Elektronlar neden güç kaynağının etkisi altında açık bir devrede iletkenden dışarı itilmiyor?

Sık sık, elektrik akımı su akışı ile karşılaştırılır. Örneğin, bir su tankında bir delik açarsam, su, tank basıncı eşit oluncaya veya tank boşalıncaya kadar akacaktır. Bu neden elektrikle olmuyor?

Bunun gibi görünmek için açık bir devre hayal ediyorsunuz:

Daha iyi bir benzetme şöyle olurdu:

Bir devredeki borular suyun akması için boş alanlarla çevrili değildir - bir kayaya tünellenirler. Borunun olmadığı yerde, sadece kaya var ve su akmıyor.

Su analojisi çok sınırlıdır ve elektronların telde hareket etme şeklini modellemez . Her zaman büyük özenle kullanılmalıdır.

Elektronlar atomdan atoma atlayarak çok yavaş (yaklaşık 1m / saat) sürüklenir. Akım tam bir devrede anında akıyor gibi görünüyor ancak tamamlanmamış bir devrede akmıyor (elektronları hareket ettirecek elektrik alanı yok).

Bir telin içinde iletkenlik yüksektir (rastgele ses veren çok sayıda 'serbest' elektron) ve küçük bir elektrik alanı (telin her bir ucundaki voltaj farkı) bir akım üretebilir. Telin dışında iletkenlik çok düşüktür ve bir elektronun telin yüzeyini terk etmesi durumunda teldeki pozitif yüklü metal iyonlarının çekiciliğinin üstesinden gelmek için elektrik alanı yoktur.

Diğer taraftan su (moleküller) borunun ucundan dışarı akacaktır çünkü suyu açık uçta (hava basıncı nedeniyle) iten kuvvet, suyu sistemden dışarı iten kuvvetten daha azdır (hava basıncı + yerçekimi + pompa?).

Su kaçabilir çünkü borunun içi ve dışı esas olarak aynı ortamdır ve moleküller basınç (hava ve pompa) ve yerçekimi (borunun içinde) ve yerçekimi (borunun dışında) tarafından etkilenir.

Elektronların kablodan kaçması mümkün mü?

Evet.

Elektronların 'metal kaplarından' kaçmaları için, onları metal iyonlarına bağlayan bağları kırmak için yeterli enerji bulunmalıdır. Bu, yüksek enerjili fotonlarla (foto elektrik etkisi ve çalışma işlevine bakın) veya metalin ısıtılmasıyla (termiyonik emisyon) yapılabilir. Tabi bu havada yapılırsa elektronlar absorbe edilmeden önce çok uzağa gidemezler, bu nedenle vakumda yapılması gerekir.

Elektrik alanı çok yüksekse (yüklü bulutlarda olduğu gibi) ortaya çıkan kıvılcım yıldırım şeklindedir.

Bir su tankında bir delik açmak, böylece suyun kaçabileceği, elektronikteki kısa devre ile aynıdır. Bir su borusunun tıkanması, bağlantıyı açık devre yapmakla aynıdır.

Unutmayın, su deposu bir "su akış yalıtıcısı" dır ve tıkalı bir boru ile aynıdır.

Hepsi basınç eşitleme meselesi.

Su ile suyun dengeleme basıncı değil, su üzerindeki atmosferik basınçtır. Hava, suyu aşağı doğru iter ve iç ve dış basınçlar eşitlenene kadar onu delikten dışarı iter.

Bir pilin iki kutbu arasına bir kablo bağlayın ve iki kutup arasındaki basınç eşitleyebilir.

Tankın deliğine bir tıkaç takın ve su artık akamaz - iç ve dış arasındaki basınç farkı artık sabittir. Bir pilin iki kutbu arasına çok yüksek bir direnç ekleyin ve akım artık akamaz (veya çok yavaş akar - tapa damlayabilir). Direnç ne kadar yüksek olursa akış o kadar yavaş olur.

Hava (Vikipedi'ye göre) yaklaşık tipik bir dirence sahiptir.$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

Su ve elektrik aynı şekilde çalışmıyor. Bazen borulardaki su, kablolardaki akımın analojisi olarak kullanılır, ancak söz konusu olan analoji bozulur.

Aslında, benzetme, havanın elektrik iletmediğini hatırlarsanız, ancak havanın kolayca su akışını ilettiğini hatırlarsanız geçerlidir. Su akışının analojisini daha doğru yapmak için, bazı katı malzemelerden yapılacak boruların iç kısımları dışındaki her şeyi düşünmeniz gerekir. Mesela, havadaki herşeyin, örneğin biraz sert kauçuk olduğunu hayal edin. Açık uçlu bir borudan su akmaz çünkü hiçbir yere gidemez.

