Как электричество распространяется в проводнике?

Я постараюсь сначала устранить недоразумения, а затем ответить на вопрос.

Модель силы обмена частицами не является причинной

В вашем мышлении есть изъян: вы формулируете электромагнитное взаимодействие в терминах испускания и поглощения фотонов и в то же время рассказываете историю о будущем. Эти две идеи хороши по отдельности, но не вместе.

Картина испускания/поглощения частиц не является каузальной картиной --- она ​​требует, чтобы частицы двигались вперед и назад во времени --- так что вы не можете использовать каузальный язык, как электрон испускает фотон, который толкает электрон и т.д. часть истории, но другая часть истории такова: электрон испускает фотоны, которые ужепнул электрон раньше, который испустил другой фотон раньше, чем первый, и т.д. и т.п. техническая причина: возможно, кто-то мог бы составить неунитарную гамильтонову формулировку с нефизическими поляризациями фотонов, которые содержат кулоновскую силу, но тогда эти нефизические фотоны были бы только промежуточными состояниями, поскольку физические фотоны в любом случае не ответственны за кулоновское взаимодействие).

Акаузальность в описании Фейнмана не является проблемой непротиворечивости, потому что существуют каузальные формулировки КЭД, одна из которых принадлежит Дираку. Здесь электростатическое отталкивание происходит не из-за обмена фотонами, а из-за мгновенного действия на расстоянии, в то время как фотоны движутся только с физической поперечной поляризацией. В представлении Фейнмана о толчке частиц электростатическое взаимодействие происходит из-за нефизически поляризованных фотонов, движущихся намного быстрее скорости света, и эти фотоны просто отсутствуют в эквивалентной формулировке Дирака.

В любом случае, лучший способ понять движение электронов — это использовать классические электрические и магнитные поля, создаваемые электронами.

Это не электроны толкают

Электроны в проводе не отталкиваются другими электронами. Их толкает внешнее напряжение, приложенное к проводу. Напряжение — это реальная вещь, это материальное поле, оно имеет источник где-то на электростанции, а электростанция передает энергию через электрические и магнитные поля, а не через толчки электронов.

Отталкивание электронов в металле сильно экранировано, а это означает, что электрон, движущийся с определенной скоростью, не будет отталкивать электрон на расстоянии 100 атомных радиусов. Во многих случаях он даже будет притягивать этот электрон из-за слабого фононного обмена (это слабое притяжение дает сверхпроводимость, и практически все обычные металлы становятся сверхпроводящими при некоторой достаточно низкой температуре).

Вы можете полностью пренебречь межэлектронным отталкиванием для проблемы проводимости и просто спросить о внешних полях, переставляющих заряды в проводе.

Поверхность Ферми, а не поверхность проволоки

Единственные электроны, которые переносят ток, находятся вблизи поверхности Ферми. Поверхность Ферми находится в импульсном пространстве, а не в физическом пространстве. Электроны, которые переносят ток, распределяются повсюду по проводу. Но все они имеют почти одинаковую величину импульса (если поверхность Ферми сферическая, что я буду предполагать в дальнейшем без комментариев).

Поведение ферми-газа не похоже ни на частицу, ни на волну. Это не волна, потому что число заполнения равно 0 или 1, так что нет когерентной суперпозиции большого количества частиц в одном и том же состоянии, но это также и не похоже на частицу, потому что частица не может иметь состояния импульса ниже, чем импульс Ферми, за счет исключения Паули. Частица движется через жидкость, состоящую из одинаковых частиц, которые захлестывают все состояния с импульсом, меньшим импульса Ферми.

Эта странная новинка (новая, по крайней мере, в 1930-х годах) — квазичастица Ферми. Это возбуждение холодного квантового газа, и чтобы изобразить его в каких-то разумных терминах, вы должны представить себе единственную частицу, которая всегда должна двигаться быстрее определенной скорости, она не может замедлиться ниже этой скорости, потому что все эти состояния уже заняты, но его направление может меняться. Он имеет энергию, которая пропорциональна разнице в скорости от нижней границы. Это нижняя граница скорости Ферми, которая в металлах является скоростью электрона с длиной волны в несколько ангстрем, что примерно соответствует орбитальной скорости в модели Бора, или несколько тысяч метров в секунду.

