Замедляются ли электроны через резистор?

Электроны внутри твердых тел движутся очень хаотично. Они продолжают натыкаться туда-сюда. Что происходит, когда вы ставите аккумулятор? Движение этих электронов лишь слегка возмущено. Свободные электроны внутри металла движутся с большими скоростями, батарея создает внутри твердого тела электрическое поле, которое пытается толкнуть одну сторону, но вызванное этим ускорение очень мало. Вот почему электроны не движутся, как однородные частицы, линия за линией друг за другом в очереди, а просто слегка дрейфуют в одну сторону, продолжая совершать это случайное движение. Это означает, что существует большое количество столкновений. Энергия электрических полей не идет полностью на толчок, но много идет на то, чтобы заставить их столкнуться, это генерирует тепло, и именно так энергия теряется, а потенциал падает, она уходит в виде ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ. Мы не можем сказать, замедляются ли электроны или ускоряются, или потому что они движутся со случайными скоростями, но мы можем определенно сказать, что скорость, с которой они движутся немного бок о бок вдоль твердого тела, становится меньше. Эта скорость называется СКОРОСТЬЮ ДРИФТА и становится меньше. Если ток в 1 ампер протекает через резистор сопротивлением R при напряжении V, то количество рассеиваемого тепла или потери потенциальной энергии в секунду определяется выражением:

$$I^2R = V^2/R = VI$$ Более подробно вы можете изучить их в Википедии: -> Скорость дрейфа -> Тепловые потери в резисторах Также вот полезная диаграмма для понимания движения электронов $$

Существует много случайного теплового движения зарядов, но в среднем их скорость (скорость дрейфа) через резистор постоянна. В данной последовательной цепи ток постоянен относительно положения, поэтому средняя скорость зависит только от произведения площади поперечного сечения и плотности свободных электронов. Поскольку это постоянно на резисторе, скорость дрейфа также постоянна относительно положения.

Чтобы потенциальная энергия была потеряна, необходимо совершить работу, противоположную консервативной силе, вызывающей потенциальную энергию. Это означает, что есть ускорение

Это ошибочная логика. Предположим, что есть две силы, консервативная сила от электрического поля$F_E$и неконсервативная сила сопротивления$F_R$. Поскольку, как вы говорите, в среднем работа, выполняемая$F_R$равно и противоположно тому, что сделано$F_E$у нас есть:

$$F_R d =-F_E d$$ $$F_R =-F_E$$ Таким образом, в среднем силы равны и противоположны, что означает, что среднее ускорение равно 0.

Скорость дрейфа определяется выражением:

$$V_d=\frac{I}{e N A}$$ поэтому скорость дрейфа может изменяться по цепи даже при фиксированном токе.$I$, но это не связано с изменением удельного сопротивления. Это связано с изменением площади поперечного сечения.$A$или плотность носителей заряда$N$. Оба$A$и$N$не зависят от удельного сопротивления. Ясно, что$A$независима, но изучение таблиц удельного сопротивления и плотности носителей заряда показывает, что$N$также не зависит от сопротивления. Например, Меркурий имеет относительно высокое удельное сопротивление и умеренное$N$, в то время как алюминий имеет высокую$N$но низкое сопротивление.

В стационарном состоянии ток по всей цепи одинаков из-за сохранения заряда. Проще говоря, возьмите любой крошечный участок цепи, и в любой момент времени в стационарном состоянии количество электронов, втекающих и выходящих из этого участка, должно быть одинаковым.

Распространяя это на всю цепь, интенсивность везде одинакова, поэтому для проводов одного и того же поперечного сечения, независимо от удельного сопротивления материала, скорость дрейфа должна оставаться одинаковой.

Это означает, что внутри резистора нет чистого ускорения дрейфа. Если бы это было так, электроны скапливались бы внутри него, потому что в него втекало бы больше, чем вытекало, и они заряжались бы, как конденсатор, но вы можете убедиться, что этого не происходит.

Разница потенциальной энергии на резисторе макроскопически превращается в тепло, а не тратится на ускорение самих электронов.

Ответ на приведенные выше вопросы заключается в том, что дрейфовая скорость электронов должна измениться, чтобы ток оставался неизменным, если изменяются другие факторы. Например, если проволока вдруг станет тоньше, как горлышко бутылки, то A в

$$I=eNV_dA$$ становится меньше и поэтому$V_d$должен увеличиваться. Скорость дрейфа также пропорциональна времени релаксации, поэтому, если оно изменится, скорость дрейфа также должна измениться при прочих равных условиях. В заключение, скорость дрейфа внутри цепи будет меняться в зависимости от компонентов цепи. Поскольку электроны изменяют свою дрейфовую скорость, можно заключить, что существует некоторое результирующее ускорение/замедление через компоненты цепи, и все это для того, чтобы поддерживать постоянный ток во всей цепи, поскольку заряд ДОЛЖЕН сохраняться. Аксиоматически важным утверждением является то, что$I$постоянна до и после резистора.