Постоянный ток в цепи?

8

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Батарея качает электроны, создавая электрическое поле и преобразовывая электрическую потенциальную энергию в кинетическую. Вблизи положительного конца электроны имеют больше кинетической энергии, поэтому ток не должен быть выше?

Аналогия может прояснить мой вопрос: если вы уроните шар из здания, он ускорится, когда достигнет земли, потому что больше потенциальной энергии было преобразовано в кинетическую энергию. Точно так же, не должны ли электроны двигаться быстрее, когда они приближаются к положительному концу, поскольку у них больше кинетической энергии? И, следовательно, разве ток не должен быть выше?

electromagnetism physics

— DFG
источник

1

Ваша аналогия полностью отклонена. Реальность больше похожа на колыбель Ньютона. По вашей аналогии, есть только 1 молекула (шарик). В действительности, как только вы уроните электрон, он просто столкнется с другим электроном.

— hassan789

5

В электрических цепях скорость в значительной степени равна току (кулон / сек). Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости (1/2 * m * v ^ 2), это означает, что если у вас есть постоянный ток, у вас есть в среднем постоянная кинетическая энергия.

Следовательно, поскольку весь провод заполнен электронами (практически без зазоров); все электроны должны иметь одинаковую скорость (одинаковый ток), и поэтому кинетическая энергия везде одинакова.

Аналогия, где молекулы воды = электроны. Вы можете видеть, что молекулы в начале накачки не имеют большей скорости (тока). введите описание изображения здесь

Еще одна более слабая аналогия - поезд. Представьте себе двигатель (аккумулятор) как механизм, который прикладывает силу (напряжение / эдс) к остальным тележкам (электронам). Все тележки в поезде будут иметь одинаковую скорость.

— hassan789
источник

1

Кинетическая энергия не пропорциональна скорости. Импульс пропорционален скорости (при условии, что ньютоновская - нерелятивистская механика играет роль)

— Спехро Пефхани,

Это пропорционально

v^{2}

$v^2$ , не

v

$v$ , В приведенном мной примере разница составляет примерно 8 порядков, и важно понять, почему кинетическая энергия электронов оказывает незначительное влияние.

— Спехро Пефхани

извините, вы правы, V ^ 2. Однако, если предположить, что V является постоянным, то же самое относится и к KE.

— hassan789

3

Здесь есть несколько хороших, теоретически обоснованных ответов. Позвольте мне попытаться объяснить с другой точки зрения:

Я склонен не думать об электронах, протекающих по проводам, поскольку это означает, что их масса и импульс являются причиной передачи энергии. Вы часто слышите, что вам нужно представить себе трубу для пинг-понга. Но это тоже может вводить в заблуждение! Вместо этого представьте трубу диаметром 8 футов, заполненную песком. Вы заставляете немного песка на одном конце, а некоторые выходят на другом конце, но скорость, масса и импульс не играют в этом особой роли.

Передача энергии происходит из-за волнового фронта возбужденных электронов, проталкивающих (через электрические поля) все остальные электроны вокруг них. Не из-за массы электрона, дающей ньютоновский импульс. Фактический дрейф электронов в медном проводнике толщиной 1 мм составляет порядка одного миллиметра в секунду!

Фактически, это одно из больших мест, где нарушается аналогия с водой. Там нет электрического импульса в зависимости от массы! (Это сильное и не совсем правильное утверждение, но оно хорошо вам послужит)

Если вы хотите «добавить» импульс в вашу схему, вы будете использовать индуктор. Это делает водную аналогию полезной снова :)

Там отличный пример этого аналога. Проверьте этот Youtube Насоса поршня: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . Это аккуратная, старая технология, которую многие люди никогда не видели. Оказывается, он точно такой же, как буст-конвертер! Если вы еще не видели буст-конвертеры, вы скоро увидите. Они повсеместно используются в электрических цепях.

