Откуда электроны получают кинетическую энергию в цепи?

Предположим, что это идеальный провод . Как электроны ускоряются и приобретают кинетическую энергию?

Что я понимаю:

Когда цепь размыкается, электроны скапливаются на отрицательном полюсе батареи и имеют высокую электрическую потенциальную энергию, когда мы замыкаем цепь, электроны начинают ускоряться и приобретать кинетическую энергию через провод .

Что меня смущает:

Во-первых, через провод (идеальный провод) не возникает электрического поля. Дж "=" о Е , поэтому я не могу сказать, что электроны приобретают кинетическую энергию и ускоряются за счет электрического поля.

Во-вторых, если электроны теряют электрическую потенциальную энергию (преобразованную в кинетическую энергию), то должно существовать электрическое поле из-за определения напряжения: « электродвижущая сила — это количественное выражение разности потенциалов заряда между двумя точками в электрическом поле. ".

Что я пропустил?

А почему вы думаете, что в проводе при наличии батарейки не может быть электрического поля?
« Предположим, что это идеальный провод . Как электроны ускоряются и приобретают кинетическую энергию?» Как вы думаете, почему в идеальном проводе есть электроны ? Идеальный провод — это абстракция (отсюда и прилагательное «идеальный» ).
@Nobodyrecognizeable, потому что Дж "=" о Е , Таким образом, когда проводимость равна бесконечности, электрическое поле равно нулю
@MohammadAlshareef Ну, на самом деле нет ничего лучше чистого дирижера. Либо 0/0 не 0.
@AlfredCentauri, чтобы упростить задачу, вот как физики делают свою работу! почему мы предполагаем провод бесконечности или плоскость или что-то в целом?!
Вы ошибаетесь; так физики не работают. Упрощения влекут за собой ограничения — если у вас есть провод с бесконечной проводимостью, «электроны, движущиеся по проводу» больше не работают. Модели имеют свои ограничения, и вы должны понимать эти ограничения. Тот факт, что в вашем примере вы получаете деление на ноль, является очевидным признаком того, что вы используете модель за пределами ее области. Полное определение каждой из этих моделей включает условия, при которых модель не дает удовлетворительных результатов.
@Luaan, я не вижу никаких проблем в предположении об идеальном проводе, физики уже делали это раньше.
Вы можете представить себе идеальную проволоку или представить, что в ней движутся электроны. Вы не можете делать и то, и другое одновременно. Это обычная ситуация в физике. Если вам нужно рассмотреть электроны в проводе, вы должны использовать другую модель, в которой на самом деле есть электроны.
@Luaan, я понял из того, что ты сказал, что электроны не могут двигаться в идеальном проводе!
Ну конечно не могут. Две модели несовместимы. В этом нет ничего странного. Носителем заряда в идеальной проволоке никак не может быть электрон (да и в самом деле, идеальная проволока совершенно нефизична). Вы все еще зацикливаетесь на этом: модели не идеальны, это абстракции. Они дают хорошие ответы на одни вопросы и плохие ответы на другие вопросы. Вам нужно использовать модель, подходящую для того, что вы пытаетесь выяснить. В идеальных проводах нет электронов — на самом деле у них нет никакой структуры . Вы просто говорите: «давайте пренебрежем этой частью».
@Luaan, хорошо, я начал немного понимать, но не могли бы вы рассказать, что произойдет, если вы подключите аккумулятор к идеальному проводу?
Если предположить, что это настоящая батарея, она начнет разряжаться с очень высоким током, нагреется и, возможно, взорвется. Это самое нелепое короткое замыкание, которое вы только можете себе представить :) Использование, с которым я больше всего знаком, заключается в том, что вы рассчитываете с идеальным проводом, когда вы на самом деле не заботитесь о проводе (вы пренебрегаете влиянием провода на цепь); у вас есть другие компоненты в схеме, и вам нужна упрощенная модель, которая игнорирует провод. Вы можете рассматривать идеальный провод так, как если бы рассматриваемые компоненты были напрямую соединены друг с другом, без провода.
@Luaan, я не верю, что это то, что ищет ОП. Я полагаю, что ОП все еще спрашивает, как при подключении идеального провода к батарее заряд (носители) внутри начинает двигаться, когда внутри не может быть электрического поля для ускорения заряда (носителей). Удачи!
@AlfredCentauri, разве носители заряда не переходят с бесконечной скоростью на другую сторону батареи? (и то, что делает без напряжения)
Самый простой ответ заключается в том, что при рассмотрении идеального провода нет осмысленной концепции носителей заряда. И да, сигнал распространяется по идеальному проводу с бесконечной скоростью, что опять же совершенно нефизично — сигнал никогда не может двигаться быстрее скорости света, а в любом реальном проводе он существенно медленнее. Точно так же и в реальном проводе электрическое поле непостоянно — при замыкании цепи поле не переключается мгновенно на полную силу. Все это не имеет смысла даже при рассмотрении идеального провода.

