Почему электроны не выталкиваются из проводника при разомкнутой цепи под воздействием источника питания?

Часто электрический ток сравнивают с потоком воды. Например, если я сделаю отверстие в резервуаре для воды, вода будет течь до тех пор, пока давление в резервуаре не станет равным атмосферному или резервуар не опустеет. Почему этого не происходит с электричеством?

Вы представляете разомкнутую цепь, чтобы выглядеть так:

Лучшая аналогия была бы такой:

Трубы в кругообороте не окружены свободным пространством для потока воды - они туннелированы через скалу. Там, где нет трубы, там просто камень и вода не течет.

Водная аналогия очень ограничена и не моделирует движение электронов в проводе. Всегда следует использовать с большой осторожностью.

Электроны дрейфуют очень медленно (около 1 м / час), перепрыгивая с атома на атом. Кажется, что ток течет мгновенно в полной цепи, но не течет в неполной цепи (нет электрического поля для перемещения электронов).

Внутри провода проводимость высока (много «свободных» электронов гудит случайно), и небольшое электрическое поле (разность напряжений на каждом конце провода) может генерировать ток. За пределами провода проводимость очень низкая, и нет электрического поля, которое могло бы преодолеть притяжение положительно заряженных ионов металла в проводе, если электрон покинул поверхность провода.

Вода (молекулы), с другой стороны, будет просто вытекать из конца трубы, потому что сила, толкающая воду на открытом конце (из-за давления воздуха), меньше, чем сила, выталкивающая воду из системы (давление воздуха) + гравитация + насос?).

Вода может вытекать, потому что внутри и снаружи трубы, по сути, одна и та же среда, и на молекулы воздействуют давление (воздух и насос), а также сила тяжести (внутри трубы) и сила тяжести (вне трубы).

Возможно ли, что электроны покинут провод?

Да.

Чтобы электроны могли покинуть свой «металлический контейнер», должно быть достаточно энергии, чтобы разорвать связи, которые связывают их с ионами металла. Это можно сделать с помощью фотонов высокой энергии (см. Фотоэлектрический эффект и работу выхода) или нагрева металла (термоэлектронная эмиссия). Конечно, если это делается на воздухе, электроны не могут продвинуться очень далеко, прежде чем будут поглощены, поэтому это нужно сделать в вакууме.

Если электрическое поле очень велико (как в заряженных облаках), в результате возникает искра молнии.

Проделать отверстие в резервуаре для воды, чтобы вода могла вытечь, - то же самое, что короткое замыкание в электронике. Блокировка водопровода аналогична разомкнутому контуру соединения.

Помните, что резервуар для воды является «изолятором потока воды» и аналогичен заблокированной трубе.

Это все вопрос выравнивания давления.

С водой выравнивается не давление воды, а атмосферное давление, действующее на воду. Воздух давит на воду и выталкивает ее из отверстия до тех пор, пока внутреннее и внешнее давление не выровняются.

Подключите провод между двумя полюсами батареи, и давление между двумя полюсами может выровняться.

Вставьте пробку в отверстие резервуара, и вода больше не сможет течь - разница давления между внутренней и внешней частью теперь исправлена. Добавьте очень высокое сопротивление между двумя полюсами батареи, и ток больше не будет течь (или течет очень медленно - у пробки есть капелька). Чем выше сопротивление, тем медленнее поток.

$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

Вода и электричество не работают одинаково. Иногда вода в трубах используется в качестве аналогии для тока в проводах, но эта аналогия нарушается в случае, о котором вы спрашиваете.

На самом деле аналогия остается в силе, если вы помните, что воздух не проводит электричество, но воздух легко проводит поток воды. Чтобы сделать аналогию с потоком воды более точной, вы должны представить, что все, кроме внутренней части труб, должно быть сделано из какого-то твердого материала. Например, представьте, что все, что представляет собой воздух, на самом деле представляет собой твердую резину. Вода не будет вытекать из трубы с открытым концом, потому что она никуда не пойдет.

