Как изменяется скорость электронов по цепи?

Если бы на пути ничего не было, то электрон, покидающий анод 4-вольтовой батареи, имел бы кинетическую энергию 4 электронвольт к тому времени, когда он достиг катода.

Однако длина свободного пробега электронов в металлических проводах чрезвычайно мала, поэтому электроны никогда не разгоняются до такой скорости. Конечным результатом является то, что скорости электронов случайны, но с небольшой средней скоростью от анода к катоду, называемой дрейфовой скоростью . Чтобы вы почувствовали разницу, скорость электрона, соответствующая 4 эВ, составляет около миллиона м/сек, но скорость дрейфа обычно составляет около 1 м/сек.

Для аналогии - предположим, что вы стоите при приятном ветре со скоростью один м/сек. Согласно распределению Максвелла-Больцмана скорость молекул воздуха при комнатной температуре составляет от 300 до 400 м/с, но их направления случайны и взаимно компенсируются. У вас остается чистое движение воздуха в 1 м/с, что аналогично дрейфовой скорости электронов в цепи.

Лучший способ научить новичков электронике использовать аналогию с гидравликой . Хотя на первый взгляд это может показаться неуклюжим, аналогия с гидравликой чрезвычайно полезна. Вы даже можете моделировать такие элементы цепи, как конденсаторы.

Во-первых, когда мы говорим о напряжении как энергии на единицу заряда, проявляется ли эта энергия просто как кинетическая энергия электрона?

Напряжение – это потенциальная энергия на единицу заряда. Аналогия: напряжение относится к заряду, как высота (как на поверхности Земли) к массе.

Итак, если вы поднимете камень весом 1 кг над землей на высоту 1 м, вы добавите к этому камню некоторый гравитационный потенциал. Проявляется ли она в виде кинетической энергии?

Ну, может быть, если вы уроните его в среде без трения. Но может случиться любое количество других вещей. Пространство в пределах 1 м, куда падает объект, может быть заполнено какой-то вязкой слизью. В этом случае большая часть гравитационной потенциальной энергии преобразуется в тепло путем трения. Или мы могли бы сконструировать устройство, которое включало бы генератор при падении массы и преобразовывало бы его гравитационную потенциальную энергию в какую-то электрическую энергию. Может быть, мы заряжаем батарею, и она превращается в химическую энергию.

И, конечно же, в нижней части падения он, вероятно, ударяется о землю, передавая импульс Земле и испуская энергию в виде звука, среди прочего. Она не остается кинетической энергией надолго, в большинстве реальных ситуаций.

Так и с электричеством. Вы, вероятно, не найдете ничего похожего на свободное от трения место для «сброса» электрического заряда. Если ток проходит через резистор, то он преобразуется в тепло. Если она проходит через двигатель, то преобразуется в механическую энергию.

Есть устройства, которые запускают электроны практически без потерь (электронные лампы, ЭЛТ), но большинство таких устройств имеют что-то на конце, в которое электроны врезаются, чтобы делать что-то еще (в случае ЭЛТ, производить видимый свет). В этих случаях кинетическая энергия электронов непосредственно перед ударом будет пропорциональна напряжению, через которое они прошли, но я не подозреваю, что это особенно полезно для обучения электронике в целом. Во всяком случае, это демонстрирует, что даже если ток в последовательной цепи постоянен, скорость электронов не обязательно такова.

Чтобы узнать, что происходит с потенциальной электрической энергией, вам нужно знать, что произошло с зарядом, когда он упал.

Не приравнивайте потенциал к кинетической энергии. Скорость движения электронов в проводнике очень мало зависит от их потенциала. Для этого нужно учитывать ток и плотность носителей заряда. В зависимости от материала у вас может быть несколько быстрых электронов или много более медленных. В полупроводниках скорость носителя будет выше, поэтому, например, эффект Холла проявляется сильнее.

Электроны (носители заряда) теряют энергию, когда они рассеиваются материалом, через который они проходят. Это переживается как сопротивление. То, сколько протекает ток, зависит от напряжения и сопротивления - так что да, когда вы удваиваете напряжение, а все остальное остается таким же, средняя скорость дрейфа носителей заряда удваивается (то же самое количество носителей движется вдвое быстрее). Но эта скорость на удивление мала для хорошего дирижера — рекомендую вам попробовать ее посчитать, чтобы убедиться в этом.

Во-первых, когда мы говорим о напряжении как энергии на единицу заряда, проявляется ли эта энергия просто как кинетическая энергия электрона?

Нет, совсем нет.

Напомним, что особенно в электрических цепях напряжение в точке не измеряется (вообще, потенциал в точке не имеет физического смысла - физический смысл имеет только разность потенциалов двух точек).

Мы говорим о напряжении на (или между) двумя терминалами или узлами в цепи.

Например, мы не говорим, что положительный полюс батареи имеет напряжение 1,5 В, мы говорим, что напряжение между положительным и отрицательным полюсами батареи составляет 1,5 В.

Теперь, как вы указываете, вольт - это джоуль на кулон. Как это интерпретировать?

В случае приведенной выше батареи (идеальная) батарея совершает работу в 1 джоуль, перемещая 1 кулон заряда от отрицательной клеммы (более низкий потенциал) к положительной (более высокий потенциал) клемме батареи.

Если батарея подключена к резистору, энергия, полученная за счет кулонов заряда, преобразуется в тепло в резисторе.

Скорость , с которой совершается работа, представляет собой мощность и определяется произведением напряжения на проводе и тока (скорости протекания электрического заряда).

Обратите внимание, что кинетическая энергия не упоминалась. Батарея (в идеале) выполняет одинаковую работу, «перекачивая» 1 кулон заряда от отрицательного к положительному, независимо от скорости, с которой это делается.

Кроме того, не означает ли это, что электроны почти останавливаются к тому времени, когда они достигают положительного полюса батареи?

Представьте себе, например, батарею на 1,5 вольта, соединенную по длине однородным проводником с общим сопротивлением 1 Ом. Ток через проводник составляет, по закону Ома, 1,5 ампера, и, поскольку проводник однороден, количество заряда, протекающего через любое поперечное сечение в любом месте проводника, составляет 1,5 кулона в секунду .

Электроны вблизи положительного полюса батареи действительно обладают меньшей энергией, чем электроны вблизи отрицательного полюса батареи, но это происходит из-за их положения в электрическом поле, т. е. из-за разницы их потенциальной энергии.

Этот вопрос был задан на марокканских олимпиадах:

Они сказали: Если у нас есть такая же цепь: В первом случае измеренный электрический ток равен$I_1=1A$и второй случай у нас есть$I_2=2A$. Скорость электронов изменится? дать математическое объяснение.

Я собираюсь использовать простую физику: (уровень средней школы)

Мы знаем это :$I=\frac{Q}{\delta t}$

И скорость определяется:$v=\frac{\delta d}{\delta t}$

Таким образом, мы можем записать скорость:$v=\frac{I.\delta d}{Q}$

Известно, что мы наблюдаем, что скорость может быть изменена, фактором здесь является электрический ток.

Я вижу, что это то же самое, что и ваш вопрос, я использовал то, что они дали при окончательном решении.