чи відштовхування електронів, що знаходяться поблизу, за необхідності вирівнювання чисел. Єдиною причиною, коли електрони хочуть покинути область, було або те, що в регіоні було занадто багато електронів відносно кількості електронів, або те, що в сусідній області був дефіцит електронів (відносно протонів). "Ідеальний" одно амперний джерело живлення переміщатиме один кулон електронів (це досить велике навантаження відра) з одного терміналу в інший щосекунди. Якщо жоден електрон не покине термінал, який приймає всі ці електрони від живлення, це не задовго до того, як електрони будуть настільки переповнені, що вони почнуть залишати, навіть якщо це означатиме місце, де вони ' Переїзд буде дещо переповнений (оскільки він буде менш переповнений, ніж місце, куди вони виїжджають). Так само, якщо жоден термінал не потрапить у термінал, з якого живлення приймає електрони, його дефіцит електронів швидко стане досить серйозним, щоб змусити його почати захоплювати електрони з будь-якого поблизу, навіть якщо це призведе до нестачі електронів поблизу (оскільки це було б менш страшний, ніж термінал, який захоплює електрони).

Коли електрони залишають один термінал і входять в інший, це зменшить терміновість, з якою ці термінали потрібно буде вигнати або придбати електрони. Зауважте, що у відносному відношенні потрібен дивовижний невеликий надлишок або дефіцит електронів для створення по суті непереборної сили. Масу електронів у провіднику не можна сприймати як нестислиму, але це дуже близько. У дуже грубому відносному відношенні, якби типовий матеріал мав значення басейну електронів у плавальному басейні, різниця між сильним дефіцитом і сильною переповненістю була б меншою за краплю.

Уявіть собі це:

Для електроенергії труба сама заживає. Товщина стінки - це відстань до найближчого іншого провідника. Може здатися дивним думати про переміщення речей через міцну стінку труби, як провід по повітрю, але якщо ви ігноруєте цю частину фізики, аналогія працює.

Якщо «стінка» занадто тонка, щоб утримувати тиск, вона пробивається крізь, що ми називаємо дугою. Це працює і в дуже малих масштабах, як мікросхема 5 В, яка працює в інтернеті, коли живиться від 12 В.