Dòng điện không đổi trong một mạch?

8

sơ đồ

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Một pin bơm điện tử bằng cách tạo ra một điện trường và chuyển đổi năng lượng điện thành động năng. Gần cực dương, các electron có động năng nhiều hơn nên dòng điện không cao hơn?

Một sự tương tự có thể làm rõ câu hỏi của tôi: Nếu bạn thả một quả bóng từ một tòa nhà, quả bóng sẽ tăng tốc khi chạm đất vì nhiều năng lượng tiềm năng đã được chuyển đổi thành động năng. Tương tự như vậy, không nên các electron di chuyển nhanh hơn khi chúng đến gần cực dương, vì chúng có nhiều động năng hơn? Và do đó, không nên hiện tại cao hơn?

electromagnetism physics

— dfg
nguồn

1

sự tương tự của bạn là hoàn toàn tắt. Thực tế giống như cái nôi của Newton. Trong sự tương tự của bạn, chỉ có 1 phân tử (một quả bóng). Trong thực tế, ngay khi bạn thả một electron, nó sẽ đơn giản va vào một electron khác.

— hassan789

5

Trong các mạch điện vận tốc là khá nhiều dòng điện (Coulombs / giây). Động năng tỉ lệ thuận với bình phương vận tốc (1/2 * m * v ^ 2), có nghĩa là nếu bạn có dòng điện không đổi, trung bình bạn có một động năng không đổi.

Do đó, vì toàn bộ dây được chứa đầy các điện tử (hầu như không có khe hở); tất cả các electron phải có cùng vận tốc (cùng dòng điện), và do đó động năng bằng nhau ở mọi nơi.

Tương tự, nơi các phân tử nước = electron. Bạn có thể thấy rằng các phân tử khi bắt đầu bơm không có vận tốc (dòng điện) lớn hơn. nhập mô tả hình ảnh ở đây

Một tương tự yếu hơn là một chuyến tàu. Hãy tưởng tượng động cơ (pin) là cơ chế tác dụng lực (điện áp / emf) vào phần còn lại của xe (điện tử). Tất cả các xe trong tàu sẽ có cùng vận tốc.

— phứcan789
nguồn

1

Động năng không tỉ lệ thuận với vận tốc. Động lượng tỷ lệ thuận với vận tốc (giả sử Newton - cơ học không tương đối - đang chơi)

— Spehro Pefhany

Nó tỷ lệ thuận với , không phải . Trong ví dụ tôi đã trích dẫn, điều đó làm cho oh, khoảng 8 bậc độ lớn khác nhau và điều quan trọng là phải hiểu tại sao động năng của các electron có tác dụng không đáng kể.

v^{2}

$v^2$

v

$v$

— Spehro Pefhany

xin lỗi, bạn đúng, V ^ 2. Tuy nhiên, giả sử V là hằng số, KE cũng vậy.

— hassan789

3

Có một số câu trả lời tốt, về mặt lý thuyết ở đây. Hãy để tôi cố gắng giải thích từ một quan điểm khác nhau:

Tôi có xu hướng không nghĩ về các electron chạy qua dây dẫn, vì điều này ngụ ý rằng khối lượng và động lượng của chúng là nguyên nhân gây ra sự chuyển giao năng lượng. Bạn thường nghe rằng bạn nên tưởng tượng một ống bóng bàn. Nhưng điều này cũng có thể gây hiểu nhầm! Thay vào đó, hãy tưởng tượng một đường ống có đường kính 8 ft chứa đầy cát. Bạn buộc một ít cát ở một đầu, và một số sẽ đi ra đầu kia, nhưng vận tốc, khối lượng và động lượng không phát vào đó nhiều.

Sự truyền năng lượng xảy ra do một mặt sóng của các electron bị kích thích đẩy (thông qua điện trường) tất cả các electron khác xung quanh chúng. Không phải vì khối lượng electron truyền động lượng Newton. Sự trôi điện tử thực tế trong một dây dẫn đồng dày 1 mm theo thứ tự một milimet mỗi giây!

Trên thực tế, đó là một trong những nơi lớn mà sự tương tự nước bị phá vỡ. Không có động lượng điện dựa trên khối lượng! (Đó là một tuyên bố mạnh mẽ, và không hoàn toàn chính xác, nhưng nó sẽ phục vụ bạn tốt)

Nếu bạn muốn "thêm" động lượng vào mạch của mình, bạn sẽ sử dụng một cuộn cảm. Điều này làm cho sự tương tự nước trở lại hữu ích :)

Có một ví dụ tuyệt vời về sự tương tự này. Hãy xem Youtube này của Ram Pump: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . Đó là một công nghệ cũ, gọn gàng mà nhiều người chưa từng thấy. Nó chỉ ra rằng đó là chính xác giống như một bộ chuyển đổi tăng! Nếu bạn chưa thấy bộ chuyển đổi boost, bạn sẽ sớm làm được. Chúng được sử dụng ở mọi nơi trong các mạch điện.