Ответы (2)

Предположим, что это идеальный провод . Как электроны ускоряются и приобретают кинетическую энергию?

Идеальный провод — это абстракция, которая используется для упрощения расчетов в физике и электротехнике.

Подвижный заряд в идеальной проволоке мгновенно реагирует на внешние поля, так что глубина скин-слоя равна нулю . Ясно, что для электронов этого не может быть, и поэтому в этом идеальном пределе носитель заряда «абстрагируется», и мы говорим только о подвижном заряде внутри идеального провода.

Таким образом, если вы думаете с точки зрения электронов и их массы, кинетической энергии и потенциальной энергии, то применение приближения идеальной проволоки также является концептуальной ошибкой.

Вы имеете в виду, что неправильно предполагать идеальный провод и пытаться понять понятия с его помощью?
@MohammadAlshareef, это не то, что я написал, и это далеко не то, что я имел в виду.
Не могли бы вы упростить то, что хотите сказать, я не так хорош в английском, я пытаюсь вас понять, но не могу.
@MohammadAlshareef, я не знаю, как сделать это проще.
Спасибо, извините за беспокойство
@MohammadAlshareef, я сделаю последнюю попытку: мне кажется, вы просто не понимаете пределов приближения идеального провода. Если в вашем проводе есть подвижные электроны, это не идеальный провод, поэтому забудьте о приближении идеального провода, если вы когда-нибудь захотите понять, как электроны ускоряются в проводе . Это помогает?
Поскольку это ваша последняя попытка, спасибо, что поддержали меня, я очень ценю ваши усилия, пытающиеся помочь людям.
Если позволите, на уроках физики частая шутка — «сферическая корова в вакууме». Мы часто хотим использовать наши простые уравнения для связи с реальными жизненными ситуациями, но все не так просто. В результате мы должны упрощать. Есть постоянная шутка о тестовом вопросе, в котором предлагается предсказать траекторию коровы, выброшенной из катапульты Монти Пайтона. Чтобы избежать проблем с перетаскиванием или вращением вне центра, в вопросе говорится: «Предположим, что корова имеет сферическую форму и находится в вакууме». С тех пор это стало обычной шуткой. Но проблемы применимы здесь.
Если бы я спросил, «с какой силой нужно бросить сферическую корову в вакуум, чтобы превысить скорость звука», я бы столкнулся с проблемами. Идея «идеального вакуума» противоречит идее скорости звука. Звук имеет скорость в реальных материалах, таких как воздух, но не имеет значимой скорости в вакууме. Итак, чтобы разобраться в таком вопросе, мы больше не должны рассматривать корову как сферу в вакууме — мы должны признать, что простой модели сферы, летящей в вакууме, уже недостаточно.
В этом случае сам факт того, что вам интересно говорить об электронах, обладающих кинетической энергией, противоречит идее об идеальной проволоке. Легко придумать случаи, когда такие электроны не имеют смысла в идеальном проводе --- Действительно, вы придумали один. Таким образом, если вы хотите понять, что происходит, вам нужно использовать другую модель для проводов, такую, которая не разваливается, когда вы пытаетесь думать о кинетике.
Вы снова столкнетесь с этим вскоре, когда узнаете об индукторах. Тривиально разработать схему с катушкой индуктивности, батареей, резистором и переключателем, которые создают бесконечные напряжения на катушке индуктивности. Если вы хотите спросить «как такое может быть», тогда нам нужно использовать модель, которая может обрабатывать переходные процессы. Например, мы можем смоделировать провода как линию передачи, чтобы учесть задержки распространения. Вскоре мы обнаруживаем, что «бесконечное напряжение» — это просто очень большое напряжение. Но мы понимаем это только тогда, когда перестаем использовать слишком простую модель.

