Gerilim uygulandığında elektronlar gerçekten akıyor mu?

Kitaplarda bir devrenin kapalı bir yol olduğu ve böylece elektronların kaynağa geri döndüğü söylenir. Durum buysa, bir devrede toprak hatası olduğunda ne olurdu? Elektronlar kaynaklarına nasıl döneceklerdi?

Elektronlar aslında atomlarından dışarı mı çıkarlar yoksa gerilim uygularken sadece titreşir ve enerjiyi bu şekilde mi aktarırlar?

Akımı hareket eden elektronlar açısından düşünmek, elektriğin nasıl çalıştığına dair zayıf bir zihinsel modele giden yolun başlangıcıdır. Burada yanlış olan birkaç şey var:

• Elektronlar birçok yük taşıyıcıdan sadece biridir. Herhangi bir iyon aynı zamanda bir yük taşıyıcıdır.

• Elektronları dengeleyen protonlar da aynı derecede önemlidir. Sadece elektronlarınız olsaydı, o zaman evrendeki tüm elektronlar birbirinden itilir ve evrene ateş ederdi.

• Elektronların negatif yükü vardır ve kendinizi iyi bir nedenden dolayı karıştırmazsınız negatiflerden pozitiflere nasıl aktıklarını düşünmek . Aslında hiç önemli değil.

• Elektronlar her zaman tüm rastgele yönlerde dolaşıyorlar ve akıma göre hareketleri minik.

Önemli olan şudur: Yük taşıyıcılar (bunlardan biri olan elektronlar), elektromotor kuvvet (genellikle sadece voltaj olarak adlandırılır) . Bu oldukça sıradan bir kavram. Bir çubuğun bir ucunu itebilir ve çubuğun diğer ucuna mekanik bir kuvvet iletebilirsiniz. Çubuk hareket ediyor mu, bunu ne zaman yaparsın? Belki, ama burada iki şey oluyor:

1. kuvvet bu malzemedeki ses hızında yayılan dalgalar olarak çubuktan iletilir
2. ve ancak gücü de iletirsek, çubuk çoğu durumda çok daha yavaş bir hızda hareket eder

Bir çubuk için fark açıktır, ancak elektrik yükünü göremediğimiz için fark belirgin değildir.

Yani, sorunuz şuydu: Gerilim uygulandığında elektronlar gerçekten akıyor mu? Açıkçası, cevap belki ve akışla ne demek istediğinize bağlı . Bu soruya benzer , bir ip çektiğinizde hareket ediyor mu?Eğer bir balona bağlıysa çok hareket edebilir. Bir tuğla duvara tutturulmuşsa, hiç hareket etmeyebilir.

Yük taşıyıcıların (elektronlar gibi) hareketi günceldir . Akımımız varsa, yük taşıyıcılarının net bir hareketi vardır. Gerçekten, tek tek su molekülleri, net bir akış olmasa bile, bir boruda etrafta dolaşıyormuş gibi, her yerde sürüyorlar. Akım ortalama hareketi tanımlar. DC akımı durumunda, ortalama hareket daire şeklindedir.

Bireysel yük taşıyıcıların bunu başarmak için nasıl etkileştikleri karmaşıktır ve bu bir elektronik sorusu değil, gerçek bir fizik sorusudur. Ancak, alanlardaki bu MIT eğitimine göz atmanızı öneririm .

Elektronlar yok - bir voltaj uygulandığında fiziksel olarak hareket son derece yavaş .

100VDC'de enerjilenen ve 2mm çaplı bakır telden 1A yüke (ampul gibi) güç veren bir devre, şu hızda hareket eden elektronları görecektir:

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

nerede

• $8.5 \times 10^{22}$ )
• R tel yarıçapıdır
• $1.6 \times 10^{-19}$

Bu saatte 8,4 cm . Tam olarak hızlı değil.

Anahtar olan şey, elektronların kendileri değil, devreden neredeyse anında geçen enerjidir . (Elektronlar, enerjinin hızla akmasını sağlamak için uygun bir 'otoyol' yapar.)

Gerilim altındaki elektronların yavaş kaymasının, aslında bir devrede çalışan enerji akışı ile aynı isimle sonuçlanması talihsiz bir durumdur.

Uygun soyutlamayı fiziksel gerçeklikle karıştırmayın

• "Devreler" dünya hakkında daha iyi bir neden olmamıza yardımcı olmak için tasarlanmış soyut bir kavramdır.
• elektronlar fiziksel bir varlıktır.

