Tại sao các electron không bị đẩy ra khỏi dây dẫn ở mạch hở dưới tác động của nguồn điện?

Thông thường, dòng điện được so sánh với dòng nước. Ví dụ, nếu tôi tạo một lỗ trong bể nước, nước sẽ chảy cho đến khi áp suất bể và khí quyển không bằng nhau hoặc bể trở nên trống rỗng. Tại sao điều này không xảy ra với điện?

Bạn đang tưởng tượng một mạch mở để trông như thế này:

Một sự tương tự tốt hơn sẽ là thế này:

Các đường ống trong một mạch không được bao quanh bởi không gian trống để nước chảy - chúng được điều hướng qua một tảng đá. Nơi nào không có đường ống, nơi đó chỉ có đá và nước không chảy.

Sự tương tự nước rất hạn chế và không mô hình hóa cách thức các electron di chuyển trong một dây. Nó nên luôn luôn được sử dụng với sự cẩn thận.

Electron trôi rất chậm (khoảng 1m / giờ) bằng cách nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Dòng điện dường như chảy tức thời trong một mạch hoàn chỉnh nhưng sẽ không chảy trong một mạch không hoàn chỉnh (không có điện trường để di chuyển các electron).

Bên trong dây có độ dẫn cao (rất nhiều electron 'tự do' ù ù ngẫu nhiên) và một điện trường nhỏ (chênh lệch điện áp ở mỗi đầu dây) có thể tạo ra dòng điện. Bên ngoài dây dẫn độ dẫn rất thấp và không có điện trường để vượt qua lực hút của các ion kim loại tích điện dương trong dây nên một electron rời khỏi bề mặt dây.

Mặt khác, nước (phân tử) sẽ đơn giản chảy ra từ đầu ống vì lực đẩy nước vào ở đầu mở (do áp suất không khí) nhỏ hơn lực đẩy nước ra khỏi hệ thống (áp suất không khí + trọng lực + bơm?).

Nước có thể thoát ra vì bên trong và bên ngoài đường ống về cơ bản là cùng một môi trường và các phân tử bị tác động bởi áp lực (không khí và bơm) và trọng lực (bên trong đường ống) và trọng lực (bên ngoài đường ống).

Có thể cho các điện tử thoát khỏi dây?

Vâng.

Để các electron thoát khỏi 'thùng kim loại' của chúng, phải có đủ năng lượng được cung cấp để phá vỡ các liên kết buộc chúng vào các ion kim loại. Điều này có thể được thực hiện với các photon năng lượng cao (xem hiệu ứng điện ảnh và chức năng làm việc) hoặc làm nóng kim loại (phát xạ nhiệt). Tất nhiên, nếu điều này được thực hiện trong không khí, các electron không thể đi được rất xa trước khi bị hấp thụ nên nó cần phải được thực hiện trong chân không.

Nếu điện trường rất cao (như trong các đám mây tích điện) thì tia lửa thu được là sét.

Tạo một lỗ trong bể nước để nước có thể thoát ra cũng giống như đoản mạch trong thiết bị điện tử. Chặn một đường ống nước cũng giống như mở mạch kết nối.

Hãy nhớ rằng, bể chứa nước là một "chất cách điện dòng nước" và giống như một đường ống bị chặn.

Đó là tất cả một câu hỏi về cân bằng áp lực.

Với nước, áp suất của nước không bằng nhau, mà là áp suất khí quyển tác động lên mặt nước. Không khí đẩy xuống mặt nước và đẩy nó ra khỏi lỗ cho đến khi áp lực bên trong và bên ngoài được cân bằng.

Kết nối một dây giữa hai cực của pin và áp suất giữa hai cực có thể bằng nhau.

Dán một bung trong lỗ của bể và nước không thể chảy nữa - chênh lệch áp suất giữa bên trong và bên ngoài giờ đã được cố định. Thêm một điện trở rất cao giữa hai cực của pin và dòng điện không thể chảy nữa (hoặc chảy rất chậm - bung có một giọt nước). Điện trở càng cao thì dòng chảy càng chậm.

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

Nước và điện không hoạt động theo cùng một cách. Đôi khi nước trong đường ống được sử dụng như một chất tương tự cho dòng điện trong dây dẫn, nhưng sự tương tự đó bị phá vỡ trong trường hợp bạn đang hỏi về.

Trên thực tế, sự tương tự vẫn còn hiệu lực nếu bạn nhớ rằng không khí không dẫn điện, nhưng không khí dẫn nước dễ dàng. Để làm cho sự tương tự dòng nước chính xác hơn, bạn phải hình dung mọi thứ ngoại trừ phần bên trong của các ống được làm bằng một số vật liệu rắn. Ví dụ, tưởng tượng tất cả mọi thứ trong không khí là một loại cao su cứng. Nước sẽ không chảy ra khỏi đường ống mở vì nó không thể đi bất cứ đâu.

Mức năng lượng

Hiệu ứng này thường được giải thích bằng khái niệm mức năng lượng . Các vật liệu được chia thành ba nhóm: chất cách điện, chất dẫn điện và chất bán dẫn.

Đối với dây dẫn ...

