Как ведут себя электроны внутри медной проволоки, когда источник переменного или постоянного тока?

Атомы содержат несколько слоев или оболочек электронов. Атом водорода имеет один электрон на первом слое, атом гелия имеет два на первом слое, следующий атом (литий) имеет два на первом слое, затем один на втором слое и т. д. Каждый слой обычно может содержать только определенный количество электронов.

У лучших проводников есть один атом в самом внешнем слое, и они более чем счастливы отказаться от него. Рассмотрим атом меди . Он имеет следующее количество электронов в каждом слое: 2, 8, 18, 1. Он отдаст этот один электрон в слабо заряженном поле, а затем станет положительно заряженным и «вытянет» электрон из соседнего атома меди. Если вы посмотрите на серебро и золото, они расположены аналогичным образом: 2, 8, 18, 18, 1 для серебра и 2, 8, 18, 32, 18, 1 для золота.

Вы можете лишить любой атом электрона, но лучшим «проводникам» для этого требуется лишь слабое поле.

Итак, если я оторву электрон от конца медного провода, используя слабое электрическое поле, тогда этот атом может оттянуть электрон от своего соседа, и в конце концов один атом меди где-нибудь в проводе потеряет свой электрон, но не сможет получить его. чужие, потому что они слишком далеко или взаимодействуют с каким-то другим полем. Если я подтолкну электрон к концу провода, то у атома меди, который его получит, будет слишком много, он проявит отрицательный заряд и, по сути, оттолкнет свой лишний электрон на какой-нибудь другой атом меди, пока не найдет атом, который не сможет его получить. избавиться от него или от атома, которому уже не хватает одного.

Вы также можете выталкивать и вытягивать электроны из изоляторов — вы делаете это, когда создаете статические заряды, например, с помощью ткани и пластика.

Но проводники перераспределяют заряд внутри, поэтому, если вы зарядите один конец провода дополнительными электронами, вы можете считать, что другой конец провода заряжен таким же образом.

Батарея, часто использующая химическую реакцию, создает положительный заряд на одном конце и отрицательный заряд на другом. Если вы соедините проводник между двумя концами, вы заставите электроны пройти через проводник, когда они будут двигаться от отрицательно заряженной стороны (слишком много электронов) к положительно заряженной стороне (слишком мало электронов).

Электроны движутся в одном направлении только для постоянного тока, и они движутся в одном направлении, а затем в другом для переменного тока. Из-за изменяющегося магнитного поля (т. е. провод становится катушкой индуктивности) высокочастотные сигналы переменного тока обычно распространяются вблизи поверхности провода. Вы можете найти «скин-эффект», чтобы понять это лучше. Электроны перемещаются между атомами проводника.

Каждый раз, когда вы пропускаете 6,28x10^18 электронов по проводу, вы перемещаете ток в один ампер. Это 6,28 миллиарда миллиардов электронов. Однако в одном метре провода 20-го калибра содержится около 4,38x10 ^ 22 атомов меди, поэтому, если вы пропустите через него полный ампер, предполагая равномерное распределение, вы не получите ни одного из электронов, которые вы втолкнули — вы бы вытолкнуть электроны, которые уже были в проводе. Электроны движутся медленно, поодиночке, но заряд распределяется быстро — как только вы толкнете один электрон, вы обнаружите, что его легче оторвать от другого конца почти со скоростью света на другом конце. Это не тот же самый электрон, но эффект и заряд те же.

Хороший проводник очень быстро распределяет заряд и не преобразует большую часть движения в тепло. Если вы пропустите один и тот же ток через золотую проволоку того же размера и медную проволоку того же размера, золотая проволока нагреется больше, потому что этим атомам золота труднее отдавать и принимать электроны.

Т.е. по какому пути они следуют, когда достигают конца провода?

Они не делают. Если цепь разомкнута, тока нет.

На самом деле ток — это просто поток электронов: ток 1 А в одном направлении = 6,24 x 10 ¹⁸ электронов, протекающих в другом направлении. (Спасибо за это Бенджамину Франклину: именно он принял соглашение о знаках тока, основанное на движении того, что он считал положительным зарядом.)