Барабанный насос работает на основе импульса. Чтобы заставить его работать в электронике, вы используете индуктор для передачи аналогового импульса! Это круто! Используйте диод для одностороннего клапана и конденсатор для камеры давления.

Вы отправляетесь в веселое приключение, всю эту инженерную / физическую вещь :)

Удачи.

— bitsmack
источник

2

Почему постоянная сила тока везде?

Ну, на самом деле это не так. Вот что отсутствует в вашей аналогии: если разница в гравитационном потенциале от верха до низа здания аналогична разнице в электрическом потенциале (напряжении) батареи, а шар представляет собой электрический заряд (скажем, электрон) то, что вам не хватает, это все остальные заряды в проводе.

Все проводники полны подвижного электрического заряда, как труба, наполненная водой. Если вы поместите заряд в один конец, вы создадите более высокое «давление» на этом конце. Затем волна силы распространяется через жидкость с конечным результатом выравнивания давления везде. В воде эти волны движутся со скоростью звука. В проводе они движутся со скоростью света. ¹

Поскольку эти волны будут в конечном итоге распространяться по всей цепи, если напряжение вашей батареи не меняется, в конечном итоге оно достигнет равновесия и ток будет одинаковым везде. Когда размер цепи мал, свет настолько быстр, что вполне разумно предположить, что эти волны распространяются «мгновенно», и поэтому ток в контуре одинаков.

Если это не так, и время, необходимое для распространения изменений, становится значительным, схема, скорее всего, будет смоделирована с помощью линии передачи, и вы, вероятно, вступаете в дисциплину РЧ-проектирования .

Вы, вероятно, также не должны думать об электронах, движущихся от отрицательного конца к положительному концу. Вы будете путать себя, потому что все будет наоборот (потому что электроны имеют отрицательный заряд), и вы также забудете о примерно половине заряда во вселенной: протоны и другие положительные заряды. Редко имеет отношение движение отдельных электронов, и во многих цепях (и, конечно, в любой цепи с батареей) электроны не являются единственными носителями заряда. Обычно мы заботимся о силах, передаваемых носителями заряда, а не носителями заряда. Видеть:

В вашем конкретном случае, когда батарея впервые подключена, электроны притягиваются к положительной клемме и отталкиваются от отрицательной клеммы. Ток начинает течь в обоих клеммах батареи, а затем волна силы распространяется по проводу, пока ток не течет повсюду, и цепь не достигнет равновесия.

Вы также, вероятно, найдете это поучительное: как ток узнает, сколько течет, прежде чем увидеть резистор?

^{1: скорость света в отдельных материалах отличается, так же как и скорость звука. Видите фактор скорости и очень крутое черенковское излучение , что-то вроде светового аналога звукового удара.}

— Фил Фрост
источник

1

Кинетическая энергия от дрейфа электронов минимальна. Мы можем видеть эффект этого в сверхпроводящих цепях, и на частотах, приближающихся к дневному свету, где это проявляется как своего рода индуктивность , но это не существенно в обычных цепях.

Электроны в проводе дрейфуют очень медленно, метров в час. Это представляет существенный поток, потому что их много.

Напомним, что ток - это поток заряда (квантованный на столько заряда на электрон) за единицу времени, который не имеет ничего общего с кинетической энергией, только сколько электронов проходит данный «делитель» в секунду.

— Спехро Пефхани
источник

1

Хороший способ визуализации дрейфа электронов состоит в том, чтобы полностью плотно упаковать трубку большого диаметра шариками для пинг-понга сверху вниз. Упаковать ее плотно, пока шарики не встанут вплотную к краям. Если вы нажмете еще один шар на одном конце, один шар выйдет на другом конце. Это дрейф электронов! Трубка, наполненная шариками для пинг-понга, подобна проволоке, полной электронов. Если в один конец положить мяч, то выйдет другой. Несмотря на то, что шарик двигался только на 40 мм (диаметр мяча для пинг-понга), работа была проделана на другом конце трубы (проволоке)

— Брайан Онн

некоторые (не все) рассуждения неверны. Например, ток на самом деле напрямую связан с энергией.

