อิเล็กตรอนไหลจริงหรือไม่เมื่อมีการใช้แรงดันไฟฟ้า?

18

มีการกล่าวไว้ในหนังสือว่าวงจรเป็นเส้นทางปิดและทำให้อิเล็กตรอนกลับมาสู่แหล่งกำเนิด หากเป็นเช่นนั้นจะเกิดอะไรขึ้นเมื่อมีข้อผิดพลาดของโลกในวงจร อิเล็กตรอนจะกลับคืนสู่แหล่งกำเนิดได้อย่างไร

อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ออกจากอะตอมจริง ๆ หรือว่าพวกมันแค่สั่นและถ่ายโอนพลังงานแบบนั้นเมื่อเราใช้แรงดันไฟฟ้า?

— Ranjit
แหล่งที่มา

1

ฉันพูดถึงคำตอบของฉันมากขึ้น แต่วงจรเป็นแนวคิดที่เป็นนามธรรม "อิเล็กตรอนกลับมาสู่แหล่งกำเนิด" ในนามธรรมหมายความว่าพวกมันจะต้องถึงศักยภาพอ้างอิง ตัวอย่างเช่นแบตเตอรี่ที่มีสายกราวด์และโลก: ค่าใช้จ่ายโทรศัพท์มือถืออาจถึง Earth หรือแบตเตอรี่ติดลบ แต่เนื่องจากมันมีศักยภาพเท่ากันจึงมีการเชื่อมต่ออย่างมีประสิทธิภาพ

— DrFriedParts

เมื่อมีความผิดปกติของแผ่นดินอิเล็กตรอนจะเคลื่อนที่ผ่านข้อผิดพลาดของโลกผ่านการเชื่อมต่อของโลกกลับไปยังแหล่งกำเนิด หากไม่มีการเชื่อมต่อของโลกก็จะไม่มีกระแสไฟฟ้าแม้แต่กับความผิดพลาดของโลก วงจรที่แยกได้อย่างสมบูรณ์จะปลอดภัยกว่า แต่ก็เป็นอีกคำถามหนึ่ง

— david

ที่เกี่ยวข้อง: electronics.stackexchange.com/questions/233851/…

— สับสนอยู่เสมอ

ที่เกี่ยวข้อง: electronics.stackexchange.com/questions/243060/…

— สับสนตลอด

24

การคิดถึงกระแสไฟฟ้าในแง่ของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ไปรอบ ๆ เป็นจุดเริ่มต้นของเส้นทางไปสู่แบบจำลองทางจิตที่ไม่ดีว่าไฟฟ้าทำงานอย่างไร นี่คือบางสิ่งผิดปกติกับมัน:

อิเล็กตรอนเป็นเพียงหนึ่งในผู้ให้บริการที่มีประจุจำนวนมาก ไอออนใด ๆ ก็เป็นพาหะของประจุ
โปรตอนที่ทำให้สมดุลของอิเล็กตรอนมีความสำคัญ หากคุณมีแค่อิเล็กตรอนอิเล็กตรอนทั้งหมดในจักรวาลก็จะถูกขับไล่จากกันและกันและยิงเข้าสู่จักรวาล
อิเล็กตรอนมีประจุเป็นลบและคุณจะสับสนตัวเองโดยไม่มีเหตุผลที่ดีเลยคิดว่ามันไหลจากลบเป็นบวกได้อย่างไร มันไม่สำคัญเลย
อิเล็กตรอนมีการจับกลุ่มรอบ ๆ ในทุกทิศทางสุ่มตลอดเวลาและการเคลื่อนไหวของพวกเขาเนื่องจากปัจจุบันมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับ

สิ่งสำคัญคือ: ผู้ให้บริการชาร์จ (อิเล็กตรอนเป็นหนึ่งในนั้น) สามารถใช้ในการส่งแรงเคลื่อนไฟฟ้า (มักเรียกว่าแรงดันไฟฟ้า) นี่เป็นแนวคิดที่ธรรมดามาก ๆ คุณสามารถดันปลายด้านหนึ่งของแท่งและส่งกำลังเชิงกลไปยังปลายอีกด้านของแกน ไม้เรียวเคลื่อนที่เมื่อไหร่คุณทำแบบนี้? อาจจะ แต่มีสองสิ่งที่เกิดขึ้นที่นี่:

แรงจะถูกส่งผ่านแท่งโดยที่คลื่นเคลื่อนผ่านด้วยความเร็วของเสียงในวัสดุนั้น
ถ้าหากเราส่งพลังเท่านั้นแท่งก็เคลื่อนที่ด้วยความเร็วที่ช้ากว่ามาก

ความแตกต่างนั้นชัดเจนสำหรับแกน แต่เนื่องจากเราไม่เห็นประจุไฟฟ้าความแตกต่างจึงไม่ชัดเจน

ดังนั้นคำถามของคุณคือ: อิเล็กตรอนไหลจริงหรือไม่เมื่อใช้แรงดันไฟฟ้าหรือไม่? พูดอย่างเคร่งครัดคำตอบคืออาจจะและมันขึ้นอยู่กับสิ่งที่คุณหมายถึงการไหล มันคล้ายกับคำถามเชือกเคลื่อนที่หรือไม่เมื่อคุณดึงมัน? ถ้ามันติดกับบอลลูนมันอาจขยับได้เยอะ ถ้ามันติดกับกำแพงอิฐมันอาจไม่เคลื่อนที่เลย

