Các điện tử có thực sự chảy khi một điện áp được áp dụng?

Trong sách đã nói rằng một mạch là một con đường khép kín và do đó các electron quay trở lại nguồn. Nếu đó là trường hợp, điều gì sẽ xảy ra khi có lỗi trái đất trong mạch điện? Làm thế nào các electron trở về nguồn của họ?

Các electron thực sự di chuyển ra khỏi các nguyên tử của chúng hay chúng chỉ rung và truyền năng lượng theo cách đó khi chúng ta áp một điện áp?

Suy nghĩ về dòng điện trong điều kiện các electron di chuyển xung quanh là khởi đầu cho một mô hình tinh thần kém về cách thức hoạt động của điện. Đây chỉ là một vài điều sai với nó:

• Electron là một trong nhiều chất mang điện tích. Bất kỳ ion nào cũng là chất mang điện tích.

• Các proton cân bằng các electron cũng quan trọng như vậy. Nếu bạn chỉ có các electron, thì tất cả các electron trong vũ trụ sẽ bị đẩy lùi khỏi nhau và bắn ra ngoài vũ trụ.

• Các điện tử có điện tích âm và bạn sẽ tự nhầm lẫn mình vì không có lý do chính đáng nào cả khi nghĩ về cách chúng chuyển từ âm sang dương. Nó thực sự không quan trọng.

• Các điện tử thực sự đang xoay quanh theo mọi hướng ngẫu nhiên mọi lúc, và chuyển động của chúng do dòng điện là rất nhỏ, so sánh.

Điều quan trọng là đây: các hạt mang điện (electron là một trong số đó) có thể được sử dụng để truyền một lực điện động (thường được gọi là điện áp). Đây là một khái niệm khá bình thường, thực sự. Bạn có thể đẩy một đầu của thanh và truyền một lực cơ học sang đầu kia của thanh. Là thanh di chuyển, khi nào bạn làm điều này? Vâng, có thể, nhưng có hai điều xảy ra ở đây:

1. lực được truyền qua thanh, khi sóng truyền với tốc độ âm thanh trong vật liệu đó
2. nếu và chỉ khi chúng ta cũng truyền năng lượng, thanh di chuyển, trong hầu hết các trường hợp ở tốc độ chậm hơn nhiều

Sự khác biệt là rõ ràng đối với một cây gậy, nhưng vì chúng ta không thể thấy điện tích, nên sự khác biệt là không rõ ràng.

Vì vậy, câu hỏi của bạn là: Các electron có thực sự chảy khi một điện áp được áp dụng không? Nói đúng ra, câu trả lời là có thể , và nó phụ thuộc vào ý nghĩa của bạn theo dòng chảy . Nó tương tự như câu hỏi, một sợi dây có di chuyển khi bạn kéo nó không? Chà, nếu nó được gắn vào một quả bóng bay, nó có thể di chuyển rất nhiều. Nếu nó được gắn vào một bức tường gạch, nó có thể không di chuyển chút nào.

Chuyển động của các hạt mang điện (như electron) là dòng điện . Nếu chúng ta có một dòng điện, thì có một chuyển động ròng của các hạt mang điện. Thực sự chúng đang tràn ngập khắp nơi, nhiều như các phân tử nước riêng lẻ đang tràn ngập trong một đường ống, ngay cả khi không có dòng chảy ròng. Hiện tại mô tả các phong trào trung bình. Trong trường hợp dòng điện một chiều, chuyển động trung bình nằm trong một vòng tròn.

Làm thế nào các chất mang điện tích riêng lẻ tương tác để thực hiện điều này rất phức tạp và đó thực sự là một câu hỏi vật lý, không phải là một câu hỏi điện tử. Tuy nhiên, tôi khuyên bạn nên xem hướng dẫn MIT này trên các lĩnh vực .

Các electron thực hiện chuyển động vật lý khi một điện áp được áp dụng - cực kỳ chậm .

Một mạch được cấp năng lượng ở 100VDC, cung cấp năng lượng cho tải 1A (như bóng đèn) qua dây đồng có đường kính 2 mm sẽ thấy các electron chuyển động với tốc độ:

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

Ở đâu

• $8.5 \times 10^{22}$
• R là bán kính của dây
• $1.6 \times 10^{-19}$

Điều này làm việc ra đến 8.4 cm / giờ . Không chính xác nhanh.

Điều quan trọng là thực tế là năng lượng chạy qua mạch gần như tức thời - không phải là chính các electron. (Các điện tử tạo ra một 'đường cao tốc' thuận tiện để cho phép năng lượng chảy nhanh.)

Thật không may là sự trôi chậm của các điện tử dưới một điện áp đã kết thúc cùng tên với dòng năng lượng thực sự hoạt động trong một mạch điện.