Если вы подключите идеальный провод (нулевое сопротивление) к идеальной батарее (без внутреннего сопротивления) по закону Ома, результирующий ток в цепи будет

я "=" е м ф р

Это означает, что при нулевом сопротивлении провода у нас будет бесконечный ток. Дело в том, что в электрической цепи всегда будет сопротивление, противодействующее потоку тока, точно так же, как всегда будет некоторая форма трения, противодействующая движению масс. Как электрическое, так и механическое сопротивление (трение) приводят к нагреву.

Но мы знаем, что сопротивление проводов, как правило, намного меньше, чем сопротивление компонентов цепи, так что мы можем пренебречь сопротивлением проводов (считая их равными нулю), которые соединяют компоненты цепи. Поэтому может быть более поучительно ответить на ваш вопрос, предполагая, что провода, соединяющие элементы схемы с источником напряжения, имеют нулевое сопротивление. В этом случае для последовательной цепи ток ограничивается только сопротивлением элементов цепи. Именно это сопротивление предотвращает ускорение заряда (таким образом, постоянная скорость дрейфа) и где происходит потеря потенциала. Поскольку ток в проводах такой же, как и в последовательно соединенных с проводами элементах цепи, ускорение заряда в проводах нулевого сопротивления отсутствует.

Применимое определение напряжения здесь:

«Разность потенциалов V между двумя точками — это работа на единицу заряда, необходимая для перемещения заряда между двумя точками».

МЕХАНИЧЕСКАЯ АНАЛОГИЯ

Рассмотрим следующую механическую аналогию.

Я толкаю коробку с постоянной скоростью по поверхности пола. Движение ящика с постоянной скоростью аналогично дрейфовой скорости заряда (электрического тока). Я, будучи источником энергии, аналогичен батарее.

Поверхность пола меняется так, что на некоторых участках возникает трение, и трение может варьироваться между участками. Пусть эти участки пола с трением будут аналогичны электрическому сопротивлению компонентов электрической цепи на пути цепи.

Между растяжками с трением есть растяжки без трения. Пусть эти участки без трения будут аналогичны нашим соединительным проводам с нулевым сопротивлением.

Чтобы я толкал ящик с постоянной скоростью по поверхностям с трением, мне нужно приложить силу, равную противодействующей кинетической силе трения. Чем больше кинетическое трение (чем больше электрическое сопротивление), тем большую силу (напряженность электрического поля) мне нужно приложить и тем большую работу мне нужно совершить, чтобы толкнуть коробку от начала растяжения до конца. потягиваться. Работа, которую я совершаю на единицу массы коробки, перемещаемой из точки в начале растяжения в точку в конце растяжения, аналогична падению разности потенциалов (напряжения) на резисторе. Поскольку кинетическая энергия ящика не изменяется (нет ускорения электронов), работа, которую я совершаю при перемещении ящика, рассеивается в виде нагревания поверхности контакта при трении. Это по аналогии с я 2 р тепло, рассеиваемое на электрическом сопротивлении.

Теперь я столкнулся с участком поверхности без трения (идеальный провод). Мне не требуется никакой работы, чтобы переместить ящик по этой поверхности, поэтому я просто отпускаю его и позволяю ему пересекать поверхность без трения с той же скоростью, что и в конце растяжения с трением. То, что на этом отрезке не требовалось никакой работы, аналогично тому, что на отрезке не было электрического поля и падения напряжения.