Enerji seviyeleri

Bu etki genellikle enerji seviyeleri kavramı ile açıklanmaktadır . Malzemeler üç gruba ayrılır: yalıtkanlar, iletkenler ve yarı iletkenler.

İletkenler için ...

Enerji seviyeleri (atomik) açısından, iletkenler için değerlik bandı ile iletim bandı arasında enerji boşluğu yoktur. . Sonra, çok az enerji ile, elektronlar harekete geçirilebilir.

İzolatörler için ....

İzolatör için, değerlik ve iletken bantlar arasındaki enerji farkı çok daha büyüktür, bu, iletken banttaki bir elektronun yerini bulmak için çok fazla enerjinin gerekli olduğu anlamına gelir.

Sonra açık bir devrede ...

Açık bir devrede, iletkeni çevreleyen yalıtım, bunlardan çok daha yüksek bir enerji seviyesine sahiptir. Normal koşullar altında, yalıtılmış iletkenden gelen elektronlar, yalıtkanın iletken bandına ulaşmak için yeterli enerjiye sahip değildir.

Fakat...

Bununla birlikte, iletkene uygulanan enerji önemli ölçüde arttırılırsa, yalıtım malzemesine bir sıçrama sağlayabilir; bu etki elektriksel deşarj veya dielektrik rüptürüdür.

Elektronlar, o metalin işleyiş fonksiyonu nedeniyle bir metalde tutulur. İş işlevi, metaldeki elektron enerjisinin serbest uzayda enerjisinin bir ölçüsüdür. (veya vakumda .. havanın varlığı sadece ek bir komplikasyondur.) Bir metaldeki elektronlar her zaman vakum durumundan daha düşük bir enerji durumundadır. Metale yeterince güçlü bir elektrik alanı uygulanırsa, elektronlar çalışma işlevini yerine getirebilir ve metali bırakabilir. (bir vakum tüpü katotunu düşünün.) Su benzetmesi oldukça kolaydır. Su bir kova veya uzun kenarları olan bir diptedir. (Ama sadece gerçek elektronları düşünmek daha iyidir.)

Belirli bir bölgedeki elektronların sayısı ile o bölgedeki protonların sayısı arasındaki herhangi bir fark, sayıları eşitlemek için gerektiğinde yakındaki elektronların çekilmesine veya itilmesine neden olacaktır. Elektronların bir bölge bırakmak istemesinin tek nedeni, bölgede elektron sayısına göre çok fazla elektron bulunması ya da yakındaki bir bölgede elektron kıtlığı (protonlara göre) bulunması olabilir. Bir "mükemmel" bir amp güç kaynağı, her saniye bir terminalden diğerine bir elektron (bu oldukça büyük bir kova yükü) elektrotunu hareket ettirir. Eğer elektronlar bu elektronları beslemeden alan terminalden çıkmazlarsa, elektronlar o kadar kalabalıklaşmayacak kadar uzun sürmez ki, bu, bulundukları yer anlamına gelse bile gitmeye başlayacaklar. yeniden gitmek biraz kalabalık olacaktı (çünkü gittikleri yerden daha az kalabalık olacaktı). Benzer şekilde, herhangi bir terminal elektriğin alındığı terminale girmezse, elektron kıtlığı, yakındaki bir elektron kıtlığına neden olacak olsa bile yakındaki herhangi bir yerden elektronları tutmaya başlamasına neden olacak kadar hızlı bir şekilde şiddetlenecektir. elektronları tutan terminalden daha az cüretkar).

Elektronlar bir terminalden ayrılıp diğerine girdiğinde, bu terminallerin elektronları dışarı atması veya alması gereken aciliyeti azaltır. Göreceli olarak, esasen dayanılmaz bir kuvveti oluşturmak için şaşırtıcı bir küçük artı veya elektron kıtlığı aldığına dikkat edin. Bir iletkendeki elektronların kütlesi sıkıştırılamaz olarak görülemez, ancak çok yakındır. Çok kaba göreceli olarak, tipik bir malzemenin bir yüzme havuzunun elektronu değerinde olması durumunda, ciddi bir kıtlık ve aşırı kalabalıklaşma arasındaki fark bir düşüşten daha az olacaktır.

Hayal et:

Elektrik için boru kendini iyileştirir. Duvar kalınlığı, en yakın diğer iletkene olan mesafedir. Havayı tel gibi sert bir boru duvarından geçirmeyi düşünmek biraz garip gelebilir, ancak fiziğin bu bölümünü görmezden gelirseniz, analoji işe yarıyor.

Eğer "duvar" basıncı tutamayacak kadar ince ise, ark olarak adlandırdığımız yumruklar. Bu, 12V ile güçlendirildiğinde dahili olarak yaylanan 5V yonga gibi çok küçük ölçeklerde de çalışır.