Bơm Ram hoạt động dựa trên đà. Để làm cho nó hoạt động trong điện tử, bạn sử dụng một cuộn cảm để truyền một động lượng tương tự! Thật tuyệt vời! Sử dụng một diode cho van một chiều, và một tụ điện cho buồng áp suất.

Bạn đang bắt đầu một cuộc phiêu lưu thú vị, toàn bộ điều kỹ thuật / vật lý này :)

Chúc may mắn.

— bitmack
nguồn

2

Tại sao hằng số hiện tại ở khắp mọi nơi?

Vâng, thực sự không phải vậy. Đây là điều còn thiếu trong sự tương tự của bạn: nếu sự khác biệt về thế năng hấp dẫn từ đỉnh đến đáy tòa nhà tương tự như sự khác biệt về điện thế (điện áp) của pin và quả bóng đại diện cho một điện tích (giả sử là một electron) , những gì bạn đang thiếu là tất cả các điện tích khác trong dây.

Tất cả các dây dẫn có đầy điện tích di động, giống như một đường ống đầy nước. Nếu bạn đặt một số điện tích ở một đầu, bạn sẽ tạo ra "áp lực" cao hơn ở đầu đó. Sau đó, một làn sóng lực truyền qua chất lỏng với kết quả cuối cùng là cân bằng áp suất ở mọi nơi. Trong nước, những sóng này di chuyển với tốc độ âm thanh. Trong một sợi dây, chúng di chuyển với tốc độ ánh sáng. ¹

Bởi vì những sóng này cuối cùng sẽ lan truyền trong toàn bộ mạch, nếu điện áp pin của bạn không thay đổi, cuối cùng nó sẽ đạt đến trạng thái cân bằng và dòng điện sẽ giống nhau ở mọi nơi. Khi kích thước của mạch nhỏ, ánh sáng nhanh đến mức giả định đơn giản hóa hợp lý rằng các sóng này lan truyền "ngay lập tức", và do đó dòng điện giống nhau ở mọi nơi trong vòng lặp.

Khi đây không phải là trường hợp và thời gian để các thay đổi lan truyền trở nên quan trọng, mạch có thể sẽ được mô hình hóa với một đường truyền và bạn có thể đang bước vào ngành kỹ thuật RF .

Có lẽ bạn cũng không nên nghĩ về việc các electron chuyển từ cực âm sang cực dương. Bạn sẽ tự nhầm lẫn vì mọi thứ sẽ ngược (vì các electron là điện tích âm ), và bạn cũng sẽ quên mất khoảng một nửa điện tích trong vũ trụ: proton và điện tích dương khác . Hiếm khi chuyển động của từng electron liên quan và trong nhiều mạch (và chắc chắn là bất kỳ mạch nào có pin), các electron không phải là hạt mang điện duy nhất. Thông thường chúng ta quan tâm đến các lực được truyền bởi các hạt mang điện, chứ không phải các hạt mang điện. Xem:

Trong trường hợp cụ thể của bạn, khi pin được kết nối lần đầu tiên, các electron bị thu hút vào cực dương và bị đẩy khỏi cực âm. Dòng điện bắt đầu chảy ở cả hai cực của pin, và sau đó sóng lực truyền qua dây cho đến khi dòng điện chạy khắp nơi và mạch đạt đến trạng thái cân bằng.

Bạn cũng có thể sẽ tìm thấy sự khai sáng này: Làm thế nào để dòng điện biết được dòng chảy bao nhiêu, trước khi nhìn thấy điện trở?

^{1: Tốc độ của ánh sáng trong các vật liệu cụ thể khác nhau, giống như tốc độ của âm thanh. Xem yếu tố vận tốc và bức xạ Cherenkov rất mát mẻ , một cái gì đó giống như ánh sáng tương tự của sự bùng nổ âm thanh.}

— Phil Frost
nguồn

1

Năng lượng động học từ sự trôi điện tử là tối thiểu. Chúng ta có thể thấy tác dụng của nó trong các mạch siêu dẫn và ở tần số tiếp cận ánh sáng ban ngày, nơi nó xuất hiện như một loại điện cảm , nhưng nó không đáng kể trong các mạch thông thường.

Electron trong một dây trôi rất chậm, mét mỗi giờ. Điều đó đại diện cho một dòng đáng kể bởi vì có rất nhiều trong số họ.

Hãy nhớ lại rằng dòng điện là dòng điện tích (được lượng tử hóa rất nhiều điện tích trên mỗi electron) trên mỗi đơn vị thời gian, không liên quan gì đến động năng, chỉ có bao nhiêu electron vượt qua một 'dải phân cách' nhất định mỗi giây.