— hassan789

0

Электроны, движущиеся в проводе, не похожи на падающие шарики.

Когда вы отбрасываете шар из здания, он не сильно его останавливает, пока не упадет на землю. На пути есть только воздух, который оказывает очень небольшое влияние на мяч по сравнению с условиями, которые можно представить в этом мысленном эксперименте.

Электрические цепи не такие. Масса электронов по сравнению с массой всего остального (протонов, нейтронов) в проводе очень мала. Но что еще более важно, провод заполнен электронов. Вы не можете «уронить» электрон: он просто ударит другие электроны. Не думай о шаре: думай о море мячей. Отдельные шары на самом деле не так актуальны: обычно нам важно то, как мы можем использовать эту невидимую «жидкость» для выполнения работы.

Кстати, нарисованная вами схема не может существовать. На схеме линии представляют идеальные «провода», которые являются бесконечно проводящими, что означает, что напряжение в них везде одинаково. Есть много способов объяснить это, но вот один: принять закон Ома:

В знак равно я р

$V = IR$

Наш «бесконечно проводящий» идеальный провод означает «нулевое сопротивление». Так:

В знак равно я \cdot 0 Ω

$V = I \cdot 0 \Omega$

Может напряжение ( $V$ ) быть чем-нибудь кроме нуля вольт?

Аккумуляторная батарея в идеале поддерживает постоянное напряжение 9 В между клеммами. Если мы называем потенциал на положительном терминале $V_+$ и потенциал на отрицательном терминале $V_-$ затем батарея вводит ограничение:

В_{+} - В_{-} знак равно 9 В

$V_+ - V_- = 9\mathrm V$

Схематический провод, соединяющий клеммы батареи, также разделяет те же клеммы батареи, и, как указано выше, напряжение на этом проводе должно быть 0 В по определению. Итак, у нас есть эта система уравнений:

{\begin{cases} В_{+} - В_{-} знак равно 9 В \\ В_{+} - В_{-} знак равно я \cdot 0 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 0\Omega \end{cases}$

Есть ли решение этой системы уравнений? Нет. Эта схема не может существовать.

Если вы попытаетесь построить эту цепь с реальным проводом, этот провод будет иметь небольшое сопротивление. Скажем так $1\Omega$ , Большинство коротких проводов будет меньше, но это облегчит математику. Теперь уравнения:

{\begin{cases} В_{+} - В_{-} знак равно 9 В \\ В_{+} - В_{-} знак равно я \cdot 1 Ω \end{cases}

$\begin{cases} V_+ - V_- = 9\mathrm V \\ V_+ - V_- = I \cdot 1\Omega \end{cases}$

Теперь понятно, что ток будет 9А.

Это должно сделать ваш мысленный эксперимент более понятным: в любой реальной цепи должно быть некоторое сопротивление ¹ между клеммами батареи. Если вы хотите провести аналогию с более знакомыми физическими явлениями, сопротивление похоже на трение, которое действует на электрический заряд. Вот куда уходит энергия от перемещения заряда от высокого потенциала (положительный вывод) к более низкому потенциалу (отрицательный вывод): она преобразуется в тепло в резисторе.

^{1: сверхпроводники не имеют сопротивления, но имеют индуктивность. При условии, что батарея может продолжать подавать энергию, нет предела тому, насколько высоким может стать ток, но ток растет с конечной скоростью, поэтому для бесконечного тока потребуется бесконечный источник энергии.}

— Фил Фрост
источник

Спасибо, но вы не ответили на мой вопрос! Ваш ответ дал понять, что цепь не может существовать и что электроны похожи на жидкость, но вы на самом деле не ответили на мой вопрос. Почему «жидкость» не ускоряется?

— DFG

@dfg Я попробую другой подход в другом ответе. Будьте готовы ...

— Фил Фрост