Ферми-жидкостная модель плотных металлов является правильной моделью и заменяет все предыдущие модели. Скорость электронов, несущих ток, составляет несколько тысяч метров в секунду, но на больших расстояниях присутствуют примеси и фононы, которые рассеивают электроны, и это может свести распространение к диффузионному процессу. Электронная диффузия не имеет скорости, потому что расстояние в диффузии не пропорционально времени. Так что единственный разумный ответ на вопрос "какова скорость электрона в металле?" есть скорость Ферми, хотя следует подчеркнуть, что инжектированный электрон не пролетит макроскопическое расстояние с такой скоростью в металле с примесями.

1. Предположительно на этом уровне электроны действуют больше как волны, а не как частицы, но есть ли в картине какая-то классическая составляющая, т.е. приходят ли электроны, сообщая другим электронам кинетическую энергию посредством отталкивания, или это не так?

Чтобы использовать упорядоченный во времени причинный язык (то делает то, то это делает то), вам нужны электрические и магнитные поля, а не фотоны. Электроны — это не то, что входит в провод, чтобы заставить его проводить, то, что входит, — это электрическое поле.

Когда вы включаете свет, вы прикасаетесь металлом, находящимся под высоким напряжением, к нейтральному металлу, мгновенно повышая напряжение и создавая электрическое поле вдоль металла. Это поле ускоряет электроны вблизи поверхности Ферми (не на поверхности проволоки, вблизи импульса Ферми), чтобы они двигались быстрее в направлении (минус) электрического поля E. Оно может ускорять только те электроны, которые могут быть ускорены до новых состояний, поэтому он только ускоряет электроны, которые уже бегают со скоростью Ферми. Эти электроны продолжают двигаться, пока не накопит достаточно заряда на поверхности металла, чтобы нейтрализовать электрическое поле и изменить направление электрического поля, чтобы следовать за проводом, где бы он ни изгибался. Это причинное распространение есть Поле-Электроны-Поле,

Когда вы прикладываете постоянное напряжение, электроны приходят в устойчивое состояние, когда они переносят ток от отрицательного напряжения к положительному напряжению, заставляя падения напряжения выстраиваться в пространстве вдоль направления провода, независимо от его формы. и отражаясь от примесей и фононов, чтобы рассеять энергию, которую они получают от поля, в фононы (тепло). Локальное электрическое поле управляет их движением, а не их взаимным отталкиванием. В этом смысле это не вода в трубе. Это больше похоже на набор независимых шарикоподшипников, толкаемых магнитом, за исключением того, что шарикоподшипники шунтируют магнитное поле, чтобы двигаться в направлении своего движения.

2. Если электроны на мгновение обладают энергией, а затем передают ее фотону, что определяет, когда этот фотон будет испущен и какой будет его частота? Я предполагаю, что электроны в этом облаке не ограничены никаким принципом исключения, и что возможны любые частоты?

Электроны в облаке не только ограничены исключением, в них преобладает исключение, это ферми-газ. Это не электроны толкают другие электроны, это поле толкает электроны. Картина фотонного обмена частицами не имеет к этому отношения, но если вы настаиваете на ее использовании, то фотоны выходят из розетки, следуя по высоковольтным проводам от электростанции туда-сюда зигзагом. -заг во времени, и ничтожная часть фотонов испускается электронами проводимости, поскольку все эти фотоны поглощаются металлом в фононы в пределах длины экранирования.

Фотоны, исходящие от стены, отражаются поверхностными зарядами на проводе (статическими электронами и протонами), так что они отскакивают, чтобы следовать по пути провода в устойчивом состоянии.

3. Почему фотон, испускаемый электроном, должен находиться в направлении движения? Закон сохранения импульса говорит мне, что если электрон движется, фотон должен испускаться в этом направлении, замедляя электрон, но может ли электрон излучать фотон в противоположном направлении? Если бы это было так, я предполагаю, что он каким-то образом должен был бы поглощать энергию откуда-то еще? Это кажется возможным по аналогии с квантовым туннелированием.

