Khi một dây đồng đơn giản được kết nối với AC hoặc DC, điều gì thực sự xảy ra với các electron bên trong dây?
Tức là họ đi theo con đường nào khi đến cuối dây? Nếu bất cứ ai có thể cung cấp một liên kết trình diễn video, nó sẽ là tuyệt vời.
Khi một dây đồng đơn giản được kết nối với AC hoặc DC, điều gì thực sự xảy ra với các electron bên trong dây?
Tức là họ đi theo con đường nào khi đến cuối dây? Nếu bất cứ ai có thể cung cấp một liên kết trình diễn video, nó sẽ là tuyệt vời.
Câu trả lời:
Các nguyên tử chứa một vài lớp hoặc vỏ electron. Nguyên tử hydro có một electron ở lớp thứ nhất, nguyên tử helium có hai electron ở lớp thứ nhất, nguyên tử tiếp theo (lithium) có hai lớp trên lớp thứ nhất, sau đó một lớp trên lớp thứ hai, v.v ... Mỗi lớp thường chỉ có thể giữ một lớp cụ thể số electron.
Các dây dẫn tốt nhất có một nguyên tử ở lớp ngoài cùng của chúng, và chúng hạnh phúc hơn khi từ bỏ nó. Xét nguyên tử của đồng . Nó có số electron sau đây trong mỗi lớp: 2, 8, 18, 1. Nó sẽ từ bỏ một electron dưới một trường tích điện yếu, và sau đó nó sẽ được tích điện dương và "kéo" một electron từ một nguyên tử đồng lân cận. Nếu bạn nhìn vào bạc và vàng, chúng được sắp xếp theo cách tương tự: 2, 8, 18, 18, 1 cho bạc và 2, 8, 18, 32, 18, 1 cho vàng.
Bạn có thể tước bất kỳ nguyên tử nào của electron, nhưng "dây dẫn" tốt nhất chỉ cần một trường yếu để làm như vậy.
Vì vậy, nếu tôi kéo một electron ra khỏi đầu dây đồng, sử dụng điện trường yếu, thì nguyên tử đó có thể kéo một electron ra khỏi hàng xóm của nó, và cuối cùng một nguyên tử đồng ở đâu đó trong dây sẽ mất electron, nhưng không thể có được người khác vì họ ở quá xa hoặc tương tác với một số lĩnh vực khác. Nếu tôi đẩy một electron ở cuối dây, thì nguyên tử đồng nhận được nó sẽ có quá nhiều, thể hiện một điện tích âm và về cơ bản đẩy thêm electron của nó lên một số nguyên tử đồng khác cho đến khi tìm thấy một nguyên tử không thể có được loại bỏ nó, hoặc một nguyên tử đã thiếu một cái rồi.
Bạn cũng có thể đẩy và kéo các electron lên và tắt các chất cách điện - bạn làm như vậy khi bạn xây dựng các điện tích tĩnh, ví dụ, sử dụng vải và nhựa.
Nhưng dây dẫn phân phối lại điện tích bên trong, vì vậy nếu bạn sạc một đầu dây có thêm electron, bạn có thể xem xét đầu kia của dây được tích điện tương tự.
Một pin, thường sử dụng phản ứng hóa học, thiết lập một điện tích dương ở một đầu và một điện tích âm ở đầu kia. Nếu bạn kết nối một dây dẫn giữa hai đầu, bạn sẽ buộc các electron qua dây dẫn khi chúng đi từ phía tích điện âm (quá nhiều electron) sang phía tích điện dương (quá ít electron).
Các electron chỉ di chuyển một hướng cho DC và chúng di chuyển theo một hướng sau đó theo hướng khác cho AC. Do từ trường thay đổi (nghĩa là dây trở thành một cuộn cảm), tín hiệu AC tần số cao thường truyền gần bề mặt của dây. Bạn có thể tra cứu "hiệu ứng da" để hiểu rõ hơn về điều này. Các electron di chuyển giữa các nguyên tử của dây dẫn.
