ทำไมอิเล็กตรอนไม่ถูกผลักออกจากตัวนำที่วงจรเปิดภายใต้อิทธิพลของแหล่งพลังงาน

กระแสไฟฟ้ามักถูกเปรียบเทียบกับการไหลของน้ำ ตัวอย่างเช่นถ้าฉันสร้างหลุมในแทงค์น้ำน้ำจะไหลจนแรงดันของถังและบรรยากาศไม่เท่ากันหรือถังว่างเปล่า ทำไมสิ่งนี้ไม่เกิดขึ้นกับกระแสไฟฟ้า?

คุณจินตนาการถึงวงจรเปิดที่มีลักษณะดังนี้:

การเปรียบเทียบที่ดีกว่าจะเป็นเช่นนี้:

ท่อในวงจรไม่ได้ถูกล้อมรอบด้วยพื้นที่ว่างเพื่อให้น้ำไหล - มันจะถูกลอดผ่านหิน ในที่ที่ไม่มีท่อมีเพียงก้อนหินและน้ำไม่ไหล

การเปรียบเทียบน้ำนั้นมี จำกัด มากและไม่ได้เป็นแบบอย่างที่อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในสาย ควรใช้ด้วยความระมัดระวังอย่างยิ่ง

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้ามาก (ประมาณ 1 เมตร / ชั่วโมง) โดยการกระโดดจากอะตอมหนึ่งไปยังอีกอะตอม กระแสดูเหมือนจะไหลอย่างทันทีทันใดในวงจรที่สมบูรณ์แต่จะไม่ไหลในวงจรที่ไม่สมบูรณ์ (ไม่มีสนามไฟฟ้าสำหรับเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอน)

ภายในลวดการนำไฟฟ้ามีค่าสูง (อิเล็กตรอนอิสระจำนวนมากส่งเสียงหึ่งๆเกี่ยวกับการสุ่ม) และสนามไฟฟ้าขนาดเล็ก (ความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายแต่ละด้านของเส้นลวด) สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้ นอกตัวนำนั้นค่าการนำไฟฟ้าต่ำมากและไม่มีสนามไฟฟ้าที่จะเอาชนะแรงดึงดูดของไอออนโลหะที่มีประจุบวกในลวดหากอิเล็กตรอนออกจากพื้นผิวของลวด

น้ำ (โมเลกุล) ในอีกทางหนึ่งจะไหลออกมาจากปลายท่อเพราะแรงดันน้ำในปลายเปิด (เนื่องจากความกดอากาศ) น้อยกว่าแรงที่ดันน้ำออกจากระบบ (ความดันอากาศ) + แรงโน้มถ่วง + ปั๊ม?)

น้ำสามารถหลบหนีได้เนื่องจากภายในและภายนอกของท่อนั้นเป็นสื่อกลางที่เหมือนกันและโมเลกุลจะกระทำโดยความดัน (อากาศและปั๊ม) และแรงโน้มถ่วง (ภายในท่อ) และแรงโน้มถ่วง (นอกท่อ)

เป็นไปได้ไหมที่อิเล็กตรอนจะหลุดออกจากสายไฟ?

ใช่.

เพื่อให้อิเล็กตรอนหลุดออกจาก 'ภาชนะโลหะ' จะต้องมีพลังงานเพียงพอที่จะทำลายพันธะที่ผูกกับไอออนของโลหะ สามารถทำได้ด้วยโฟตอนพลังงานสูง (ดูผลไฟฟ้าโฟโต้และฟังก์ชั่นการทำงาน) หรือความร้อนโลหะ (การปล่อยความร้อน) แน่นอนว่าถ้าทำในอากาศอิเล็กตรอนจะไปได้ไกลมากก่อนที่จะถูกดูดซึมดังนั้นจึงจำเป็นต้องทำในสุญญากาศ

หากสนามไฟฟ้ามีค่าสูงมาก (เช่นเดียวกับในเมฆที่มีประจุ) ประกายไฟที่เกิดขึ้นคือสายฟ้า

การทำหลุมในถังเก็บน้ำเพื่อให้น้ำสามารถหนีออกมาได้เหมือนกับไฟฟ้าลัดวงจร การบล็อกท่อน้ำจะเหมือนกับการเปิดการเชื่อมต่อ

