Почему нет чистого тока в проводе без приложенного напряжения?

По статистике, в одном направлении движется столько же электронов, сколько в противоположном на 180°, поэтому нет никакого чистого тока. То, что мы знаем как «ток», — это движение большего количества электронов в одном направлении, чем во всех остальных (1D, 2D или 3D через кусок металла). Вот как у вас могут быть «тонны свободных электронов», но нет протекающих или измеримых чистых токов.

Случайное возбуждение этих электронов имеет название: тепловой шум. Это волнение пропорционально температуре, поэтому вы получаете больше, когда нагреваете вещи. Однако среднее движение всегда равно нулю, поэтому вы никогда не сможете выполнить какую-либо полезную «работу» или, что то же самое, извлечь полезную энергию из процесса.

Это согласуется с законами термодинамики.

Короткий ответ: некоторые учебники заражены заблуждением, что электроны всегда вращаются вокруг отдельных атомов металла. Неа. Они также скажут вам, что электроны прыгают между атомами только тогда, когда вдоль проводов приложено напряжение. Неправильный.

В металлах внешний электрон (электроны) каждого атома металла покинул свой первоначальный атом. Это происходит, когда металл впервые формируется. Если бы электроны продолжали прилипать к каждому атому, тогда металл был бы изолятором, и при малых значениях тока сопротивление не было бы постоянным. На самом деле внешние электроны или электроны «зоны проводимости» все время вращаются вокруг всех атомов металла. Металлическая проволока напоминает своего рода «застывшую плазму». Металлы странные.

Физики называют подвижное электронное население металла «электронным морем» или «океаном заряда». В химии это называется «металлическая связь».

С неквантовой точки зрения мы можем рассматривать металлические объекты как сосуды, наполненные «электрическим флюидом», в стиле Бена Франклина! Электроны металла колеблются с высокой скоростью, блуждая повсюду, как молекулы газа в шланге. Но это электронное движение происходит в случайных направлениях. Это хранилище тепловой энергии, но у нее нет единого направления, так что это не «ветер»; не электрический ток. На каждый электрон, идущий в одну сторону, приходится другой, идущий в обратном направлении.

Следовательно, реальный постоянный электрический ток в металле представляет собой медленный средний дрейф этого электронного облака. Отдельные электроны, конечно, не двигаются медленно. Вместо этого они все время бродят почти со скоростью света. Но во время постоянного тока на их средний путь блуждания накладывается крошечный дрейф постоянного тока. То же самое происходит и с земной атмосферой: каждая молекула движется почти со скоростью звука, даже в условиях полной неподвижности; безветренно. Мы рассматриваем блуждание как «тепловое», как броуновское движение. То же самое с отдельными электронами в металле.

Правильная анимация атомов/электронов металлов изображала бы скачки электронов в обоих направлениях при нулевом токе. Или покажите, как они качаются взад-вперед между несколькими атомами со случайным движением при токе ноль ампер. (Или покажите, что внутренняя часть провода выглядит как «телевизионный снег», как мерцающий белый шум.) Тогда во время постоянного тока вся структура электронов будет медленно скользить как единое целое. Чем больше ампер, тем быстрее поток. «Жидкий белый шум» движется медленно, как вода в трубе, но отдельные частицы никогда не остаются на месте.

Обратите внимание, что это изображение НЕ ПРИМЕНЯЕТСЯ КО ВСЕМ ПРОВОДНИКАМ . Это относится только к твердым металлам (наиболее распространенная форма проводника, используемая в электротехнике), но не к соленой воде, кислотам, токам заземления, человеческим тканям/нервам, жидким металлам, движущимся металлам, плазме, искрам и т. д. t электронов, поэтому инженеры и ученые используют «условный ток», который применяется ко всем типам проводников. Поток электронов в металлах является частным случаем электрических токов в целом.

PS
Обратите внимание, что электроны не невидимы! (На самом деле электроны — единственное, что можно увидеть.) Так что, когда мы смотрим на оголенный провод, мы видим его электронное море. Подвижные электроны являются крайними отражателями электромагнитных волн. «Металлический» вид металлической поверхности — это наше представление о свободных электронах. Итак, электроны подобны серебристой жидкости. Во время электрического тока в металле течет серебристое вещество. Но в этом потоке нет ни грязи, ни пузырьков, поэтому, хотя мы и видим «жидкость», мы не можем видеть ее движение. (Хех, даже если бы мы могли видеть что-то движущееся, дрейф заряда был бы слишком медленным, чтобы его заметить; как минутная стрелка на часах!)

Если провод сверхпроводник, ток действительно может течь без напряжения.

Был такой пример, который дал мне один из моих учителей.

Электроны без напряжения — это просто независимые люди, которым нравится какой-то случайный город. Они счастливо двигаются свободно, но они не являются частью какого-либо движения. Они индивидуальны, что не имеет значения.

Теперь вдруг иностранная сторона устанавливает правило. Это заставляет электроны идти к установлению чужой партии (не традиционного течения) в бунте, мятеже и т. д. и т. д. Они являются частью движения, и это называется током.

Ток требует, чтобы электроны в зоне проводимости текли, и без напряжения (или давления в качестве аналога потока) нет энергии для возбуждения электронов в зону проводимости. Сопротивление всегда присутствует из-за атомных свойств, и падение напряжения должно быть полным напряжением, поскольку сопротивление становится практически бесконечным, поскольку валентные оболочки в металлах сильно отличаются от зон проводимости тем, что они связаны со структурой решетки металла. Им требуется возбуждение и градиент, чтобы разорвать связь с валентностью, которую она будет. Валентные электроны могут взаимодействовать, но они не являются однородно направленными и не текут свободно, как если бы они были возбуждены в зоне проводимости. Это, конечно, для простых проводящих металлов.

Из вашего вопроса ясно, что вы не знаете различия между случайным движением электронов и направленным движением электронов. Случайное движение электронов не является текущим. Направленное движение электронов .
Именно напряжение задает направление электронам, вызывая, таким образом, направленный поток электронов — «электронный ток».

Ваше утверждение, что "электрон должен двигаться от одного провода... к другому, просто неверно" , неверно . Дело в том, что на каждый электрон, который «входит» в провод, другой электрон должен «выйти» с другого конца. Если этого не происходит, то у вас нет текущего потока! Именно поэтому «ничего не происходит, когда вы подключаете светодиод к проводу» без подачи напряжения.

Нам говорят не заморачиваться, потому что в этом больше физики и меньше практического значения.

В физике провод не является полностью коротким, но имеет сопротивление, емкость и индуктивность. Когда вы подаете напряжение в провод, многие думают, что происходит.

Когда напряжение не подается, электронов, прыгающих от атома к атому, недостаточно, чтобы светодиод загорелся.

Физик мог бы ответить на этот вопрос лучше, чем ЭЭ. В стеке обмена есть раздел физики.