— Spehro Pefhany
nguồn

1

Một cách tốt để hình dung sự trôi điện tử là đóng gói hoàn toàn một ống có đường kính lớn với các quả bóng bàn từ trên xuống dưới .. đóng gói chặt cho đến khi các quả bóng được tuôn ra các cạnh. Nếu bạn đẩy thêm một quả bóng ở một đầu, một quả bóng sẽ xuất hiện ở đầu kia. Đó là sự trôi dạt điện tử! Cái ống đầy những quả bóng bàn giống như dây đầy electron. Đặt một quả bóng ở một đầu làm cho một đầu ra khỏi đầu kia. Mặc dù quả bóng chỉ di chuyển 40mm (đường kính của quả bóng bàn), công việc đã được thực hiện ở đầu kia của ống (dây)

— Brian Onn

một số (không phải tất cả) của lý luận là sai. Ví dụ, hiện tại trong thực tế có liên quan trực tiếp đến năng lượng.

— hassan789

0

Các electron di chuyển trong một dây không giống như những quả bóng bị rơi.

Khi bạn thả một quả bóng từ một tòa nhà, nó sẽ không dừng lại nhiều cho đến khi nó chạm đất. Chỉ có không khí trên đường, đại diện cho một ảnh hưởng rất nhỏ đến quả bóng trong các điều kiện mà người ta có thể tưởng tượng trong thí nghiệm suy nghĩ này.

Mạch điện không như thế. Khối lượng của các electron so với khối lượng của mọi thứ khác (proton, neutron) trong dây rất nhỏ. Nhưng quan trọng hơn, dây có đầy electron. Bạn không thể "thả" một điện tử: nó sẽ đánh trúng các điện tử khác. Đừng nghĩ về một quả bóng: nghĩ về một biển bóng. Các quả bóng riêng lẻ không thực sự phù hợp: thông thường điều chúng ta quan tâm là làm thế nào chúng ta có thể khai thác "chất lỏng" vô hình này để thực hiện công việc.

Bằng cách này, mạch bạn đã vẽ, không thể tồn tại. Trong một sơ đồ, các đường biểu diễn các "dây" lý tưởng có tính dẫn điện vô hạn, có nghĩa là điện áp giống nhau ở mọi nơi trong chúng. Có rất nhiều cách để giải thích điều này, nhưng đây là một cách: lấy luật Ohm:

V = = Tôi R

$V = IR$

Dây lý tưởng "dẫn điện vô hạn" của chúng tôi có nghĩa là "điện trở bằng không". Vì thế:

V = = Tôi \cdot 0 Ω

$V = I \cdot 0 \Omega$

$V$

$V_+$ $V_-$

V_{+} - V_{-} = = 9 V

$V_+ - V_- = 9\mathrm V$

Dây theo sơ đồ kết nối các cực của pin cũng có chung các cực của pin và như trên, điện áp trên dây này phải là 0V, theo định nghĩa. Vì vậy, chúng tôi có hệ thống phương trình này:

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = = Tôi \cdot 0 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 0\Omega \end{cases}$

Có giải pháp nào cho hệ phương trình này không? Không có. Mạch này không thể tồn tại.

$1\Omega$

{\begin{cases} V_{+} - V_{-} = = 9 V \\ V_{+} - V_{-} = = Tôi \cdot 1 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 1\Omega \end{cases}$

Bây giờ rõ ràng là hiện tại sẽ là 9A.

Điều này sẽ làm cho thí nghiệm suy nghĩ của bạn rõ ràng hơn: trong bất kỳ mạch thực nào , phải có một số điện trở ¹ giữa các cực pin. Nếu bạn muốn tạo ra sự tương đồng với các hiện tượng vật lý quen thuộc hơn, điện trở giống như một ma sát tác động lên điện tích. Đây là nơi năng lượng từ việc chuyển điện tích từ điện thế cao (cực dương) sang điện thế thấp hơn (cực âm) đi: nó được chuyển thành nhiệt trong điện trở.

^{1: chất siêu dẫn không có điện trở, nhưng chúng có độ tự cảm. Với điều kiện pin có thể tiếp tục cung cấp năng lượng, không có giới hạn về mức độ có thể trở thành dòng điện, nhưng dòng điện phát triển với tốc độ hữu hạn, vì vậy một dòng điện vô hạn sẽ cần một nguồn năng lượng vô hạn.}

— Phil Frost
nguồn

Cảm ơn, nhưng bạn đã không trả lời câu hỏi của tôi! Câu trả lời của bạn cho thấy rõ rằng mạch không thể tồn tại và các electron giống như chất lỏng, nhưng bạn không thực sự giải quyết câu hỏi của tôi. Tại sao "chất lỏng" tăng tốc?

— dfg

@dfg Tôi sẽ thử một cách tiếp cận khác trong câu trả lời khác. Chờ ...

— Phil Frost