Ток в проводнике в некотором смысле вызван электрическими полями. В проводнике плотность тока J = σE, где J выражено в амперах/м ² , σ — проводимость материала, а E — напряженность электрического поля.

Если у вас есть провод, подключенный в цепи с компонентами (например, резисторами и т. д.) к источнику напряжения, это напряжение создает электрические поля вдоль цепи, вызывая протекание тока. Когда электроны достигают конца провода, который подключен к другому компоненту, они перемещаются в этот компонент и продолжают петлю вокруг цепи.

Самая простая аналогия здесь, вероятно, это поток воды. Ток аналогичен потоку воды, напряжение аналогично давлению, батареи аналогичны насосам, провода аналогичны шлангам или трубам. (В отличие от аналогии с водой, если вы перережете цепь, ток прекратится, потому что проводимость электронов в воздухе очень низкая, тогда как если вы перережете шланг, вода выльется.)

Металлический проводник — это море свободных электронов, удерживаемых в потенциальной яме положительным зарядом ядер атомов, из которых состоит металл. Вот как это работает: некоторые электроны прочно связаны с ядрами атомов, а некоторые могут свободно перемещаться. Связанные не двигаются, а свободные могут идти, куда хотят... вроде того. Тепло (броуновское движение) заставляет все эти частицы толкаться и двигаться быстрее по мере повышения температуры. Поскольку некоторые электроны могут свободно двигаться, толчки отбрасывают их дальше от остальных атомов. Облако электронов начинает формироваться за пределами поверхности провода, и оно становится больше по мере того, как мы нагреваем вещи. По мере того, как электронное облако движется дальше, атомы, застрявшие на месте (фактически в кристаллической решетке), приобретают положительный электрический заряд, который стремится оттянуть электроны назад. Таким образом, существует баланс между толчками из-за тепла, которое заставляет электронное облако расширяться (что-то вроде молекул в газе, заставляющих его расширяться при нагревании), и электрическим полем, которое возникает из-за того, что отрицательные электроны тратят часть своего времени дальше. дальше от проволоки, чем положительные атомы остались позади. Чистый эффект заключается в том, что все электроны должны оставаться рядом с проводом, но при повышении температуры они удаляются дальше. Из-за этого «моря электронов» происходит множество вещей.