Mỗi lần bạn đẩy 6,28x10 ^ 18 electron qua dây, bạn đã di chuyển một amp dòng điện. Đó là 6,28 tỷ tỷ electron. Tuy nhiên, có khoảng 4,38x10 ^ 22 nguyên tử đồng trong một mét dây 20gauge, vì vậy nếu bạn đẩy một amp đầy đủ qua nó, giả sử phân phối đồng đều, bạn sẽ không nhận được bất kỳ electron nào mà bạn đẩy vào - bạn sẽ đã đẩy ra các electron đã có trong dây. Các electron di chuyển chậm, riêng lẻ, nhưng điện tích phân phối nhanh - ngay khi bạn đẩy một electron, bạn sẽ thấy dễ dàng kéo một đầu ra khỏi đầu kia gần như với tốc độ ánh sáng ở đầu kia. Nó không phải là cùng một điện tử, nhưng hiệu ứng và điện tích là như nhau.
Một dây dẫn tốt phân phối điện tích rất, rất nhanh và không chuyển đổi nhiều chuyển động thành nhiệt. Nếu bạn đẩy cùng một dòng điện qua cùng một dây vàng có cùng kích thước và cùng một dây đồng, dây vàng sẽ nóng lên nhiều hơn, bởi vì những nguyên tử vàng đó khó từ bỏ và chấp nhận các electron hơn.
Tức là họ đi theo con đường nào khi đến cuối dây?
Họ không. Nếu có một mạch mở, không có dòng điện.
Dòng điện thực sự chỉ là dòng điện tử: dòng điện 1A theo một hướng = 6,24 x 10 18 electron chảy theo hướng khác. (Cảm ơn Benjamin Franklin vì điều đó: anh ấy là người quyết định quy ước ký hiệu cho hiện tại, dựa trên sự chuyển động của những gì anh ấy nghĩ là tích cực.)
Dòng điện trong một dây dẫn được gây ra, theo một nghĩa nào đó, bởi điện trường. Trong một dây dẫn, mật độ dòng điện J = E trong đó J nằm trong ampe / m 2 , σ là độ dẫn điện của vật liệu và E là điện trường.
Nếu bạn có một dây kết nối trong mạch với các thành phần (ví dụ điện trở, v.v.) với nguồn điện áp, điện áp đó sẽ đặt các điện trường dọc theo mạch, khiến dòng điện chạy qua. Khi các electron đến cuối dây được kết nối với thành phần khác, chúng sẽ di chuyển vào thành phần đó và tiếp tục trong một vòng quanh mạch.
Sự tương tự dễ dàng nhất ở đây có lẽ là dòng chảy của nước. Dòng điện tương tự như dòng nước, điện áp tương tự như áp suất, pin tương tự như máy bơm, dây tương tự như ống hoặc ống. (Không giống như sự tương tự nước, nếu bạn cắt mạch, dòng điện sẽ dừng lại, vì độ dẫn trong không khí của các điện tử rất thấp, trong khi nếu bạn cắt một vòi, nước sẽ tràn ra ngoài.)