โปรดจำไว้ว่าถังเก็บน้ำเป็น "ฉนวนกันการไหลของน้ำ" และเหมือนกับท่อที่ถูกบล็อก

มันเป็นคำถามของการปรับสมดุลแรงดัน

ด้วยน้ำไม่ใช่แรงดันน้ำที่เท่ากัน แต่แรงดันบรรยากาศกระทำกับน้ำ อากาศดันลงไปในน้ำแล้วดันออกจากรูจนกว่าแรงดันภายในและภายนอกจะเท่ากัน

เชื่อมต่อสายไฟระหว่างขั้วทั้งสองของแบตเตอรี่และความดันระหว่างขั้วทั้งสองนั้นสามารถทำให้เท่ากันได้

ติดบึงในหลุมของถังและน้ำไม่สามารถไหลได้อีกต่อไป - ความแตกต่างของความดันระหว่างภายในและภายนอกได้รับการแก้ไข เพิ่มความต้านทานสูงมากระหว่างสองขั้วของแบตเตอรี่และกระแสไม่สามารถไหลได้อีกต่อไป (หรือไหลช้ามาก - บึงมีหยด) ยิ่งความต้านทานสูงเท่าไหร่การไหลก็จะยิ่งช้าลงเท่านั้น

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

น้ำและไฟฟ้าไม่ทำงานเหมือนกัน บางครั้งน้ำในท่อถูกนำมาใช้เป็นอุปมาอุปมัยสำหรับกระแสในสาย แต่การเปรียบเทียบนั้นจะหยุดลงในกรณีที่คุณถาม

ที่จริงการเปรียบเทียบยังคงใช้ได้ถ้าคุณจำได้ว่าอากาศไม่ได้เป็นกระแสไฟฟ้า แต่อากาศทำให้น้ำไหลได้ง่าย เพื่อให้การไหลของน้ำมีความแม่นยำมากขึ้นคุณจะต้องนึกภาพทุกอย่างยกเว้นท่อภายในที่ทำจากวัสดุแข็ง ลองจินตนาการว่าทุกสิ่งที่อากาศเป็นยางแข็งจริง ๆ ยกตัวอย่างเช่น น้ำจะไม่ไหลออกจากท่อปลายเปิดเพราะไม่สามารถไปได้ทุกที่

ระดับพลังงาน

ผลกระทบนี้มักจะอธิบายโดยแนวคิดระดับพลังงานระดับพลังงานวัสดุถูกแบ่งออกเป็นสามกลุ่ม: ฉนวน, ตัวนำและเซมิคอนดักเตอร์

สำหรับตัวนำ ...

จากมุมมองของระดับพลังงาน (อะตอม) สำหรับตัวนำไม่มีช่องว่างพลังงานระหว่างแถบวาเลนซ์กับวงการนำการนำวงดนตรีจากนั้นด้วยพลังงานที่น้อยมากอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนไหวได้

สำหรับลูกถ้วย ...

สำหรับฉนวนช่องว่างพลังงานระหว่างวาเลนซ์และแถบการนำไฟฟ้ามีขนาดใหญ่กว่าซึ่งหมายความว่าจำเป็นต้องใช้พลังงานจำนวนมากเพื่อค้นหาอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้า

จากนั้นในวงจรเปิด ...

ในวงจรเปิดฉนวนรอบ ๆ ตัวนำนั้นมีพลังงานในระดับที่สูงกว่ามาก ภายใต้สภาวะปกติอิเล็กตรอนจากตัวนำฉนวนไม่มีพลังงานเพียงพอที่จะไปถึงแถบการนำความร้อนของฉนวน

แต่...

อย่างไรก็ตามหากพลังงานที่นำไปใช้กับตัวนำเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญก็สามารถบรรลุการกระโดดไปยังวัสดุฉนวน; ผลกระทบนี้คือการคายประจุไฟฟ้าหรืออิเล็กทริกแตก

อิเล็กตรอนถูกขังอยู่ในโลหะเพราะฟังก์ชั่นการทำงานของโลหะนั้น ฟังก์ชั่นการทำงานคือการวัดพลังงานของอิเล็กตรอนในโลหะให้เป็นพลังงานในพื้นที่ว่าง (หรือในสุญญากาศ .. การมีอยู่ของอากาศเป็นเพียงภาวะแทรกซ้อนที่เพิ่มเข้ามา) อิเล็กตรอนในโลหะมักอยู่ในสถานะพลังงานต่ำกว่าสภาวะสูญญากาศ หากมีสนามไฟฟ้าแรงพอที่จะถูกนำไปใช้กับโลหะอิเล็กตรอนก็จะสามารถทำงานได้และปล่อยให้เป็นโลหะ (คิดเกี่ยวกับแคโทดหลอดสุญญากาศ) การเปรียบเทียบน้ำค่อนข้างง่าย น้ำอยู่ในถังหรือรางที่มีด้านสูง (แต่จะดีกว่าถ้าคิดถึงอิเล็กตรอนที่แท้จริง)