Во-первых, это море, и мы можем провести аналогию с океаном. Вдоль восточного побережья США протекает нечто, называемое Гольфстрим. Это течение в море. Он движется со скоростью несколько миль в час и несет много воды на север. В океане тоже бывают волны. Если бы в Атлантике произошло землетрясение, возникшее в результате цунами переместилось бы через океан со скоростью 600 миль в час. Итак, мы знаем, что в море волны могут двигаться очень быстро, а течение гораздо медленнее. В проводе примерно так же. Когда вы прикладываете положительный потенциал к концу провода, электроны в облаке вокруг провода притягиваются к нему. На самом деле ваш положительный заряд сейчас конкурирует с положительным зарядом атомов, и часть электронов сместится в вашу сторону. Некоторые могут даже физически переместиться в ваш положительный заряд, который вы приложили. но в основном к вам будет смещаться электронное облако на конце провода. Как только они сместятся, те, кто находится чуть дальше, увидят сдвиг, потому что теперь на стороне, обращенной к вам, меньше отрицательных электронов. Так что они будут смещаться. Этот процесс распространяется по проводу, каждая группа электронов смещается из-за изменения поля из-за смещения других. Когда «волна» достигает другого конца провода, облако там сдвинется к противоположному концу, обнажая больше положительного заряда атомов, так что вы увидите положительный потенциал на конце. Но это происходит не сразу. Поле в кабеле должно измениться, и это требует времени. Теперь самое интересное: электрические поля движутся со скоростью света вне провода, но внутри провода они движутся ОЧЕНЬ МЕДЛЕННО. У меня нет точных цифр, но за пределами проволоки поля мчатся со скоростью 3x10^8 метров в секунду. Внутри провода это даже не один метр в секунду. Если вы примените постоянный ток, одному электрону потребуется очень много времени, чтобы на самом деле пройти по проводу к другому концу. Но если вы приложите положительный импульс к проводу, вы увидите положительный импульс на другом конце со скоростью, близкой к скорости света (если вы поместите изолятор вокруг провода, он на самом деле пойдет немного медленнее, но это деталь для момент). Как это может быть? Если поля перемещаются внутри провода очень медленно, то как импульс достигает другого конца так быстро? Это происходит из-за поля ВОКРУГ провода. Провод, особенно для сигналов переменного тока, в некоторой степени действует как волновод наизнанку. Поля не могут возникать внутри провода, поэтому они остаются у поверхности и только толкают электроны вблизи поверхности. Для постоянного тока, поля могут, наконец, проникнуть через весь провод и привести все в движение, но для переменного тока поле реверсирует через равные промежутки времени, поэтому, как только оно немного входит в провод, оно меняет направление и должно начинаться сначала. Чистый эффект заключается в том, что токи в проводах проходят в узкой области вблизи поверхности: это называется «скин-эффектом». Я не думаю, что это было обнаружено доктором Скин (но я могу ошибаться), я думаю, что это просто относится к току, прилипающему к поверхности или «коже» провода. Если вам интересно, насколько это важно: очень, очень, очень много. тонн. Отличные глотки. У меня есть профессиональные кабельные эквалайзеры для видеосигналов. Скин-эффект позволил мне несколько лет хорошо зарабатывать. Возьмите провод калибра 24 (скажем, Cat 5) и подайте сигнал с частотами от очень низких (скажем, 30 Гц) до достаточно высоких (скажем, 5 МГц). Низкие частоты могут проникать гораздо глубже в медь, и поэтому они фактически видят гораздо больший кабель. Высокие частоты видит только тонкая трубка. Какая разница? Сопротивление! Сигналы проходят гораздо легче по толстому проводу, чем по тонкой трубке. Таким образом, высокие частоты становятся все меньше и меньше по мере продвижения по кабелю. Для видеосигнала это означает, что ваше изображение становится все более и более размытым, и в конечном итоге цвет исчезает. После прохождения мили по кабелю Cat 5 части видеосигнала с частотой 5 МГц будут примерно в миллион раз меньше, чем низкие частоты. Таким образом, высокие частоты становятся все меньше и меньше по мере продвижения по кабелю. Для видеосигнала это означает, что ваше изображение становится все более и более размытым, и в конечном итоге цвет исчезает. После прохождения мили по кабелю Cat 5 части видеосигнала с частотой 5 МГц будут примерно в миллион раз меньше, чем низкие частоты. Таким образом, высокие частоты становятся все меньше и меньше по мере продвижения по кабелю. Для видеосигнала это означает, что ваше изображение становится все более и более размытым, и в конечном итоге цвет исчезает. После прохождения мили по кабелю Cat 5 части видеосигнала с частотой 5 МГц будут примерно в миллион раз меньше, чем низкие частоты.
Еще одна вещь, которую объясняет это «море электронов»: катодные лучи. В старые добрые времена электрические сигналы усиливались электронными лампами. Сама вакуумная трубка имела нить накала (через которую пропускали ток, так что она светилась оранжевым цветом) и сетку (что-то вроде металлического экрана) рядом с нитью. Дальше было нечто, называемое пластиной (это была просто металлическая пластина с клеммным соединением). Когда нить была горячей, море электронов расширялось, и многие электроны блуждали довольно далеко от своего основного провода. Если бы вы приложили положительный заряд к сетке, она могла бы оторвать некоторые из этих электронов от нити накала, а если в то же время вы приложили бы положительный заряд к пластине, они бы разбежались по вакууму внутри нити. трубки и приземлиться на пластину, вызывая ток. Таким образом, сетка могла управлять током в трубке, и это был первый электронный усилитель. Он был изобретен из первых лампочек. На самом деле Эдисон почти изобрел его, но так и не закончил эксперимент, так что кивок отдается джентльмену по имени ДеФоррест. (Я думаю... может быть, мне стоит проверить Википедию). Если эта пластина представляла собой экран, покрытый люминофором, она стала ЭЛТ (электронно-лучевой трубкой) и стала первым телевизором. Так что многое можно объяснить этим взглядом на провод/проводник как на море электронов, свободно удерживаемых на месте их родительскими атомами. Я не уверен, что это то, что вы искали, но это всегда помогало мне, как только я узнал об этом. Удачи. Дэйв но так и не закончил эксперимент, поэтому кивок переходит к джентльмену по имени ДеФоррест. (Я думаю... может быть, мне стоит проверить Википедию). Если эта пластина представляла собой экран, покрытый люминофором, она стала ЭЛТ (электронно-лучевой трубкой) и стала первым телевизором. Так что многое можно объяснить этим взглядом на провод/проводник как на море электронов, свободно удерживаемых на месте их родительскими атомами. Я не уверен, что это то, что вы искали, но это всегда помогало мне, как только я узнал об этом. Удачи. Дэйв но так и не закончил эксперимент, поэтому кивок переходит к джентльмену по имени ДеФоррест. (Я думаю... может быть, мне стоит проверить Википедию). Если эта пластина представляла собой экран, покрытый люминофором, она стала ЭЛТ (электронно-лучевой трубкой) и стала первым телевизором. Так что многое можно объяснить этим взглядом на провод/проводник как на море электронов, свободно удерживаемых на месте их родительскими атомами. Я не уверен, что это то, что вы искали, но это всегда помогало мне, как только я узнал об этом. Удачи. Дэйв Многое можно объяснить этим взглядом на провод/проводник как на море электронов, свободно удерживаемых на месте их родительскими атомами. Я не уверен, что это то, что вы искали, но это всегда помогало мне, как только я узнал об этом. Удачи. Дэйв Многое можно объяснить этим взглядом на провод/проводник как на море электронов, свободно удерживаемых на месте их родительскими атомами. Я не уверен, что это то, что вы искали, но это всегда помогало мне, как только я узнал об этом. Удачи. Дэйв

