Зачем электричеству нужны провода, чтобы течь?

Продолжая использовать аналогию с мячом, подумайте о мяче как об аналоге электрона. А что, если бы мяч был прикреплен пружиной к точке? Все равно упадет? Он может колебаться вокруг этой точки, но не сможет полностью избежать сдерживающего действия пружины. То же самое и со связанными электронами. Они более или менее связаны с атомом. Если гравитационное поле очень сильное, оно может сломать пружину и вырвать шарик из пружины. Это иногда случается и с электричеством. При разряде молнии электрическое поле настолько велико, что даже связанные электроны отрываются от атомов, ионизируя газ и создавая так называемую плазму. Имея пул свободных электронов и положительных ионов, электрический ток теперь может свободно течь через плазму — вам не понадобятся провода.$10^6V/m$- такие сильные поля не могут быть созданы бытовыми напряжениями 100-250 В, доступными в большинстве стран) вам придется использовать провода, изготовленные из проводящего материала, в котором легко доступны свободные электроны, если вы хотите иметь электрическую проводимость при нормальных напряжениях.

Если вы определяете «электричество» как носители заряда в движении (что я считаю разумным), то вам нужны свободные носители заряда, поэтому вам нужна какая-то среда, из которой носители заряда могут потеряться.

Среда не обязательно должна быть металлической проволокой, это могут быть газы (как в случае дрейфовых камер), жидкости (скажем, жидкий аргон TPC или батарея с жидким электролитом), плазма (надеюсь, очевидно) или твердые тела.

Атомы, из которых состоит обычный воздух, нелегко ионизируются, и они очень быстро возвращают свои электроны (из-за электростатической силы). В металлах человеческие электроны находятся в «зоне проводимости» или около нее и могут довольно легко потеряться и не рекомбинировать эффективно. Электроны в зоне проводимости металла «свободны» в том смысле, что они могут легко перемещаться внутри проводника, но для их удаления из металла все же требуется энергия (что делает их «свободными» в более общем смысле). Эта энергия является «работой выхода», с которой вы сталкиваетесь при описании фотоэлектрического эффекта.

Потенциальный барьер, вероятно, является самым большим фактором отсутствия потока электричества через разомкнутую цепь.

Чтобы объяснить изоляторы в вашем примере, расширьте метафору, чтобы использовать в качестве среды холодную патоку, а не воду. Если вы готовы ждать достаточно долго, мяч все равно упадет, но это будет мучительно медленно, и вы не получите от этого ощутимой полезной работы.

После обсуждения ответов dmckee и Дэниела, вот мое резюме.

Электрический потенциал в твердом металле не везде равен 0. Это было бы, если бы электроны были локализованы точно там, где находятся ядра ионов, так что электрический потенциал от электронов и ядер точно компенсируется. Однако квантовая механика говорит, что у электронов есть волновая функция, которая «расплывается» (делокализованная). Электрический потенциал, который они создают, несколько шире, чем у ядер. Сумма обоих вкладов для одного атома может выглядеть следующим образом (это очень грубый и, вероятно, нереалистичный взгляд).

Между прочим, это позволяет металлам связываться друг с другом, а электроны создают потенциал для притяжения соседнего ядра.

Если вы суммируете эти потенциалы от многих из этих атомов, расположенных на равном расстоянии друг от друга, вы можете получить следующий потенциал.

Другой пример такого потенциала изображен здесь . В этом потенциале электроны ведут себя как волны и будут отскакивать от каждой поверхности. Поэтому они не так легко покидают металл: им пришлось бы преодолевать потенциальную стенку на поверхности металла. По этой причине электроны продолжают течь по металлическим проводам.

Обратите внимание, что если у вас есть избыток электронов, они будут отталкивать друг друга, пока не окажутся на поверхности металла, поэтому на поверхности проводников остается лишний заряд.

Когда вы спросите: «Почему электроны просто не «двигаются» как мячик? Почему электроны просто не «двигаются» по воздуху к положительной клемме». Я думаю, вы должны иметь в виду, что шар состоит из нейтральных атомов, которые сами состоят из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Электроны притягиваются к положительному полюсу, а протоны отталкиваются в равной степени. Поэтому мяч в целом не движется. Это отвечает на одну часть вашего вопроса. Тогда вы можете спросить, почему электроны сами по себе не движутся к положительному выводу? И ответ заключается в том, что они могут, если напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть притяжение электронов к протонам, к которым они присоединены в шаре. Хорошим примером этого является молния, а также статический разряд.

Электроны текут без проволоки. Именно это и происходит в электронно-лучевой трубке. Так почему же электроны не перетекают из одного проводника в другой через вакуум или воздух, если есть разность потенциалов? Для выхода электрона из металла требуется минимальная энергия в несколько эВ, известная как работа выхода. В электронно-лучевой трубке эта энергия минимизируется за счет выбора материала с низкой работой выхода и нагрева анода.

Попробуйте поискать зоны проводимости и валентные зоны . Теория объясняет с точки зрения энергий, почему течет электричество.

Это не шары, потому что электроны связаны потенциальными ямами, из которых они должны выбраться, чтобы течь.

Ответы, опубликованные ЦРУ и dmckee, великолепны, и они правильно указывают на то, что учебники обычно размахивают руками о том, почему электроны не могут легко покинуть поверхность проводников, но я бы добавил, что электроны на самом деле могут перемещаться по воздуху, даже если электрический ток поле недостаточно сильное, чтобы ионизировать воздух и образовать плазму. Любой, кто пробовал проводить количественные эксперименты по электростатике, знает это: поместите статический заряд на открытый проводник и посмотрите, как долго он останется там. Это зависит от материала, но обычно это не так долго, особенно во влажный день. Обычно вам нужно держать блок питания подключенным, если вы хотите поддерживать постоянный заряд.

Кроме того, если оставить батарею на полке достаточно долго, вы обнаружите, что она разряжена. Это похоже на то, что ионы дрейфуют, а не электроны, и движение происходит через внутреннюю изолирующую среду батареи, а не через воздух.

«Если вы определяете «электричество» как носители заряда в движении (что я считаю разумным), то вам нужны свободные носители заряда». Эта логика @dmckee кажется несколько ограничительной, поскольку она неприменима без оговорок к переменному току, который, вероятно, Самый распространенный вид электричества. Вы можете использовать связанные заряды для переменного тока. Например, через конденсаторы может протекать переменный ток. ОП спрашивает: «Почему электричество не течет без хорошего проводника?» Я бы сказал, что это происходит, например, в круглых диэлектрических волноводах , которые представляют собой просто диэлектрические стержни. Волоконная оптика является крайним примером таких явлений, и я не думаю, что можно оспаривать наличие в волоконной оптике «движущихся носителей заряда».

Кратко: поток электричества действительно легко происходит в катодных лучах в знаменитых электронных лампах, космические лучи хорошо текут в космическом пространстве, а ионы легко текут в ионных растворах. Так что провода не нужны. Проблема состоит в том, чтобы получить заряды в вашем пространстве или воздухе, поскольку электроны предпочитают оставаться внутри материала или металла, поскольку они притягиваются к положительным ионам решетки. Дайте им достаточно энергии, чтобы выйти (работа выхода фотоэлектрического эффекта), и тогда они легко ускорятся и потекут в любом электрическом поле или разности потенциалов. Существует энергетический барьер, чтобы вывести их. Даже заряженный металлический шар не сбрасывает свой избыточный заряд в вакууме, если только заряд не настолько высок, чтобы создать большое поверхностное поле, выталкивающее электроны из металла. Тепло или ультрафиолетовый свет могут помочь высвободить электроны.