Từ quan điểm của các mức năng lượng (nguyên tử), đối với các dây dẫn, không có khoảng cách năng lượng giữa dải hóa trị và dải dẫn . Sau đó, với rất ít năng lượng, các electron có thể được thiết lập chuyển động.

Đối với cách điện ....

Đối với chất cách điện, khoảng cách năng lượng giữa các dải hóa trị và các dải dẫn lớn hơn nhiều, điều đó có nghĩa là cần rất nhiều năng lượng để xác định vị trí của một electron trong dải dẫn.

Sau đó, trong một mạch mở ...

Trong một mạch hở, lớp cách điện xung quanh dây dẫn có mức năng lượng cao hơn nhiều so với những thứ này. Trong điều kiện bình thường, các electron từ dây dẫn cách điện, không có đủ năng lượng để đến dải dẫn của chất cách điện.

Nhưng...

Tuy nhiên, nếu năng lượng áp dụng cho dây dẫn được tăng lên đáng kể, nó có thể đạt được bước nhảy đến vật liệu cách điện; hiệu ứng này là phóng điện hoặc vỡ điện môi.

Electron bị mắc kẹt trong một kim loại vì chức năng làm việc của kim loại đó. Hàm làm việc là thước đo năng lượng của electron trong kim loại với năng lượng của nó trong không gian tự do. (hoặc trong chân không .. sự hiện diện của không khí chỉ là một biến chứng thêm vào.) Các electron trong kim loại luôn ở trạng thái năng lượng thấp hơn trạng thái chân không. Nếu một điện trường đủ mạnh được áp dụng cho kim loại, các electron có thể vượt qua chức năng làm việc và rời khỏi kim loại. (nghĩ về một cực âm ống chân không.) Một sự tương tự nước khá dễ dàng. Nước nằm trong một cái xô hoặc máng có các cạnh cao. (Nhưng tốt hơn là chỉ nghĩ về các điện tử thực.)

Bất kỳ sự khác biệt nào giữa số lượng electron trong một khu vực cụ thể và số lượng proton trong khu vực đó sẽ khiến các electron gần đó bị thu hút hoặc đẩy lùi khi cần thiết để cân bằng các số. Những lý do duy nhất khiến các electron muốn rời khỏi một khu vực là vì có quá nhiều electron trong khu vực so với số lượng điện tử, hoặc một khu vực gần đó bị thiếu electron (so với proton). Một nguồn cung cấp một amp "hoàn hảo" sẽ di chuyển một vòng electron (đó là một tải trọng khá lớn) từ một cực này sang cực khác mỗi giây. Nếu không có electron nào rời khỏi thiết bị đầu cuối nhận tất cả các electron đó từ nguồn cung cấp, sẽ không lâu nữa các electron bị quá tải đến mức chúng sẽ bắt đầu rời đi ngay cả khi điều đó có nghĩa là nơi chúng ' sẽ trở nên quá đông đúc (vì nó sẽ ít quá tải so với nơi họ sẽ rời đi). Tương tự như vậy, nếu không có thiết bị đầu cuối nào đi vào thiết bị đầu cuối mà nguồn cung cấp đang sử dụng electron, sự thiếu hụt điện tử của nó sẽ nhanh chóng trở nên nghiêm trọng đến mức khiến nó bắt đầu lấy electron từ bất cứ thứ gì gần đó, ngay cả khi điều đó sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tử gần đó (vì nó sẽ gây ra sự thiếu hụt điện tử gần đó (vì nó sẽ ít nghiêm trọng hơn thiết bị đầu cuối lấy các electron).

Khi các electron rời khỏi một thiết bị đầu cuối và đi vào thiết bị khác, điều này sẽ làm giảm mức độ khẩn cấp mà các thiết bị đầu cuối đó sẽ cần phải trục xuất hoặc thu nhận các điện tử. Lưu ý rằng về mặt tương đối, cần có một sự dư thừa nhỏ hoặc thiếu điện tử đáng kinh ngạc để tạo ra một lực cơ bản không thể cưỡng lại. Khối lượng electron trong một dây dẫn hoàn toàn không thể được xem là không thể nén được, nhưng nó rất gần. Nói một cách tương đối thô sơ, nếu một vật liệu điển hình có giá trị điện tử của bể bơi, sự khác biệt giữa thiếu hụt nghiêm trọng và quá tải nghiêm trọng sẽ ít hơn một giọt.

Hãy tưởng tượng điều này:

Đối với điện, đường ống tự chữa lành. Độ dày của tường là khoảng cách đến dây dẫn khác gần nhất. Có vẻ hơi lạ khi nghĩ đến việc di chuyển mọi thứ qua một bức tường ống chắc chắn như một sợi dây trong không khí, nhưng nếu bạn bỏ qua phần vật lý đó, thì sự tương tự sẽ hoạt động.

Nếu "bức tường" quá mỏng để giữ áp lực, nó sẽ xuyên qua, mà chúng ta gọi là một vòng cung. Điều này cũng hoạt động ở quy mô rất nhỏ, giống như một con chip 5V được trang bị bên trong khi được cấp nguồn 12V.