Một dây dẫn kim loại là một biển các electron tự do được giữ trong một giếng tiềm năng nhờ điện tích dương của hạt nhân nguyên tử tạo nên kim loại. Đây là cách nó hoạt động: Một số electron liên kết chặt chẽ với hạt nhân của các nguyên tử và một số được tự do đi lang thang. Những người bị ràng buộc chặt chẽ không di chuyển, nhưng những người tự do có thể đi bất cứ nơi nào họ muốn ... sắp xếp. Nhiệt (chuyển động nâu) làm cho tất cả các hạt này chen lấn xung quanh và chúng đi nhanh hơn khi nhiệt độ tăng. Vì một số electron có thể tự do di chuyển, sự chen lấn có xu hướng nảy chúng ra xa hơn so với các nguyên tử còn lại. Một đám mây điện tử bắt đầu hình thành bên ngoài bề mặt của dây và nó sẽ lớn hơn khi chúng ta làm nóng mọi thứ. Khi đám mây điện tử di chuyển ra xa hơn, các nguyên tử bị mắc kẹt tại chỗ (trong mạng tinh thể thực sự) phát triển một điện tích dương có xu hướng kéo các electron trở lại. Vì vậy, có sự cân bằng giữa chen lấn do nhiệt có xu hướng làm cho đám mây điện tử giãn nở (giống như các phân tử trong khí làm cho nó muốn giãn nở khi bị đốt nóng) và điện trường phát triển vì các electron âm đang tiêu tốn thêm thời gian của chúng cách xa dây hơn các nguyên tử dương để lại. Hiệu ứng ròng là tất cả các electron phải ở gần dây, nhưng chúng di chuyển ra xa hơn khi nhiệt độ tăng. Có một loạt những điều xảy ra vì 'biển điện tử' này. Vì vậy, có sự cân bằng giữa chen lấn do nhiệt có xu hướng làm cho đám mây điện tử giãn nở (giống như các phân tử trong khí làm cho nó muốn giãn nở khi bị đốt nóng) và điện trường phát triển vì các electron âm đang tiêu tốn thêm thời gian của chúng cách xa dây hơn các nguyên tử dương để lại. Hiệu ứng ròng là tất cả các electron phải ở gần dây, nhưng chúng di chuyển ra xa hơn khi nhiệt độ tăng. Có một loạt những điều xảy ra vì 'biển điện tử' này. Vì vậy, có sự cân bằng giữa chen lấn do nhiệt có xu hướng làm cho đám mây điện tử giãn nở (giống như các phân tử trong khí làm cho nó muốn giãn nở khi bị đốt nóng) và điện trường phát triển vì các electron âm đang tiêu tốn thêm thời gian của chúng cách xa dây hơn các nguyên tử dương để lại. Hiệu ứng ròng là tất cả các electron phải ở gần dây, nhưng chúng di chuyển ra xa hơn khi nhiệt độ tăng. Có một loạt những điều xảy ra vì 'biển điện tử' này.
Đầu tiên, đó là một vùng biển và chúng ta có thể tạo ra sự tương đồng với đại dương. Dọc theo bờ biển phía đông của Hoa Kỳ có một thứ gọi là Suối Vịnh. Đó là một dòng chảy trong biển. Nó di chuyển một vài dặm một giờ và mang nhiều bắc nước. Trong đại dương cũng có sóng. Nếu có một trận động đất ở Đại Tây Dương, một cơn sóng thần kết quả sẽ di chuyển trên đại dương tại 600 dặm một giờ. Vì vậy, chúng tôi có kinh nghiệm rằng trong một vùng biển, sóng có thể di chuyển rất nhanh trong khi hiện tại di chuyển chậm hơn nhiều. Trong một dây nó là nhiều như nhau. Khi bạn đặt một điện thế dương vào đầu dây, các electron trong đám mây xung quanh dây sẽ bị hút vào nó. Trên thực tế, điện tích dương của bạn bây giờ cạnh tranh với điện tích dương của các nguyên tử và một số electron sẽ dịch chuyển theo hướng của bạn. Một số thậm chí có thể chuyển sang điện tích dương mà bạn đã áp dụng, nhưng chủ yếu là đám mây điện tử ở cuối dây sẽ dịch chuyển về phía bạn. Khi chúng dịch chuyển, những cái xa hơn một chút sẽ thấy sự dịch chuyển bởi vì bây giờ có ít electron âm hơn ở phía bạn. Vì