"Kapalı" yollar hakkında bir not

Kapalı yol devreleri, kaynağa geri dönen elektronlar anlamına gelmez. Ayrıca, kaynağı terk eden elektronlar nadiren kaynağın diğer kutbuna dönen elektronlarla aynıdır (bkz. Hız açıklaması için @ madmanguruman'ın cevabı).

Mekanik analojiler

Düşen dominolar gibi. Enerji dalgası düşen dominolarda yayılır, ancak dominolar çok fazla tercüme etmez.

Enerjinin elektronun kendisine uygulanan kuvvetin (voltaj) yükü olduğunu unutmayın. Yükler (elektronlar) değil, metal kafes boyunca hareket eden kuvvetler (ezici bir şekilde).

Tıpkı bu resimdeki gibi:

Kuvvetler toplar arasında transfer olur, ancak toplar büyük ölçüde yerinde kalır. Yerçekimi ile dengelenen mekanik bilyalardan farklı olarak, galvanik hücrelerden (piller) gelen metal tellerdeki elektronlarla, elektronların (trafikte sıkışmış arabalar gibi) diğer uca yavaş bir genel kayması vardır.

daha fazla okuma

Benzer bir fizik sorusuna verdiğim bu cevabı düşünebilirsiniz .

Burada metallerden bahsediyoruz. Tipik olarak, bir metal nesnesi moleküllerden oluşmaz. Hepsi bir arada gruplandırılmış metal atomlarından oluşur. Bu aşağıdaki resimde gösterilmiştir:

Kırmızı daireler elektronlardır. Gördüğünüz gibi, bir elektronun 'atomuna' hangi atom olduğunu gerçekten söyleyemezsiniz. Bu elektronlar atomlar arasındaki bağlantıları oluşturur - böylece iki atoma aittirler.

Şimdi, bir akım akmaya başladığında, bu elektronlar gerçekten hareket eder. Bir akım aktığında, enerji aktarılır. Atomlar kolayca hareket edemediği için elektronların hareket etmesi gerekir.

Bunu akım amperi biriminde de görebilirsiniz: 1 amper saniyede 1 Coulomb'a eşittir. Coulomb (C) yük birimidir (Q). 1 Amper, 1 Coulomb yük 1 saniyede belirli bir noktadan geçer. Bu yük, bir nesneden iki nesneye gerçekten akan elektronlar tarafından üretilir.

DC akımı hakkında konuştuğumuzda (örneğin, normal pille çalışan uygulama), bu elektronlar kaynaklarına geri dönmeyecektir. Bu devreyi düşünün:

Başlangıçta, negatif ve pozitif kutup arasında bir fark vardır: negatif kutup fazla elektrona sahiptir. Bu bir kuvvet (voltaj) oluşturur ve iki kutup (tel ve ampul) arasında bir bağlantı olduğu için elektronlar akmaya başlar. Elektronlar, negatif kutuptan ampulün içinden pozitif kutba geçerek, artık hiçbir şarj farkı kalmayıncaya kadar (ya da bir akımın akmasına neden olmayacağı kadar azdır).

Artık bu elektronlar vermedi görebiliriz değil onların kaynağına dönmek: negatif kutupta başladı ve pozitif kutupta erdi.

Buna kapalı bir yol diyoruz çünkü bir daire var: akım bataryadan başlar ve bataryada biter. Akıl karışıklığı var çünkü pil aslında iki nesneden oluşuyor: pozitif ve negatif kutup.

Bu devreye bakın (temel olarak aynıdır, ancak pil yerine kapasitör ve ampul yerine direnç):

Akım, kapasitörün sağ tarafından (negatif yüklü, elektron fazlası) direnç üzerinden kapasitörün sol tarafına (pozitif yüklü, elektron eksikliği) akar. Burada, kapasitör plakaları ayrılır, böylece aslında kapalı bir yol olmadığını kolayca görebilirsiniz.

Biz buna kapalı bir yol diyoruz, çünkü akım kapasitörde başlayıp bitiyor.

Elektronların gerçekten üslerine geri dönmeleri gerekmediğinden, artık elektronların da dünyaya akabileceğini anlayabilirsiniz. Yıldırım ile olan da budur. Elektronlar, sadece sorumlu farkı nötralize etmek için bulutlardan dünyaya akar (veya başka bir şekilde, bilemezdim).