Уровни энергии

Этот эффект обычно объясняется концепцией энергетических уровней . Материалы делятся на три группы: изоляторы, проводники и полупроводники.

Для проводников ...

С точки зрения энергетических уровней (атомных), для проводников не существует энергетической щели между валентной зоной и зоной проводимости . Тогда, с очень маленькой энергией, электроны могут быть приведены в движение.

Для изоляторов ....

Для изолятора энергетическая щель между валентной зоной и зоной проводимости намного больше, что означает, что для локализации электрона в зоне проводимости требуется много энергии.

Тогда в разомкнутой цепи ...

В разомкнутой цепи изоляция, окружающая проводник, имеет намного более высокий уровень энергии, чем эта. В нормальных условиях электроны из изолированного проводника не имеют достаточно энергии, чтобы достичь зоны проводимости изолятора.

Но...

Однако, если энергия, приложенная к проводнику, значительно увеличивается, это может привести к скачку на изолирующий материал; этот эффект - электрический разряд или разрыв диэлектрика.

Электроны попали в металл из-за работы выхода этого металла. Работа работы является мерой энергии электрона в металле к его энергии в свободном пространстве. (или в вакууме ... присутствие воздуха является лишь дополнительным осложнением.) Электроны в металле всегда находятся в состоянии с более низкой энергией, чем состояние вакуума. Если к металлу приложить достаточно сильное электрическое поле, электроны могут преодолеть работу выхода и покинуть металл. (подумайте о ламповом катоде.) Водная аналогия довольно проста. Вода в ведре или корыте с высокими бортами. (Но лучше просто подумать о реальных электронах.)

Любая разница между количеством электронов в конкретной области и количеством протонов в этой области приведет к тому, что соседние электроны будут притягиваться или отталкиваться по мере необходимости для выравнивания чисел. Единственные причины, по которым электроны захотят покинуть область, заключаются либо в том, что в области слишком много электронов по сравнению с количеством электронов, либо в том, что в соседней области наблюдается недостаток электронов (по сравнению с протонами). «Идеальный» источник питания на один усилитель будет перемещать один кулон электронов (это довольно большая нагрузка) с одного терминала на другой каждую секунду. Если никакие электроны не покинут терминал, который получает все эти электроны от источника питания, то вскоре электроны будут настолько переполнены, что начнут уходить, даже если это будет означать место, в котором они находятся. переезд будет несколько переполнен (так как он будет менее переполнен, чем место, которое они покидают). Аналогично, если никакие терминалы не входят в терминал, из которого источник берет электроны, его нехватка электронов быстро станет достаточно серьезной, чтобы заставить его начать захват электронов из чего-либо поблизости, даже если это вызвало бы дефицит электронов поблизости (так как это было бы менее страшный, чем у терминала, который захватывает электроны).

Поскольку электроны покидают один терминал и входят в другой, это уменьшит срочность, с которой эти терминалы должны будут выгнать или приобрести электроны. Обратите внимание, что в относительном выражении требуется поразительно небольшой избыток или нехватка электронов для создания по существу непреодолимой силы. Масса электронов в проводнике не может рассматриваться как несжимаемая, но она очень близка. В очень грубых относительных показателях, если бы типичный материал имел ценность электронов для плавательного бассейна, разница между серьезным дефицитом и серьезной перенаселенностью была бы меньше, чем капля.

Вообразите это:

Для электричества труба заживает сама. Толщина стенки - это расстояние до ближайшего другого проводника. Может показаться странным думать о перемещении вещей через сплошную стенку трубы, как проволока в воздухе, но если вы игнорируете эту часть физики, аналогия работает.

Если «стена» слишком тонкая, чтобы выдерживать давление, она пробивает сквозь нее, которую мы называем дугой. Это работает и в очень малых масштабах, например, внутренняя дуга 5 В при питании от 12 В.