Действительно ли электроны текут при подаче напряжения?

В книгах говорится, что цепь - это замкнутый путь, и поэтому электроны возвращаются к источнику. Если это так, что произойдет, если в цепи возникнет замыкание на землю? Как электроны вернутся к своему источнику?

Действительно ли электроны выходят из своих атомов или они просто вибрируют и передают энергию таким образом, когда мы прикладываем напряжение?

Размышления о токе с точки зрения движения электронов - это начало пути к плохой ментальной модели работы электричества. Вот несколько вещей, которые не так с ним:

• Электроны являются лишь одним из многих носителей заряда. Любой ион также является носителем заряда.

• Протоны, которые уравновешивают электроны, так же важны. Если бы у вас были только электроны, то все электроны во вселенной отталкивались бы друг от друга и вылетали бы во вселенную.

• Электроны имеют отрицательный заряд, и вы не будете путать себя без всякой причины, думая о том, как они переходят из отрицательного в положительное. Это на самом деле не имеет значения вообще.

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

Важно то, что носители заряда (электроны являются одним из таких) могут использоваться для передачи электродвижущей силы (обычно называемой просто напряжением). Это довольно обычное понятие, правда. Вы можете толкнуть один конец стержня и передать механическое усилие на другой конец стержня. Стержень двигается, когда ты это делаешь? Ну, может быть, но здесь происходят две вещи:

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

Разница для стержня очевидна, но поскольку мы не видим электрический заряд, разница не очевидна.

Итак, ваш вопрос был: действительно ли электроны текут при подаче 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 тянете? 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 (как электронов) является текущим . Если у нас есть ток, то есть чистое движение носителей заряда. На самом деле они роятся повсюду, так же, как отдельные молекулы воды роятся в трубе, даже если нет чистого потока. Ток описывает среднее движение. В случае постоянного тока среднее движение происходит по кругу.

Как отдельные носители заряда взаимодействуют для достижения этой цели, сложно, и это действительно вопрос физики, а не вопрос электроники. Тем не менее, я бы посоветовал вам проверить этот учебник MIT по полям .

Электроны же физически двигаться , когда прикладывается напряжение - очень медленно .

Цепь под напряжением 100 В постоянного тока, питающая нагрузку 1 А (например, лампочку) через медный провод диаметром 2 мм, будет видеть движение электронов со скоростью:

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

где

• $8.5 \times 10^{22}$
• R - радиус проволоки
• $1.6 \times 10^{-19}$

Это работает до 8,4 см / час . Не совсем быстро.

Ключевым является тот факт, что энергия проходит по цепи практически мгновенно, а не сами электроны. (Электроны образуют удобную «магистраль», позволяющую энергии быстро течь.)

К сожалению, медленный дрейф электронов под напряжением закончился тем же именем, что и поток энергии, который действительно работает в цепи.

Не путайте удобную абстракцию с физической реальностью

• «Цепи» - это абстрактная концепция, призванная помочь нам лучше понять мир.
• электроны являются физическим лицом.

Примечание о «закрытых» путях

Замкнутые цепи не подразумевают возвращение электронов к источнику. Кроме того, электроны, покидающие 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 домино, но домино не слишком много переводит.

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

Так же, как на этой картинке:

Силы передаются через шары, но шары остаются в основном на месте. В отличие от механических шариков, которые уравновешены гравитацией, с электронами в металлических проводах от гальванических элементов (батарей), существует медленный общий дрейф электронов (как автомобили, застрявшие в пробке) к другому концу.

дальнейшее чтение

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

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

Красные круги - это электроны. Как видите, вы не можете сказать, к какому атому принадлежит электрон. Эти электроны образуют связи между атомами - поэтому они принадлежат двум атомам.

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

Вы можете увидеть это в единице Ампер текущего тока: 1 Ампер равняется 1 Кулону в секунду. Кулон (C) - это единица заряда (Q). 1 Ампер означает, что 1 кулон заряда проходит определенную точку за 1 секунду. Этот заряд создается электронами, которые фактически 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:

В начале, есть разница в заряде между отрицательным и положительным полюсом: отрицательный полюс имеет избыток электронов. Это создает силу (напряжение), и, поскольку между двумя полюсами (провод и колба) есть связь, электроны начинают течь. Электроны движутся от отрицательного полюса через колбу к положительному полюсу до тех пор, пока больше не будет разницы в заряде (или это настолько мало, что это не приведет к течению тока).

Теперь вы можете видеть, что эти электроны не вернулись к своему источнику: они начинались на отрицательном полюсе и заканчивались на положительном полюсе.

Мы называем это замкнутым путем, потому что есть круг: ток начинается на батарее и заканчивается на батарее. Существует путаница, потому что батарея фактически 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 лампы):

Ток течет от правой стороны конденсатора (отрицательно заряженный, избыток электронов) через резистор к левой стороне конденсатора (положительно заряженный, нехватка электронов). Здесь пластины конденсатора разделены, так что вы можете легко увидеть, что это на самом деле 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 попадать в землю. Это также то, что происходит с молнией. Электроны текут из облаков на землю (или наоборот, я бы не знал), просто чтобы нейтрализовать разницу в заряде.