Когда течет электрический ток, электроны движутся от отрицательного полюса к положительному с очень маленькой скоростью, порядка$0.02 mm/sec$в стандартный провод к лампочке. Электроны движутся в направлении, противоположном тому, что мы называем током. Когда они достигают конца провода, они фактически переходят в материал клеммы, лампочки или чего-то еще. Легкость подвижности электронов — это то, что мы называем проводимостью.

В цепях переменного тока электроны фактически немного колеблются, в зависимости от частоты переменного тока, следуя полярности тока.

См. http://amasci.com/miscon/speed.html

При подаче постоянного тока свободные электроны в меди начинают покидать отрицательную клемму батареи и переходить к положительной клемме батареи. Они двигаются очень медленно [Ссылку можно найти в BL Theraja, Electrical Engiering]. Они не просто достигают и заканчивают свое путешествие. Течение возникает из-за их движения в определенном направлении, а не из-за того, что они достигли места назначения и должны умереть сейчас.

Электроны не умирают. Они просто продолжат свой путь от медного провода к аккумулятору (который также является проводником с низким сопротивлением).

Ток AD тоже. Электроны просто двигаются вперед и назад. В другом ответе говорится, что они движутся очень медленно, поэтому это должно быть небольшое покачивание. Но не то, чтобы они были очень эластичными. Это означает, что если один электрон движется в начале проводника, он перемещает другой электрон в конце проводника. Поэтому движение совершенно неформальное. И всегда есть электроны, движущиеся от меди к тесту и от батареи к меди. Как в переменном, так и в постоянном токе.

Просто чтобы расширить аналогию с водой; предположим, что у вас есть длинная труба с источником воды на одном конце и клапаном на другом: труба заполнена водой, и когда вы открываете клапан, она начинает проливаться «мгновенно». Вы не говорите, что вода путешествовала по трубе с бесконечной скоростью, просто она находилась внутри нее и ждала, куда бы отправиться куда-нибудь.

То же самое происходит и с электричеством: электроны находятся в проводе, и когда вы прикладываете напряжение, они начинают двигаться. Эффект виден почти мгновенно, потому что на конце провода были какие-то «ожидающие», подталкиваемые теми, кто рядом с ними, и так идущие к источнику. Таким образом, даже если электроны медленные , сигналы распространяются намного быстрее (2/3 c — обычное значение) из-за этой цепной реакции.