Tại sao không có dòng điện trong dây mà không có điện áp đặt vào?

Các nguyên tử vật liệu có các electron ngoài cùng liên kết lỏng lẻo liên tục trao đổi điện tích với nhau theo thời gian và các vật liệu này được gọi là dây dẫn. Bây giờ, quy trình tiến hành khác với quy trình thường được mô tả trong sách giáo khoa kỹ thuật điện.

Điều này ngụ ý rằng để dòng điện chạy trong mạch, một electron phải di chuyển từ dây dẫn này sang dây dẫn khác, điều này đơn giản là không đúng. Thực tế là một cái gì đó như thế này:

Chẳng hạn, electron ở phía bên trái phát ra từ dây dẫn âm của pin, sau đó va chạm vào nguyên tử gần nhất và do gia tốc của nó, nó đánh bật electron đang quay ở mức vỏ này. Electron bị đánh bật đang hướng đến nguyên tử gần nhất của nó và đến lượt nó cũng làm như vậy, đánh bật một electron tạo ra phản ứng dây chuyền. Vì vậy, về cơ bản, các electron di chuyển chỉ một chút, nhưng kết quả chung là gần như tức thời.

Điều tôi không hiểu là nếu chúng ta sử dụng một dây dẫn thông thường mà KHÔNG có điện áp đặt vào nó, các electron vẫn liên tục bật từ nguyên tử này sang nguyên tử khác, nghĩa là có "dòng điện tử" trong dây, nhưng nếu chúng ta kết nối dây với một diode LED sẽ không có gì xảy ra. Vì vậy, điều tôi thực sự hỏi là "dòng điện tử khác với điện áp ứng dụng" khác với "dòng điện tử KHÔNG CÓ điện áp ứng dụng" trong dây như thế nào.

Theo thống kê, có rất nhiều electron di chuyển theo một hướng như có ngược lại 180 độ nên thực sự không có dòng điện. Cái mà chúng ta gọi là "dòng điện" là sự chuyển động của nhiều electron theo một hướng hơn tất cả các hướng khác (1D, 2D hoặc 3D thông qua một miếng kim loại). Đó là cách bạn có thể có "tấn điện tử tự do" nhưng không có dòng điện nào chảy hoặc đo được.

Kích động ngẫu nhiên của các điện tử đó có một tên: nhiễu nhiệt. Kích động này tỷ lệ thuận với nhiệt độ để bạn nhận được nhiều hơn khi bạn làm nóng mọi thứ. Tuy nhiên, chuyển động trung bình luôn bằng không, do đó bạn không bao giờ có thể thực hiện bất kỳ "công việc" hữu ích nào hoặc trích xuất tương đương năng lượng có thể sử dụng được từ quy trình.

Điều này phù hợp với các quy luật nhiệt động lực học.

Câu trả lời ngắn: một số sách giáo khoa bị nhiễm một quan niệm sai lầm, ý tưởng rằng các electron luôn quay quanh các nguyên tử kim loại riêng lẻ. Không. Họ cũng sẽ nói với bạn rằng các electron chỉ nhảy giữa các nguyên tử khi một điện áp được đặt dọc theo dây dẫn. Sai lầm.

Trong kim loại, (các) electron bên ngoài của mỗi nguyên tử kim loại đã rời khỏi nguyên tử ban đầu của chúng. Điều này xảy ra khi kim loại được hình thành đầu tiên. Nếu các electron liên tục bám vào từng nguyên tử, thì kim loại sẽ là chất cách điện và ở giá trị thấp của dòng điện, ohms sẽ không đổi. Trong thực tế, các electron bên ngoài hoặc "dải dẫn" luôn quay quanh tất cả các nguyên tử kim loại. Một dây kim loại giống như một loại "plasma rắn". Kim loại là lạ.

Các nhà vật lý gọi quần thể electron di động của kim loại bằng tên gọi "biển điện tử" hay "đại dương điện tích". Trong hóa học, nó được gọi là "liên kết kim loại."

Từ quan điểm phi lượng tử, chúng ta có thể xem các vật thể kim loại giống như các thùng chứa đầy "chất lỏng điện", kiểu Ben Franklin! Các electron của kim loại đang dao động xung quanh với tốc độ cao, đi lang thang khắp nơi, giống như các phân tử khí bên trong vòi. Nhưng chuyển động điện tử này là theo hướng ngẫu nhiên. Đây là một kho chứa năng lượng nhiệt, nhưng nó không có một hướng duy nhất, vì vậy nó không phải là "gió;" không phải dòng điện. Đối với mỗi điện tử đi một chiều, có một điện tử khác đi ngược lại.

Do đó, một dòng điện một chiều thực tế trong kim loại là sự trôi trung bình chậm của đám mây điện tử này. Tất nhiên các electron không di chuyển chậm. Thay vào đó họ đi lang thang với tốc độ ánh sáng gần như mọi lúc. Nhưng trong một dòng điện một chiều, con đường lang thang trung bình của chúng có một vết trôi DC nhỏ xíu. Bầu khí quyển của trái đất cũng vậy: mỗi phân tử đang chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ của âm thanh, ngay cả trong điều kiện tĩnh lặng; không có gió Chúng tôi coi việc lang thang là "nhiệt", như Brownian Motion. Tương tự với các electron riêng lẻ trong một kim loại.

