Влияет ли разница напряжений на скорость электронов? [дубликат]

тл; Д-р: да, напряжение влияет на скорость электронов, но не так, как вы думаете.

Без приложенного напряжения электроны в проводнике двигаются со своей скоростью Ферми , которая сама по себе высока (0,81 x 10 ⁶ м/с для меди), но не приводит к чистому движению электронов в том или ином направлении. То есть векторная сумма всех скоростей электронов равна нулю.

Приложение напряжения к проводнику меняет это: электрическое поле влияет на случайное движение со скоростью Ферми, чтобы иметь направленное смещение от отрицательного к положительному. Это смещение создает чистый поток. Скорость этого чистого потока, называемая скоростью дрейфа или$v_d$, зависит от плотности заряда материала и силы тока.

То есть,

Отсюда:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/miccur.html#c1

Мы видим, что для данного проводника$ne$(плотность заряда) и$A$(площадь поперечного сечения) постоянны, а$I$переменная. Следует, что$v_d$является переменной, пропорциональной току.

То есть,

• $v_d = \frac{I}{neA}$

А по закону Ома мы можем связать напряжение с током и, в конечном счете,$v_d$:

• $v_d = \frac{E}{RneA}$

Это имеет смысл: электроны ускоряются в чистом потоке от отрицательного к положительному под действием приложенного электрического поля, создавая ток. Чем больше поле, тем больше ускорение и, следовательно, больше ток.

Наконец, не путайте скорость дрейфа с распространением сигнала. Скорость дрейфа довольно низкая, порядка см в секунду. С другой стороны, скорость распространения сигнала составляет значительную часть скорости света (например, 0,8C для коаксиального кабеля). Почему? Сигналы распространяются как электромагнитные волны, а не как движущиеся электроны.

Связанный ответ: https://physics.stackexchange.com/questions/376452/why-is-current-slowed-down-by-resistance

И о скорости Ферми: https://physics.stackexchange.com/questions/150015/how-to-calculate-the-speed-of-electrons-in-a-metal

Вы не указали, куда движутся электроны. Мы можем вырвать электроны с их атомных и молекулярных орбит, если у нас есть достаточно сильное электрическое поле. Это делается в вакуумных электрических лампах. Эти устройства НЕ устарели. Они до сих пор используются в высокомощных радиолокационных передатчиках и рентгеновских трубках. И, конечно, многим звуковым субъективистам и музыкантам нравится звук ламповых усилителей. Они используют те же лампы, что и в 1950-х годах.

Самые большие вакуумные трубки, построенные человеком, — это ускорители частиц, которые используются физиками-исследователями.

В электронных лампах электроны движутся быстрее при более высоких напряжениях. Можно вычислить достигнутую скорость, если предположить, что вся энергия электрического поля преобразуется в кинетическую энергию. Вещь представлена ​​здесь https://physics.stackexchange.com/questions/403913/calculating-velocity-of-electrons-in-a-vacuum-tube-read-description

Приведенная формула не является точной. Часть скорости теряется в виде электромагнитного излучения, возникающего при изменении скорости электронов. Другая неточность — игнорирование теории относительности Эйнштейна. Это необходимо учитывать, когда скорость составляет существенную часть скорости света, скажем, 30 м/м и более. Теория относительности показывает, что скорость света не может быть достигнута, какими бы высокими ни были напряжения.

В металлах само число электронов на очень свободных орбитах, обеспечивающих электрический ток, очень велико. Любые практически достижимые токи требуют в нормальных проводах настолько небольшого процента доступных легко подвижных электронов, что скорость электронов может быть очень низкой, очень вероятно, менее одного миллиметра в секунду. См. это для более подробной информации: https://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity#Numerical_example

Сигналы возникают фактически в полях вне металла; это волна, как и радиоволна, но металлические провода (на самом деле электроны в металле) направляют ее на нагрузку. Очень небольшая часть энергии сигналов (а также электроэнергии) проходит внутри металлических проводников, большая часть проходит вне металла, но в направлении проводов.

На высоких частотах мы встречаем проводные конструкции, которые имеют тенденцию отдавать часть энергии в пространство вокруг провода. Создатели антенн стараются максимизировать этот эффект и управлять направлением излучения. Строители ЛЭП стараются свести его к минимуму.

Лучший способ подумать над этим вопросом — очень точно определить слово «движение». Вот три различных пути, по которым движется электрон:

1. Электрон вращается вокруг ядра своего атома. Это происходит с очень высокой скоростью, которая для некоторых атомов может быть близка к скорости света. https://www.quora.com/What-is-the-speed-of-an-electron Редактировать: как указывает wizzwizz4, это не совсем так — если подумать о «скорости» электрона внутри атома. в корне неверная модель. См., например, этот ответ здесь: https://chemistry.stackexchange.com/a/26505 .
2. Электрон движется от атома к атому внутри проводника. Если поле напряжения отсутствует, то это движение будет случайным с долгосрочным средним значением нулевого движения (т. е. в отсутствие поля напряжения электрон, вероятно, вернется туда, где он начал). Это происходит при скорости Ферми. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html
3. При наличии напряжения это случайное движение электрона также будет иметь долгосрочную тенденцию. (Со временем электрон окажется дальше по проводу, чем там, где он начал.) Это называется «скоростью дрейфа», и это скорость, о которой вы действительно спрашиваете в своем посте. https://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity

Как вы можете видеть из статьи в Википедии, скорость дрейфа действительно довольно низкая (как указывали другие) и может быть получена из тока (и свойств проводника).

Электроны имеют массу. Вот почему они никогда не достигают скорости света.

Другие части вашего вопроса зависят от того, где находятся ваши электроны.

В вакууме (как в вакуумном термоклапане/трубке или старом ламповом телевизоре): электроны ускоряются в электрическом поле. Затем они обычно ударяют по положительному электроду, который создает поле, и нагревают его или вместо этого делают что-то интересное (например, излучают рентгеновские лучи или видимый свет, как в телевизионной трубке).

Энергию можно измерять в единицах "электрон-вольт" - энергию, которую электрон приобретает или теряет при перемещении в место с потенциалом на 1 В выше или ниже. Устройство полезно в процессах атомного масштаба и широко используется в физике и химии.

В металлах: тепловое, хаотическое движение « свободных » электронов (скажем, ~1000 км/с при комнатной температуре) обычно на несколько порядков быстрее, чем любое внешнее электрическое поле (скажем, 2-3 мм/с при комнатной температуре). сильно нагруженный медный проводник). Другие ответы (см. @Mr. Snurb или @hacktastical) хорошо объяснили это. Кроме того, в металлах подавляющее большинство электронов связаны со своими атомами-хозяевами и никуда не денутся.

В изоляторах (воздух, пластик, стекло и т. д.): почти все электроны связаны со своими атомами или молекулами. Электрическое поле вызывает лишь небольшую деформацию этих атомов и молекул. Очень небольшое меньшинство свободных электронов, как и в металлах, термически блуждает, а также дрейфует в направлении электрического поля.

Нет, электроны в обычных цепях движутся довольно медленно. Вы могли бы легко идти намного быстрее, чем движется электрон. Я не физик, поэтому, возможно, мой язык не совсем правильный, но я люблю говорить, что электромагнитная волна (которую мы измеряем как напряжение) распространяется со скоростью, близкой к скорости света.