Đừng nhầm lẫn sự trừu tượng thuận tiện với thực tế vật lý

• "Mạch" là một khái niệm trừu tượng được thiết kế để giúp chúng ta có lý do tốt hơn về thế giới.
• electron là một thực thể vật lý.

Một lưu ý về đường dẫn "đóng"

Các mạch đường dẫn kín không ngụ ý các electron quay trở lại nguồn. Hơn nữa, các electron rời khỏi nguồn cực kỳ hiếm khi cùng các electron quay trở lại cực khác của nguồn (xem câu trả lời của @ madmanguruman để biết giải thích vận tốc).

Tương tự cơ học

Nó giống như trò chơi domino rơi. Sóng năng lượng lan truyền qua các domino đang rơi, nhưng các domino không dịch được nhiều.

Hãy nhớ năng lượng là điện tích của electron nhân với lực tác dụng lên nó (điện áp). Đó là (áp đảo) các lực đang di chuyển qua mạng kim loại, chứ không phải các điện tích (electron).

Giống như trong bức tranh này:

Các lực chuyển qua các quả bóng, nhưng các quả bóng vẫn giữ nguyên vị trí. Không giống như các quả bóng cơ học, được cân bằng bởi trọng lực, với các electron trong dây kim loại từ các tế bào điện (pin), có sự trôi dạt tổng thể của các điện tử (giống như ô tô bị kẹt trong giao thông) sang đầu kia.

đọc thêm

Bạn có thể xem xét câu trả lời này tôi đã đưa ra cho một câu hỏi vật lý liên quan tương tự.

Chúng ta đang nói về kim loại ở đây. Thông thường, một vật thể của kim loại không bao gồm các phân tử. Nó bao gồm các nguyên tử kim loại, tất cả được nhóm lại với nhau. Điều này được thể hiện trong hình dưới đây:

Các vòng tròn màu đỏ là điện tử. Như bạn có thể thấy, bạn thực sự không thể nói nguyên tử nào là 'electron'. Những electron này tạo thành các kết nối giữa các nguyên tử - vì vậy chúng thuộc về hai nguyên tử.

Bây giờ, khi một dòng điện bắt đầu chảy, những electron này thực sự di chuyển. Khi một dòng chảy, năng lượng được truyền. Vì các nguyên tử không thể di chuyển dễ dàng, các electron phải di chuyển.

Bạn cũng có thể thấy điều này trong đơn vị Ampe hiện tại: 1 ampe bằng 1 Coulomb mỗi giây. Coulomb (C) là đơn vị điện tích (Q). 1 Ampe có nghĩa là 1 Coulomb của điện tích vượt qua một điểm nhất định trong 1 giây. Điện tích này được tạo ra bởi các electron thực sự chảy từ vật thể một sang vật thể hai.

Khi chúng ta nói về dòng điện một chiều (ví dụ ứng dụng chạy bằng pin bình thường), các điện tử này sẽ không trở về nguồn của chúng. Hãy xem xét mạch này:

Lúc đầu, có sự khác biệt về điện tích giữa cực âm và cực dương: cực âm có sự dư thừa của các điện tử. Điều này tạo ra một lực (điện áp) và vì có một liên kết giữa hai cực (dây và bóng đèn), các electron bắt đầu chảy. Các electron di chuyển từ cực âm qua bóng đèn sang cực dương, cho đến khi không còn sự khác biệt về điện tích nữa (hoặc ít đến mức nó sẽ không gây ra dòng điện).

Bây giờ bạn có thể thấy rằng các điện tử này đã không trở về nguồn của chúng: chúng bắt đầu ở cực âm và kết thúc ở cực dương.

Chúng tôi gọi đây là một đường dẫn khép kín vì có một vòng tròn: dòng điện bắt đầu từ pin và kết thúc tại pin. Có sự nhầm lẫn vì pin thực sự tồn tại của hai đối tượng: cực dương và cực âm.

Nhìn vào mạch này (về cơ bản là giống nhau, nhưng với một tụ điện thay vì pin và điện trở thay vì bóng đèn):

Dòng điện chạy từ phía bên phải của tụ điện (tích điện âm, điện tử dư) qua điện trở sang phía bên trái của tụ điện (tích điện dương, thiếu điện tử). Ở đây, các bản tụ được tách ra, vì vậy bạn có thể dễ dàng thấy rằng nó thực sự không phải là một đường dẫn kín.

Chúng tôi chỉ gọi nó là một con đường khép kín, bởi vì hiện tại bắt đầu và kết thúc tại tụ điện.

Vì các electron không thực sự phải quay trở lại cơ sở của chúng, bây giờ bạn có thể hiểu rằng các electron cũng có thể chảy vào trái đất. Đây cũng là những gì xảy ra với sét. Các electron chảy từ các đám mây xuống trái đất (hoặc ngược lại, tôi sẽ không biết), chỉ để vô hiệu hóa sự khác biệt về điện tích.