vậy, họ sẽ thay đổi. Quá trình này lan truyền xuống dây, mỗi lô electron chuyển dịch vì sự thay đổi trong trường do các dịch chuyển khác. Khi 'sóng' đến đầu dây bên kia, đám mây ở đó sẽ dịch chuyển về phía đối diện, làm lộ ra nhiều điện tích dương của các nguyên tử, do đó bạn sẽ thấy tiềm năng tích cực ở cuối. Nhưng nó không xảy ra ngay lập tức. Trường trong cáp phải thay đổi và điều đó cần có thời gian. Bây giờ đây là phần thực sự thú vị: điện trường di chuyển với tốc độ ánh sáng bên ngoài dây, nhưng chúng di chuyển RẤT RẤT RẤT trong dây. Tôi không có con số chính xác, nhưng bên ngoài các trường dây đang tăng tốc với tốc độ 3x10 ^ 8 mét / giây. Bên trong dây không chỉ một mét mỗi giây. Nếu bạn áp dụng DC, phải mất một thời gian rất dài để một điện tử thực sự truyền dây xuống đầu kia. Nhưng, nếu bạn đặt một xung dương cho dây, bạn sẽ thấy một xung dương ở đầu kia với tốc độ ánh sáng (nếu bạn đặt một chất cách điện xung quanh dây thì nó thực sự chậm hơn một chút, nhưng đó là một chi tiết cho chốc lát). Làm sao có thể? Nếu các trường di chuyển rất chậm bên trong dây, làm thế nào để xung đến đầu kia nhanh như vậy? Nó làm như vậy vì lĩnh vực AROUND dây. Một dây, đặc biệt là tín hiệu AC, hoạt động như một ống dẫn sóng từ trong ra ngoài ở một mức độ nào đó. Các trường không thể đi vào bên trong dây, vì vậy chúng ở gần bề mặt và chỉ chen lấn các electron gần bề mặt. Đối với DC, các trường cuối cùng có thể xuyên qua toàn bộ dây và khiến mọi thứ chuyển động, nhưng đối với AC, trường quay ngược lại đều đặn, do đó, khi nó đi vào dây một chút, nó sẽ đảo ngược và phải bắt đầu lại. Hiệu ứng ròng là dòng điện trong dây di chuyển trong một khu vực hẹp gần bề mặt: đây được gọi là 'Hiệu ứng da'. Tôi không nghĩ rằng nó được phát hiện bởi Dr. Skin (nhưng tôi có thể sai), tôi nghĩ nó chỉ đề cập đến hiện tại dính trên bề mặt, hoặc 'da', của dây. Nếu bạn tự hỏi điều này quan trọng đến mức nào: rất rất rất rất nhiều. Tấn. Cá bống lớn. Tôi đã xây dựng bộ cân bằng cáp chuyên nghiệp cho tín hiệu video. Hiệu ứng da đã cho phép tôi kiếm được một mức lương tốt trong một vài năm. Lấy một dây 24 đo (giả sử Cat 5) và áp dụng tín hiệu có tần số từ rất thấp (giả sử 30 Hz) đến mức cao hợp lý (giả sử 5 MHz). Các tần số thấp có thể thâm nhập sâu hơn vào đồng, và vì vậy chúng thực sự nhìn thấy một sợi cáp lớn hơn nhiều. Các tần số cao chỉ nhìn thấy một ống mỏng. Có gì khác biệt? Sức cản! Tín hiệu chảy dễ dàng hơn nhiều trong một dây dày hơn một ống mỏng. Vì vậy, các tần số cao sẽ ngày càng nhỏ hơn khi bạn đi xuống cáp. Đối với tín hiệu video, điều đó có nghĩa là hình ảnh của bạn bị mờ và mờ hơn và cuối cùng màu sẽ biến mất. Sau khi đi qua một dặm cáp Cat 5, các phần 5 MHz của tín hiệu video sẽ nhỏ hơn khoảng một triệu lần so với tần số thấp. Vì vậy, các tần số cao sẽ ngày càng nhỏ hơn khi bạn đi xuống cáp. Đối với tín hiệu video, điều đó có nghĩa là hình ảnh của bạn bị mờ và mờ hơn và cuối cùng màu sẽ biến mất. Sau khi đi qua một dặm cáp Cat 5, các phần 5 MHz của tín hiệu video sẽ nhỏ hơn khoảng một triệu lần so với tần số thấp. Vì vậy, các tần số cao sẽ ngày càng nhỏ hơn khi bạn đi xuống cáp. Đối với tín hiệu video, điều đó có nghĩa là hình ảnh của bạn bị mờ và mờ hơn và cuối cùng màu sẽ biến mất. Sau khi đi qua một dặm cáp Cat 5, các phần 5 MHz của tín hiệu video sẽ nhỏ hơn khoảng một triệu lần so với tần số thấp.