Фотоны испускаются во всех направлениях и назад во времени. Просто бесполезно думать о картине Фейнмана, когда вы хотите мыслить причинно.

4. Каков механизм, посредством которого распространяющиеся электроны повышают температуру материала? Передают ли они энергию электронам в валентной оболочке, которые тянут ядро, некоторые фотоны попадают прямо в ядро, или есть какой-то другой путь?

До сих пор я рассматривал электроны как газ свободных частиц. Но вы можете расстроиться --- вокруг полно ядер! Как можно относиться к ним как к газу? Разве они не отскакивают от ядер?

Причина, по которой вы можете это сделать, заключается в том, что квантово-механическая частица, ограниченная решеткой, у которой есть амплитуды прыжков в соседние точки, ведет себя точно так же , как свободная частица, подчиняющаяся уравнению Шредингера (по крайней мере, на больших расстояниях). Он вообще не диссипирует, а просто движется, подчиняясь дискретной версии уравнения Шредингера с другой массой, определяемой амплитудами прыжков.

В физике твердого тела этот тип изображения называется «моделью жесткой связи», но на самом деле он более универсален, чем этот. При любом потенциале электроны образуют полосы, и полосы заполняются до поверхности Ферми. Но картина ничем не отличается от свободного газа частиц, за исключением потери вращательной симметрии.

Если бы решетка была идеальной, то эта картина была бы точной, и в металле вообще не было бы потерь на диссипацию. Но при конечной температуре есть фононы, дефекты и тепловая оболочка электронов, уже возбужденных при немного большей энергии, чем поверхность Ферми. Фононы, дефекты и тепловые электроны могут неупруго рассеивать проводящие электроны, и это механизм потери энергии. Электроны также могут спонтанно излучать фононы, если их энергия находится достаточно далеко от поверхности Ферми, так что они больше не стабильны. Все эти эффекты имеют тенденцию к исчезновению при нулевой температуре (за исключением дефектов, которые могут быть вморожены, но тогда дефекты становятся упругими). Но при достаточно низких температурах вы не можете плавно перейти к нулевой проводимости. Вместо этого вы, как правило, имеете фазовый переход в сверхпроводящее состояние.

5. Предположительно, электричество движется медленнее, чем свет, потому что в каждом обмене есть некоторое время, и некоторое время, когда электроны движутся с субсветовой скоростью, прежде чем испустить фотон. Насколько это медленнее света и какова скорость каждого взаимодействия?

Это снова путает описание Фейнмана с каузальным описанием. Но я проводил этот эксперимент будучи студентом, и по хорошему коаксиальному кабелю скорость была 2/3 скорости света. Я предполагаю, что если вы используете обычную проволоку в катушке на полу, она будет значительно медленнее, возможно, всего на 1% от скорости света, потому что требуется больше манипуляций с поверхностными зарядами, чтобы проволока создала поле для следуйте за его кривыми.

И я читал, что суммарный дрейф электронов медленный. Но электричество проходит по проводу, по сути, в точке с, и я хочу понять этот механизм.

Я просто собираюсь ответить на эту часть ручным способом. Все электроны в проводе отталкиваются друг от друга, верно? Они хотят быть как можно дальше друг от друга. Если они устойчивы и неподвижны, а затем вы нажмете на один из них, он воздействует на своих соседей с такой силой, что заставляет их отойти немного дальше. Их движение оказывает силу на их соседей и т. д. Волна проходит через все электроны, хотя сами электроны не перемещаются очень далеко. Эта волна несет энергию, а не сами электроны. Когда вы щелкаете выключателем, электронам не нужно проходить весь путь от выключателя до лампы. Электронная жидкость движется очень медленно, а волна проходит черезэлектронной жидкости и попадает в лампочку при температуре, близкой к c . Волна заставляет электроны, которые уже были в лампочке, начать двигаться и нагревать ее.

Представьте себе длинную трубу, наполненную водой, с поршнями на каждом конце. Когда вы немного толкаете поршень внутрь, вода перед ним сжимается. Затем он давит на воду рядом с ним, которая давит на воду рядом с ним и т. д., пока волна не достигнет другого конца, после чего другой поршень немного выскакивает. Сами молекулы воды лишь немного движутся в одном направлении, а затем останавливаются. Волна давления распространяется по трубе со скоростью звука и совершает работу на другом конце.