ความแตกต่างระหว่างจำนวนของอิเล็กตรอนในแต่ละพื้นที่และจำนวนของโปรตอนในพื้นที่นั้นจะทำให้อิเล็กตรอนใกล้เคียงถูกดึงดูดหรือถูกขับไล่ตามความจำเป็นเพื่อทำให้เท่ากัน เหตุผลเดียวที่อิเล็กตรอนต้องการออกจากภูมิภาคก็คือมีอิเล็กตรอนจำนวนมากในภูมิภาคเมื่อเทียบกับจำนวนอิเล็กตรอนหรือภูมิภาคใกล้เคียงมีอิเล็กตรอนไม่เพียงพอ (เทียบกับโปรตอน) แหล่งจ่ายไฟแอมป์หนึ่ง "ที่สมบูรณ์แบบ" จะย้ายอิเล็กตรอนหนึ่งคูลอมบ์ (นั่นคือโหลดถังที่ค่อนข้างใหญ่) จากเทอร์มินัลหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งทุกวินาที หากไม่มีอิเล็กตรอนออกจากขั้วซึ่งรับอิเล็กตรอนเหล่านั้นทั้งหมดจากแหล่งจ่ายมันจะไม่นานก่อนที่อิเล็กตรอนจะแน่นเกินไปจนพวกมันจะเริ่มออกแม้ว่ามันจะหมายถึงสถานที่ที่พวกมันอยู่ กำลังจะไปค่อนข้างแออัด (เนื่องจากมันจะแออัดน้อยกว่าสถานที่ที่พวกเขากำลังจะออก) ในทำนองเดียวกันถ้าไม่มีขั้วเข้าสู่ขั้วที่มีการจ่ายอิเล็กตรอนการขาดแคลนอิเล็กตรอนจะกลายเป็นรุนแรงพอที่จะทำให้มันเริ่มจับอิเล็กตรอนจากสิ่งที่อยู่ใกล้เคียงแม้ว่าจะทำให้เกิดการขาดแคลนอิเล็กตรอนในบริเวณใกล้เคียง น่ากลัวน้อยกว่าขั้วที่จับอิเล็กตรอน)

เมื่ออิเล็กตรอนออกจากเทอร์มินัลหนึ่งและเข้าสู่อีกขั้วหนึ่งสิ่งนี้จะลดความเร่งด่วนซึ่งเทอร์มินัลเหล่านั้นจำเป็นต้องขับไล่หรือรับอิเล็กตรอน โปรดทราบว่าในแง่สัมพัทธ์มันจะมีส่วนเกินเล็ก ๆ น้อย ๆ ที่น่าตื่นตาตื่นใจหรือการขาดแคลนอิเล็กตรอนเพื่อสร้างแรงต้านทานที่ไม่อาจต้านทานได้ มวลของอิเล็กตรอนในตัวนำนั้นไม่สามารถถูกมองว่าเป็นการบีบอัดได้ แต่ก็อยู่ใกล้มาก ในแง่ที่ค่อนข้างหยาบหากวัสดุทั่วไปมีค่าอิเลคตรอนของสระว่ายน้ำความแตกต่างระหว่างการขาดแคลนอย่างรุนแรงและความแออัดยัดเยียดรุนแรงจะน้อยกว่าการตกหล่น

ลองนึกภาพสิ่งนี้:

สำหรับไฟฟ้าท่อรักษาตัวเอง ความหนาของผนังคือระยะทางถึงตัวนำอื่นที่ใกล้ที่สุด มันอาจดูแปลกที่คิดว่าการเคลื่อนย้ายสิ่งต่าง ๆ ผ่านผนังท่อแข็งเหมือนลวดผ่านอากาศ แต่ถ้าคุณไม่สนใจส่วนหนึ่งของฟิสิกส์การเปรียบเทียบก็ใช้งานได้

หาก "ผนัง" ผอมเกินกว่าที่จะรับแรงกดได้มันจะเจาะทะลุซึ่งเราเรียกว่าส่วนโค้ง วิธีนี้ใช้งานได้ในระดับขนาดเล็กมากเช่นชิป 5V ที่เกิดขึ้นภายในเมื่อขับเคลื่อนด้วย 12V