Когда коробка достигает следующего участка с трением (следующий электрический резистор), я (батарея) должен снова совершить работу, чтобы коробка (электроны) двигалась с постоянной скоростью (постоянный ток).

Итак, резюмируя, отвечая на ваш вопрос:

Откуда электроны получают кинетическую энергию в цепи?

Они получают его от потенциальной энергии, поставляемой батареей. Но они теряют его, когда сталкиваются или взаимодействуют с частицами, из которых состоит проводник, так что в среднем скорость постоянна (скорость дрейфа). Передача энергии частицам вызывает нагрев. В цепи всегда есть некоторое сопротивление. Части цепи, имеющие гораздо меньшее сопротивление (провода), не рассеивают кинетическую энергию электронов, но и электроны не приобретают кинетическую энергию в проводах, потому что их скорости ограничены частями цепи, имеющими сопротивление.

Надеюсь это поможет.

Утверждения, сделанные в первых двух предложениях, не могут быть верны оба . Предположим, что утверждение, сделанное в первом предложении, что «в [идеальном] проводе между клеммами батареи есть поле», верно. Тогда утверждение, сделанное во втором предложении, что «для перемещения заряда в проводе не потребуется никакой работы на единицу заряда (напряжения)», также не может быть верным.
@AlfredCentauri Вы правы. Идея заключалась в том, чтобы показать, что, если бы оба были правильными, ток должен был бы быть бесконечным, что не может быть правдой. Но я вижу, что это может не показаться таким образом. Поэтому я пересмотрел его. Спасибо.
@BobD, правда? Дж "=" о Е рассчитать электрическое поле батареи? Если да, то оно должно быть равно нулю, потому что сигма - это бесконечность (идеальный провод), но вы сказали: « Если вы подключили идеальный провод (нулевое сопротивление) к идеальной батарее (без внутреннего сопротивления), в проводе между клеммами батареи есть поле. (из-за батареи) ", как это? какое электрическое поле вычисляет этот закон?
BobD, я, честно говоря, не понимаю, почему раздел, процитированный выше, есть даже в вашем ответе. Насколько я могу судить, ОП пытается понять , как при формировании цепи электроны могут начать двигаться внутри идеального провода, когда, по общему мнению, внутри идеального провода нет электрического поля для ускорения электронов . В своем ответе я пытался объяснить, что абстрактное подвижное изменение в идеальном проводе мгновенно реагирует на внешние поля, но, очевидно, электроны не могут этого сделать.
@MohammadAlshareef Все дело в том, что, за исключением сверхпроводников, не существует такой вещи, как электрическая цепь с нулевым сопротивлением. Я признаю, согласно Альфреду Сенчури, что внутри идеального провода нет электрического поля. Я буду редактировать это из своего ответа. Но вы можете иметь постоянный ток в идеальном проводе без силы электрического поля, точно так же, как вы можете иметь постоянную скорость массы без силы, если ничто не препятствует ее движению (например, трение). Я думаю о том, чтобы добавить к моему ответу аналогию с перемещением массы с кинетическим трением и без него.
@MohammadAlshareef Я добавил к своему ответу механический аналог. Надеюсь, поможет.
@BobD, Что меня смутило, что я предположил, что внутри идеального провода может быть электрическое поле, Кстати, вы лучший учитель, которого я когда-либо видел, Большое вам спасибо.
@MohammadAlshareef Спасибо за комплимент. Я очень ценю это. Но я также должен поблагодарить Альфреда Центавра (я голосую) за то, что он разъяснил мне некоторые вещи. Мы все можем учиться друг у друга.
BobD, действительно, именно такие вопросы, как этот и другие здесь, побудили меня уточнить мои собственные представления о многих вещах, включая понятие идеального провода.
Откуда электроны получают кинетическую энергию в цепи?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v