• «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО» ВНУТРИ ПРОВОДОВ ДВИЖЕТСЯ СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА? Неправильный.
• Акустика и вибрационная анимация - Дэн Рассел

4. Каков механизм, по которому распространяющиеся электроны повышают температуру материала?

Я не претендую на понимание этого, но это вызвано "деструктивной интерференцией волн свободных электронов на некоррелирующие потенциалы ионов". Тепловое движение ионов в металле рассеивает электроны, вызывая сопротивление, которое вызывает тепловое движение ионов...

• Википедия:Причины резистентности (архивная версия)
• Википедия:Причины проводимости

Мой простой взгляд с точки зрения непрофессионала. Электричество подобно воде, текущей в реке. Река — это провода, а электроны — бревна в реке, между прочим, в меди полно бревен. Таким образом, фотоны подобны воде, движущейся очень быстро под действием высокого и низкого давления (вольт). Когда вода в реке проходит мимо бревен (электронов), она медленно перемещает их, следуя за течением воды. Вода движется почти со скоростью света, потому что это фотоны. Журналы немного замедляют их. Журналы двигаются очень медленно. Логарифмический импульс — это то, что мы называем индукцией. Постоянный ток будет вызывать больший логарифмический импульс (индукция), чем переменный ток, потому что вода движется в том же направлении. Большая катушка индуктивности будет действовать как сглаживающий эффект для Dc по мере того, как логарифмический импульс добавляет или вычитает вариации. Ас всегда воспринимает большой индуктор как ограничение из-за того, что бревна постоянно меняют направление и сопротивляются всем движениям, как и всякая масса. Почти у каждого проводника есть индукция. Бревна (электроны) имеют импульс, а вода (фотоны) — нет. Вот почему индукционные токи действуют точно так же, как бревна с импульсом. Когда вода внезапно останавливается, инерция бревен или индукция могут поддерживать рост давления в воде и создавать вторичное давление и поток, независимый от источника. Таким образом, во время события bemf бревна могут заставить остановленную воду продолжаться, поскольку не осталось выхода реки (потому что переключатель выключен). поэтому, как только создается достаточное давление от импульса бревен, они могут вырваться и выпустить воду (фотоны) в новую реку, точно так же, как перерыв в сборе. Длинные реки имеют больше бревен и индукции, чем короткие, поэтому мы делаем катушки для увеличения индукции, измеряемой в генри. Импульс бревен можно хранить в прядильных камерах на больших складах вдоль реки. Это трансформатор и железные сердечники внутри множества катушек, сделанных из многослойного железа. Важно хранить их в камерах ламинированного или порошкового типа, чтобы максимально сохранить импульс бревна. Таким образом, магнитные поля вращают бревна с импульсом. Именно поэтому вращающееся железное ядро ​​Земли является магнитом. Это большой трансформаторный стержень из прядильных бревен. Когда частоты начинают становиться очень высокими, вода может испариться и покинуть реку. Мы признаем это как радиочастотную энергию. Которые могут путешествовать без потерь и при полной скорости C в пространстве нет бревен, однако они разлетаются во все стороны, потому что вышли из реки. В некоторых реках бревна могут быть заморожены на месте и позволяют воде течь без потерь, это сверхпроводники, нет движения бревен из-за чрезвычайной блокировки бревен. Батареи похожи на водяные насосы, резисторы — это песчаные отмели, а усилители измеряют воду и движение бревна. у нас нет счетчика, который может разделить 2 вида потока, это большая путаница, которую мы все имеем с холодным электричеством. Если вы можете получить поток только фотонов, он будет почти без потерь, будет работать прохладно и намного эффективнее, как башни передачи лучистой энергии Тесла. При очень высоком напряжении, высокой частоте и быстрых импульсах бревна не успевают набирать обороты, и эффективность проводов может увеличиваться. Искровой разрядник был бы рекой, уносящей налог, чтобы попасть в другую реку. Это причина, по которой искровой разрядник может снова обеспечить эффективную работу, он создает высокую частоту, поскольку плата ломается и удерживается с чрезвычайно высокой