Чи справді електрони течуть при подачі напруги?

У книгах сказано, що ланцюг - це замкнутий шлях, і таким чином електрони повертаються до джерела. Якщо це так, що буде, коли в ланцюзі сталася несправність Землі? Як би електрони повернулися до свого джерела?

Чи насправді електрони виходять зі своїх атомів чи просто вібрують і передають енергію таким чином, коли ми застосовуємо напругу?

Думаючи про струм з точки зору руху електронів, це початок вниз до поганої ментальної моделі того, як працює електрика. Ось лише кілька речей з цим:

• Електрони є лише одним з багатьох носіїв заряду. Будь-який іон також є носієм заряду.

• Протони, які врівноважують електрони, так само важливі. Якби у вас були лише електрони, то всі електрони у Всесвіті відштовхувалися б один від одного і вистрілювали у Всесвіт.

• Електрони мають негативний заряд, і ви будете плутати себе без жодних вагомих причин, думаючи про те, як вони переходять від негативного до позитивного. Це насправді зовсім не має значення.

• Електрони насправді весь час кружляють у всіх випадкових напрямках, а їх рух через струм є незначним, порівняно.

Важливим є те, що носії заряду (один з таких електронів) можуть використовуватися для передачі електрорушійної сили (зазвичай її називають просто напругою). Це дуже звичайна концепція, насправді. Ви можете натиснути на один кінець стержня і передати механічну силу на інший кінець стержня. Рухається стрижень, коли ти це робиш? Ну, можливо, але тут відбуваються дві речі:

1. сила передається через стрижень, як хвилі, що поширюються зі швидкістю звуку в цьому матеріалі
2. якщо і тільки якщо ми також передаємо потужність, стрижень рухається, в більшості випадків із значно меншою швидкістю

Різниця очевидна для стрижня, але оскільки ми не можемо побачити електричний заряд, різниця не очевидна.

Отже, ваше запитання було: чи насправді електрони течуть при подачі напруги? Строго кажучи, відповідь може бути , і це залежить від того, що ви маєте на увазі під потоком . Це схоже на питання, чи рухається мотузка, коли ви тягнете її? Ну, якщо він прикріплений до повітряної кулі, він може сильно рухатися. Якщо він кріпиться до цегляної стіни, він може взагалі не рухатися.

Рух носіїв заряду (подібно до електронів) є струмом . Якщо у нас є струм, то спостерігається чистий рух носіїв заряду. Дійсно, вони розпливаються на всьому протязі, наскільки окремі молекули води розпливаються в трубі, навіть якщо немає чистого потоку. Струм описує середній рух. У разі постійного струму середній рух знаходиться в колі.

Як взаємодіють окремі носії заряду, щоб досягти цього, складно, і це справді питання фізики, а не питання електроніки. Однак я б запропонував вам ознайомитись з цим підручником MIT про поля .

Електрони ж фізично рухатися , коли прикладається напруга - дуже повільно .

Схема, що працює під напругою 100 В постійного струму, що живить навантаження 1А (як лампочка) через мідний дріт діаметром 2 мм, побачить електрони, що рухаються зі швидкістю:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

де

• $8.5 \times 10^{22}$
• R - радіус проводу
• $1.6 \times 10^{-19}$

Це виходить до 8,4 см / годину . Не зовсім швидко.

Ключовим є той факт, що це енергія, яка пробігає по ланцюгу майже миттєво - не самі електрони. (Електрони роблять зручне "шосе", щоб енергія швидко текла.)

Прикро, що повільний дрейф електронів під напругою закінчився тим самим ім'ям, що й енергетичний потік, який насправді працює в ланцюзі.

Не плутайте зручну абстракцію з фізичною реальністю

• "Схеми" - це абстрактне поняття, покликане допомогти нам краще зрозуміти світ.
• електрони - це фізична сутність.

Примітка про «закриті» стежки

Замикаючі контури шляху не означають повернення електронів до джерела. Більше того, електрони, які залишають джерело, надзвичайно рідко є тими ж електронами, які повертаються до іншого полюса джерела (див. Відповідь @ madmanguruman для пояснення швидкості).

Механічні аналогії

Це як доміно, яке падає. Енергетична хвиля поширюється через падіння доміно, але доміно мало перекладається.

Пам'ятайте, енергія - це заряд електрона, більший від сили, прикладеної до нього (напруга). Це (переважно) сили, які рухаються по металевій решітці, а не заряди (електрони).

Так само, як на цій фотографії:

Сили передаються через кулі, але кулі значною мірою залишаються на своєму місці. На відміну від механічних кульок, які врівноважені за силою тяжіння, з електронами в металевих дротах від гальванічних комірок (акумуляторів), спостерігається повільний загальний дрейф електронів (як автомобілі, що застрягли в русі) на інший кінець.

Подальше читання

Ви можете розглянути цю відповідь, яку я дав на подібне пов'язане з фізикою питання.

Тут ми говоримо про метали. Зазвичай предмет металу не складається з молекул. Він складається з атомів металу, всі згруповані разом. Це показано на малюнку нижче:

Червоні кола - це електрони. Як бачите, ви не можете реально сказати, до якого атома належить електрон. Ці електрони утворюють зв’язки між атомами - тому вони належать до двох атомів.

Тепер, коли починає текти струм, ці електрони дійсно рухаються. Коли струм тече, енергія передається. Оскільки атоми не можуть легко рухатися, електрони повинні рухатися.

Ви також можете побачити це в одиничному струмі Ампер струму: 1 ампер дорівнює 1 кулону в секунду. Кулон (C) - одиниця заряду (Q). 1 Ампер означає, що 1 кулон заряду проходить певну точку за 1 секунду. Цей заряд виробляється електронами, які фактично течуть від об'єкта один до об'єкта два.

Коли ми говоримо про постійний струм (наприклад, звичайний акумулятор), ці електрони не повернуться до свого джерела. Розглянемо цю схему:

На початку існує різниця заряду між негативним і позитивним полюсом: негативний полюс має надлишок електронів. Це створює силу (напруга), і оскільки між двома полюсами (дротом і колбою) існує зв’язок, електрони починають текти. Електрони рухаються від негативного полюса через колбу до позитивного полюса, поки більше немає різниці в заряді (або це мало, що це не призведе до течії струму).

Тепер ви можете бачити, що ці електрони не повернулися до свого джерела: вони почалися на негативному полюсі і закінчилися на позитивному полюсі.

Ми називаємо це замкнутим шляхом, оскільки існує коло: струм починається від акумулятора і закінчується біля акумулятора. Існує плутанина, оскільки акумулятор насправді існує з двох об'єктів: позитивного та негативного полюса.

Подивіться на цю схему (яка в основному однакова, але з конденсатором замість батареї та резистором замість лампочки):

Струм тече з правого боку конденсатора (негативно заряджений, надлишок електронів) через резистор в ліву частину конденсатора (позитивно заряджений, дефіцит електронів). Тут конденсаторні пластини відокремлені, тому ви можете легко побачити, що це насправді не замкнутий шлях.

Ми просто називаємо це замкнутим контуром, тому що струм починається і закінчується на конденсаторі.

Оскільки електронам насправді не потрібно повертатися до своєї основи, тепер ви можете зрозуміти, що електрони можуть надходити і в землю. Це теж відбувається з блискавкою. Електрони випливають із хмар на землю (або навпаки, я б не знав), просто нейтралізуючи різницю в заряді.