Một điều khác mà 'biển điện tử' này giải thích: tia cực âm. Ngày xưa, tín hiệu điện được khuếch đại bằng ống chân không. Bản thân ống chân không có dây tóc (có dòng điện buộc qua nó để nó phát sáng màu cam nóng) và lưới (giống như màn hình kim loại) bên cạnh dây tóc. Xa hơn là một cái gì đó gọi một tấm (đó chỉ là một tấm kim loại có kết nối đầu cuối). Khi dây tóc nóng, biển điện tử mở rộng và rất nhiều điện tử sẽ đi lang thang khá xa so với dây điện trong nhà của họ. Nếu bạn đặt một điện tích dương vào lưới điện, nó có thể kéo một số các electron đó ra khỏi dây tóc, và nếu cùng lúc đó, bạn áp dụng một điện tích dương vào tấm, chúng sẽ quét qua chân không bên trong ống và đất trên tấm gây ra một dòng điện. Vì vậy, lưới điện có thể điều khiển dòng điện qua ống, và đó là bộ khuếch đại điện tử đầu tiên. Nó được phát minh từ những bóng đèn đầu tiên. Trên thực tế, Edison gần như đã phát minh ra nó, nhưng chưa bao giờ kết thúc thí nghiệm, nên cái gật đầu thuộc về một quý ông tên là DeForrest. (Tôi nghĩ ... có lẽ tôi nên kiểm tra Wikipedia). Nếu tấm đó là một màn hình được phủ bằng phốt-pho, nó trở thành CRT (ống tia âm cực) và nó trở thành chiếc tivi đầu tiên. Vì vậy, có rất nhiều điều có thể được giải thích bằng quan điểm này về một dây dẫn / dây dẫn như một biển các electron được giữ lỏng lẻo bởi các nguyên tử mẹ của chúng. Tôi không chắc đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm không, nhưng nó luôn giúp tôi một khi tôi học được nó. May mắn nhất. Dave nhưng chưa bao giờ kết thúc thí nghiệm, nên cái gật đầu thuộc về một quý ông tên DeForrest. (Tôi nghĩ ... có lẽ tôi nên kiểm tra Wikipedia). Nếu tấm đó là một màn hình được phủ bằng phốt-pho, nó trở thành CRT (ống tia âm cực) và nó trở thành chiếc tivi đầu tiên. Vì vậy, có rất nhiều điều có thể được giải thích bằng quan điểm này về một dây dẫn / dây dẫn như một biển các electron được giữ lỏng lẻo bởi các nguyên tử mẹ của chúng. Tôi không chắc đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm không, nhưng nó luôn giúp tôi một khi tôi học được nó. May mắn nhất. Dave nhưng chưa bao giờ kết thúc thí nghiệm, nên cái gật đầu thuộc về một quý ông tên DeForrest. (Tôi nghĩ ... có lẽ tôi nên kiểm tra Wikipedia). Nếu tấm đó là một màn hình được phủ bằng phốt-pho, nó trở thành CRT (ống tia âm cực) và nó trở thành chiếc tivi đầu tiên. Vì vậy, có rất nhiều điều có thể được giải thích bằng quan điểm này về một dây dẫn / dây dẫn như một biển các electron được giữ lỏng lẻo bởi các nguyên tử mẹ của chúng. Tôi không chắc đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm không, nhưng nó luôn giúp tôi một khi tôi học được nó. May mắn nhất. Dave rất nhiều điều có thể được giải thích bằng quan điểm này của một dây dẫn / dây