скоростью. Кажется, что многие устройства свободной энергии продолжают возвращаться к искровым разрядникам или высоким частотам. Магнит - это специальный склад, в котором бревна заблокированы для вращения, если их остановить, они снова начнут вращаться. Это причина, по которой мы никогда не сможем извлечь энергию из хранилища вращающихся бревен в магните, потому что магнит будет воровать и требовать энергию обратно, чтобы снова привести бревна к вращению из-за заблокированного расположения атомов. Если довести его до температуры Нейла, магнит потеряет свою заблокированную конструкцию логарифмического вращения. Конденсатор представляет собой резиновую мембрану, перекинутую через реку наподобие плотины. Переменное движение воды может быть передано довольно хорошо, поскольку резина растягивается, но прямые потоки будут заблокированы, как стена. Резиновая мембрана может накапливать энергию, поскольку она растягивается, поскольку поддерживается прямое давление на воду, если река отключена. Так же, как бак-дозатор в обычном доме с колодцем. Размер бака измеряется в mfd, а номинальное давление бака в вольтах. Волны в реке могут компенсировать или дополнять друг друга с большими сложностями. Могут быть обратные клапаны (диоды в реках для обеспечения одностороннего движения воды и бревен). Когда бревна ударяются друг о друга или о песчаные отмели, они выделяют тепло, это сопротивление. Лампочка была бы ограничением в реке, как маленькая труба в плотине, вода может испариться и покинуть реку, как только температура ограничения (нити накала) достигнет уровня энергии испарения. Суть в том, что существует 2 типа очень быстрых потоков (фотонов), не имеющих импульса, близкого к скорости света. Другой (электрон) очень медленный, но с импульсом и способностью храниться и передаваться через сердечники трансформатора в другие реки. Фотонный тип может испариться и покинуть реку, в то время как другой тип останется с проводником. за исключением некоторых ситуаций внутри кинескопов, где их можно снимать на экране. ЭЛТ. Холодное электричество = поток фотонов только внутри проводника. Лучистая энергия = испарение потока фотонов из проводов в свободное пространство. Каждый тип тока может индуцировать другой. Суть в том, что существует 2 типа очень быстрых потоков (фотонов), не имеющих импульса, близкого к скорости света. Другой (электрон) очень медленный, но с импульсом и способностью храниться и передаваться через сердечники трансформатора в другие реки. Фотонный тип может испариться и покинуть реку, в то время как другой тип останется с проводником. за исключением некоторых ситуаций внутри кинескопов, где их можно снимать на экране. ЭЛТ. Холодное электричество = поток фотонов только внутри проводника. Лучистая энергия = испарение потока фотонов из проводов в свободное пространство. Каждый тип тока может индуцировать другой. Суть в том, что существует 2 типа очень быстрых потоков (фотонов), не имеющих импульса, близкого к скорости света. Другой (электрон) очень медленный, но с импульсом и способностью храниться и передаваться через сердечники трансформатора в другие реки. Фотонный тип может испариться и покинуть реку, в то время как другой тип останется с проводником. за исключением некоторых ситуаций внутри кинескопов, где их можно снимать на экране. ЭЛТ. Холодное электричество = поток фотонов только внутри проводника. Лучистая энергия = испарение потока фотонов из проводов в свободное пространство. Каждый тип тока может индуцировать другой. Фотонный тип может испариться и покинуть реку, в то время как другой тип останется с проводником. за исключением некоторых ситуаций внутри кинескопов, где их можно снимать на экране. ЭЛТ. Холодное электричество = поток фотонов только внутри проводника. Лучистая энергия = испарение потока фотонов из проводов в свободное пространство. Каждый тип тока может индуцировать другой. Фотонный тип может испариться и покинуть реку, в то время как другой тип останется с проводником. за исключением некоторых ситуаций внутри кинескопов, где их можно снимать на экране. ЭЛТ. Холодное электричество = поток фотонов только внутри проводника. Лучистая энергия = испарение потока фотонов из проводов в свободное пространство. Каждый тип тока может индуцировать другой.