Действительно ли электроны текут при приложении напряжения?

Размышление о токе с точки зрения движущихся электронов — это начало пути к плохой ментальной модели того, как работает электричество. Вот только несколько неправильных вещей:

• Электроны — лишь один из многих носителей заряда. Любой ион также является носителем заряда.

• Не менее важны протоны, уравновешивающие электроны. Если бы у вас были только электроны, то все электроны во Вселенной отталкивались бы друг от друга и вылетали во Вселенную.

• Электроны имеют отрицательный заряд, и вы совершенно зря запутаетесь, думая о том, как они перетекают от отрицательного к положительному. Это вообще не имеет значения.

• Электроны на самом деле все время роятся во всех случайных направлениях, и их движение из-за тока ничтожно по сравнению с этим.

Важно вот что: носители заряда (одним из таких являются электроны) могут использоваться для передачи электродвижущей силы (обычно называемой просто напряжением). Это довольно обычная концепция, на самом деле. Вы можете нажать на один конец стержня и передать механическую силу на другой конец стержня. Стержень двигается, когда вы это делаете? Ну, может быть, но здесь происходят две вещи:

1. сила передается через стержень, как волны, распространяющиеся со скоростью звука в этом материале
2. тогда и только тогда, когда мы также передаем мощность, стержень движется, в большинстве случаев, с гораздо меньшей скоростью

Для стержня разница очевидна, но поскольку мы не видим электрического заряда, разница не очевидна.

Итак, ваш вопрос был: действительно ли электроны текут при приложении напряжения? Строго говоря, ответ может быть , и это зависит от того, что вы подразумеваете под потоком . Это похоже на вопрос, движется ли веревка, когда вы ее тяните? Ну, если он прикреплен к воздушному шару, он может много двигаться. Если он прикреплен к кирпичной стене, он может вообще не двигаться.

Движение носителей заряда (например, электронов) является током . Если у нас есть ток, то есть чистое движение носителей заряда. На самом деле они кишат повсюду, подобно тому, как кишат отдельные молекулы воды в трубе, даже если нет чистого потока. Текущее описывает среднее движение. В случае постоянного тока среднее движение происходит по кругу.

Как отдельные носители заряда взаимодействуют для достижения этого, сложно, и это действительно вопрос физики, а не вопрос электроники. Тем не менее, я бы посоветовал вам ознакомиться с этим учебником MIT по полям .

Электроны физически двигаются при приложении напряжения — очень медленно .

Цепь с напряжением 100 В постоянного тока, питающая нагрузку 1 А (например, лампочку) через медный провод диаметром 2 мм, увидит, как электроны движутся со скоростью:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

куда

• Q — количество электронов на кубический сантиметр меди (примерно$8.5 \times 10^{22}$)
• R - радиус провода
• e - заряд на электрон (примерно$1.6 \times 10^{-19}$кулоны)

Это составляет 8,4 см/час . Не совсем быстро.

Ключевым моментом является тот факт, что по цепи почти мгновенно проходит энергия , а не сами электроны. (Электроны образуют удобную «магистраль», по которой энергия течет быстро.)

К сожалению, медленный дрейф электронов под напряжением получил то же название, что и поток энергии, который действительно работает в цепи.

Не путайте удобную абстракцию с физической реальностью.

• «Схемы» — это абстрактное понятие, призванное помочь нам лучше рассуждать о мире.
• электроны являются физическим объектом.

Примечание о «закрытых» путях

Замкнутые цепи пути не предполагают, что электроны возвращаются к источнику. Кроме того, электроны, которые покидают источник, крайне редко являются теми же электронами, которые возвращаются к другому полюсу источника (см. Ответ @madmanguruman для объяснения скорости).

Механические аналогии

Это как домино, которое падает. Энергетическая волна распространяется через падающие костяшки домино, но костяшки домино не сильно перемещаются.

Помните, что энергия — это заряд электрона, умноженный на приложенную к нему силу (напряжение). Это (в подавляющем большинстве) силы, которые движутся через металлическую решетку, а не заряды (электроны).

Так же, как на этой картинке:

Силы передаются через шары, но шары в основном остаются на месте. В отличие от механических шаров, которые уравновешиваются гравитацией, с электронами в металлических проводах от гальванических элементов (батареек), происходит медленный общий дрейф электронов (как автомобили, застрявшие в пробке) на другой конец.

дальнейшее чтение

Вы можете рассмотреть этот ответ, который я дал на аналогичный вопрос по физике.

Мы говорим о металлах здесь. Обычно предмет из металла не состоит из молекул. Он состоит из атомов металла, сгруппированных вместе. Это показано на рисунке ниже:

Красные кружки — электроны. Как видите, на самом деле нельзя сказать, какому атому «принадлежит» электрон. Эти электроны образуют связи между атомами — поэтому они принадлежат двум атомам.

Теперь, когда начинает течь ток, эти электроны действительно движутся. Когда течет ток, энергия передается. Поскольку атомы не могут двигаться легко, электроны должны двигаться.

Вы можете увидеть это и в единице измерения тока Ампер: 1 Ампер равен 1 Кулону в секунду. Кулон (Кл) — это единица заряда (Q). 1 ампер означает, что заряд 1 кулон проходит через определенную точку за 1 секунду. Этот заряд производится электронами, которые на самом деле перетекают от объекта один к объекту два.

Когда мы говорим о постоянном токе (например, обычное приложение с питанием от батареи), эти электроны не вернутся к своему источнику. Рассмотрим эту схему:

Вначале существует разница в заряде между отрицательным и положительным полюсом: отрицательный полюс имеет избыток электронов. Это создает силу (напряжение), и поскольку между двумя полюсами (проводом и лампочкой) есть связь, электроны начинают течь. Электроны движутся от отрицательного полюса через лампочку к положительному полюсу до тех пор, пока не исчезнет разница в заряде (или она настолько мала, что не вызовет протекания тока).

Теперь вы можете видеть, что эти электроны не вернулись к своему источнику: они начали с отрицательного полюса и закончили с положительным полюсом.

Мы называем это замкнутым путем, потому что это круг: ток начинается с батареи и заканчивается на батарее. Возникает путаница, потому что батарея на самом деле состоит из двух объектов: положительного и отрицательного полюса.

Посмотрите на эту схему (которая в основном такая же, но с конденсатором вместо батареи и резистором вместо лампочки):

Ток течет от правой стороны конденсатора (отрицательно заряженный, избыток электронов) через резистор к левой стороне конденсатора (положительно заряженный, недостаток электронов). Здесь пластины конденсатора разделены, поэтому вы можете легко увидеть, что на самом деле это не замкнутый путь.

Мы просто называем это замкнутым путем, потому что ток начинается и заканчивается на конденсаторе.

Поскольку электронам на самом деле не нужно возвращаться на свою базу, теперь вы можете понять, что электроны также могут течь в землю. Это также то, что происходит с молнией. Электроны текут из облаков на землю (или наоборот, я не знаю), просто чтобы нейтрализовать разницу в заряде.