dẫn như một biển các electron được giữ lỏng lẻo tại chỗ bởi các nguyên tử mẹ của chúng. Tôi không chắc đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm không, nhưng nó luôn giúp tôi một khi tôi học được nó. May mắn nhất. Dave rất nhiều điều có thể được giải thích bằng quan điểm này của một dây dẫn / dây dẫn như một biển các electron được giữ lỏng lẻo tại chỗ bởi các nguyên tử mẹ của chúng. Tôi không chắc đó có phải là thứ bạn đang tìm kiếm không, nhưng nó luôn giúp tôi một khi tôi học được nó. May mắn nhất. Dave
Khi một dòng điện chạy, các electron chuyển từ cực âm sang cực dương với tốc độ rất nhỏ, theo thứ tự trong một dây tiêu chuẩn hướng tới một bóng đèn. Electron di chuyển theo hướng ngược lại với cái mà chúng ta gọi là dòng điện. Khi chúng đến cuối dây, chúng thực sự chuyển vào vật liệu của thiết bị đầu cuối, bóng đèn hoặc bất cứ thứ gì. Sự dễ dàng của sự di chuyển điện tử là những gì chúng ta gọi là độ dẫn.
Trong các mạch điện xoay chiều, các electron thực sự ngọ nguậy một chút, tùy thuộc vào tần số của AC, theo cực tính của dòng điện.
Khi DC được áp dụng, các electron tự do bằng đồng bắt đầu rời khỏi cực âm của pin và đi vào cực dương của pin. Họ di chuyển rất chậm [Một tài liệu tham khảo có thể được tìm thấy trong BL Theraja, Điện Engieering]. Họ không chỉ tiếp cận và kết thúc hành trình. Hiện tại là do sự di chuyển của họ theo một hướng cụ thể, không phải vì họ đã đến đích và họ phải chết ngay bây giờ.
Electron không chết. Họ chỉ đơn giản là tiếp tục con đường của nó từ dây đồng vào pin (cũng là một dây dẫn có điện trở thấp).
Dòng điện AD cũng vậy. Các electron chỉ đơn giản là di chuyển qua lại. Như một câu trả lời khác nói rằng chúng di chuyển rất chậm nên nó thực sự phải là một cái lắc lư nhỏ. Nhưng không phải là chúng rất đàn hồi. Điều đó có nghĩa là nếu một electron di chuyển ở đầu dây dẫn, nó sẽ di chuyển một electron khác ở cuối dây dẫn. Sot anh chuyển động là hoàn toàn không phù hợp. Luôn luôn có các electron chuyển từ đồng sang bột và pin sang đồng. Trong cả AC và DC.
Chỉ cần mở rộng sự tương tự với nước; giả sử có một ống dài, với một số nguồn nước ở một đầu và một van ở đầu kia: ống chứa đầy nước và khi bạn mở van, nó bắt đầu tràn ra "tức thời". Bạn không nói rằng nước di chuyển với tốc độ vô hạn qua đường ống, chỉ là nó ở trong đó và chờ đường đi đến một nơi nào đó.
Điều tương tự cũng xảy ra với điện: các electron nằm trong dây và khi bạn đặt điện áp, chúng bắt đầu di chuyển. Bạn thấy hiệu ứng gần như ngay lập tức bởi vì có một số "chờ" ở cuối dây, được đẩy bởi những người gần họ và do đó sẽ đi đến nguồn. Vì vậy, ngay cả khi các điện tử chậm , các tín hiệu lan truyền nhanh hơn nhiều (2/3 c là một tham chiếu phổ biến) vì phản ứng dây chuyền này.