Một hình ảnh động chính xác của các nguyên tử / electron của kim loại sẽ mô tả các electron nhảy theo cả hai hướng cho dòng điện bằng không. Hoặc, chỉ cho chúng ngọ nguậy qua lại trên một số nguyên tử, với chuyển động ngẫu nhiên trong các ampe bằng không. (Hoặc, hiển thị bên trong dây trông giống như 'tuyết truyền hình', giống như tiếng ồn trắng nhấp nháy.) Sau đó, trong dòng điện một chiều, toàn bộ mô hình electron sẽ từ từ trượt dọc theo một đơn vị. Ampe càng cao, dòng chảy càng nhanh. "Tiếng ồn trắng lỏng" di chuyển chậm, giống như nước trong một đường ống, nhưng các hạt riêng lẻ không bao giờ đứng yên.

Lưu ý rằng hình ảnh này KHÔNG ÁP DỤNG CHO TẤT CẢ CÁC ĐIỀU KIỆN . Nó chỉ áp dụng cho kim loại rắn (dạng dây dẫn phổ biến nhất được sử dụng trong kỹ thuật điện), nhưng không áp dụng cho nước muối, axit, dòng điện mặt đất, mô / dây thần kinh của con người, kim loại lỏng, kim loại chuyển động, plasma, tia lửa, v.v. t electron, đó là lý do tại sao các kỹ sư và nhà khoa học sử dụng "Dòng điện thông thường" áp dụng cho tất cả các loại dây dẫn. Dòng điện trong kim loại là trường hợp đặc biệt của dòng điện nói chung.

PS
Lưu ý rằng các điện tử không vô hình! (Trên thực tế, các điện tử là về những thứ duy nhất có thể nhìn thấy được.) Vì vậy, bất cứ khi nào chúng ta nhìn vào một sợi dây trần, chúng ta đều thấy biển điện tử của nó. Các electron di động là các phản xạ cực đoan của sóng EM. Cái nhìn "kim loại" của bề mặt kim loại là cái nhìn của chúng ta về các electron tự do. Vì vậy, các điện tử giống như một chất lỏng màu bạc. Trong dòng điện trong kim loại, đó là thứ màu bạc chảy dọc. Nhưng không có bụi bẩn hoặc bong bóng trong dòng chảy này, vì vậy mặc dù chúng ta có thể thấy "chất lỏng", chúng ta không thể thấy chuyển động của nó. (Heh, ngay cả khi chúng ta có thể nhìn thấy thứ gì đó đang chuyển động, sự trôi dạt của điện tích sẽ quá chậm để nhận ra; như kim phút trên đồng hồ!)

Nếu dây là chất siêu dẫn, dòng điện thực sự có thể chảy mà không cần điện áp.

Có một ví dụ mà một giáo viên của tôi đã đưa cho tôi.

Các điện tử không có điện áp đơn giản giống như những người độc lập thích ở một thành phố ngẫu nhiên nào đó. Họ vui vẻ di chuyển tự do nhưng họ không phải là một phần của bất kỳ chuyển động nào. Họ là những cá nhân không quan trọng.

Bây giờ đột nhiên một bên nước ngoài thiết lập quy tắc. Điều đó làm cho các điện tử diễu hành để thành lập bên nước ngoài (Không phải là dòng điện thông thường) trong cuộc nổi dậy, nổi loạn, v.v. Chúng là một phần của phong trào và được gọi là Hiện tại.

Dòng điện yêu cầu các electron trong dải dẫn dẫn chảy và không có điện áp (hoặc áp suất như một sự tương tự dòng chảy), không có năng lượng để kích thích các electron vào dải dẫn. Điện trở luôn luôn xuất hiện do tính chất nguyên tử và điện áp rơi phải là tổng điện áp vì điện trở về cơ bản là vô hạn vì vỏ hóa trị trong kim loại khác nhiều so với các dải dẫn trong đó chúng được liên kết với cấu trúc mạng của kim loại. Họ yêu cầu sự kích thích và một độ dốc để phá vỡ liên kết của họ với hóa trị mà cô ấy sẽ làm. Các electron hóa trị có thể tương tác nhưng chúng không định hướng đồng đều và không tự do chảy như chúng sẽ bị kích thích trong dải dẫn. Điều này là tất nhiên cho các kim loại dẫn điện đơn giản.

Từ câu hỏi của bạn, rõ ràng là bạn không biết phân biệt giữa chuyển động điện tử ngẫu nhiên và chuyển động của electron định hướng . Chuyển động điện tử ngẫu nhiên không phải là hiện tại. Chuyển động của electron hướng là .
Đó là điện áp tạo ra hướng cho các electron, do đó gây ra dòng điện tử định hướng - "dòng điện tử".

Bạn khẳng định rằng "một electron phải chuyển từ một đạo trình này sang một đạo trình khác, đơn giản là không đúng", là sai . Thực tế là đối với mỗi điện tử "xâm nhập" vào dây, một điện tử khác phải "thoát" khỏi đầu kia. Nếu điều này không xảy ra, thì bạn không có dòng chảy hiện tại! Đây chính xác là lý do tại sao "không có gì xảy ra khi bạn kết nối đèn LED với dây" mà không áp dụng điện áp.

Chúng tôi được khuyên không nên bận tâm vì có nhiều vật lý trong đó và ít quan trọng thực tế hơn.

Trong vật lý, dây không phải là một điểm chết ngắn mà có điện trở, điện dung và độ tự cảm. Khi bạn đặt điện áp vào dây, nhiều người cho rằng sẽ xảy ra.

Khi không có điện áp được áp dụng, sẽ không có các electron đủ nhảy từ nguyên tử này sang nguyên tử khác để tạo ra ánh sáng LED.

Một nhà vật lý có thể trả lời điều đó tốt hơn EE. Có một phần vật lý trong trao đổi ngăn xếp.