การเคลื่อนไหวของผู้ให้บริการค่าใช้จ่าย (เช่นอิเล็กตรอน) เป็นปัจจุบัน หากเรามีกระแสไฟฟ้าแสดงว่ามีผู้ให้บริการการเคลื่อนย้ายสุทธิ จริงๆแล้วพวกมันกำลังปีนป่ายมากพอ ๆ กับโมเลกุลของน้ำแต่ละตัวที่อยู่ในท่อแม้ว่าจะไม่มีการไหลของตาข่าย ปัจจุบันอธิบายการเคลื่อนไหวโดยเฉลี่ย ในกรณีของกระแส DC การเคลื่อนที่เฉลี่ยอยู่ในวงกลม

วิธีการที่ผู้ให้บริการแต่ละรายโต้ตอบเพื่อบรรลุเป้าหมายนี้มีความซับซ้อนและเป็นคำถามทางฟิสิกส์ไม่ใช่คำถามอิเล็กทรอนิกส์ อย่างไรก็ตามฉันขอแนะนำให้คุณตรวจสอบบทเรียนการสอนของ MITนี้ในสาขาต่างๆ

— Phil Frost
แหล่งที่มา

แต่ afaik อิเล็กตรอนจำนวนมากจะแยกออกจากกันไม่กอดกันในลูกบอล

— Wouter van Ooijen

@outervanOoijen ใช่ฉันเดาว่าคุณพูดถูก :) ไม่ว่าในกรณีใดมันจะเป็นโลกที่แตกต่างออกไปมาก!

— Phil Frost

90% ของทุกสิ่งที่ฉันอ่านนั้นผิดไปเมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ และอิเล็กตรอนที่หลุดออกมา

— johnny

16

อิเล็กตรอนจะเคลื่อนไหวร่างกายเมื่อแรงดันไฟฟ้าถูกนำมาใช้ - ช้ามาก

วงจรลุ้น 100VDC กำลังโหลด 1A (เช่นหลอดไฟ) ผ่านลวดทองแดงขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง 2 มม. จะเห็นอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ในอัตรา:

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

ที่ไหน

Q คือจำนวนอิเล็กตรอนต่อลูกบาศก์เซนติเมตรของทองแดง (ประมาณ $8.5 \times 10^{22}$ )
R คือรัศมีของเส้นลวด
e คือประจุต่ออิเล็กตรอน (ประมาณ coulombs) $1.6 \times 10^{-19}$

นี้ทำงานออกไป8.4 ซม. ไม่เร็วอย่างแน่นอน

สิ่งสำคัญคือความจริงที่ว่ามันเป็นพลังงานที่วิ่งผ่านวงจรเกือบจะทันที - ไม่ใช่อิเล็กตรอนเอง (อิเล็กตรอนสร้าง 'ทางหลวง' ที่สะดวกเพื่อให้พลังงานไหลได้อย่างรวดเร็ว)

โชคไม่ดีที่การเลื่อนของอิเล็กตรอนช้า ๆ ภายใต้แรงดันไฟฟ้าจบลงด้วยชื่อเดียวกันกับการไหลของพลังงานที่ใช้งานได้จริงในวงจร

— อดัมลอเรนซ์
แหล่งที่มา

P = I E

$P=IE$

I = 0

$I=0$

จริงพอ ในใจคุณใน AC พวกเขาเพียงแค่กระดิกและไม่ได้ไหลเวียนจริงๆ

— Adam Lawrence

Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 เป็นรวมจำนวนอิเล็กตรอนต่อปริมาณของ Cu มีเพียงเศษเสี้ยวของอิเล็กตรอนเหล่านั้นเท่านั้นที่เป็นอิเล็กตรอนอิสระที่มีส่วนร่วมในการนำไฟฟ้า ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ) ดังนั้นสูตรนี้ผิด

— นมเปรี้ยว

@ ขันหมายเลขของคุณผิดคุณไปเอามาจากไหน? > "Q = 8.5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 คือจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดต่อปริมาตร Cu" ไม่จำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมด / cm ^ 3 สำหรับทองแดงคือ 2.46x10 ^ 24 ดังนั้นถ้าแต่ละอะตอมมีเพียงอิเล็กตรอนเคลื่อนที่เพียงหนึ่งตัวไปยังทะเลอิเล็กตรอนของโลหะดังนั้นความหนาแน่นของอิเล็กตรอนอิสระ = 2.46e24 / N โดยที่ N = 29 สำหรับทองแดง สมการข้างต้นถูกต้อง ดู calc เดียวกันนี้ในฟิสิกส์ Halliday / Resnick หรือวิกิพีเดีย, Drift_velocity

— wbeaty

@wbeaty: ใช่คุณพูดถูก (ฉันไม่มี Halliday แต่) ฉันคำนวณใหม่และรับ rho / Mm * Na * 29 = 2.44E24 เป็นจำนวนอิเล็กตรอนทั้งหมดต่อเซนติเมตร ^ 3 (rhens densisty, Mm molar mass, Na = หมายเลขของ AVogadro) ฉันจำการคำนวณของฉันไม่ได้เมื่อ 2 ปีก่อน ...

— Curd

11

อย่าสับสนกับความเป็นนามธรรมที่สะดวก

"วงจร" เป็นแนวคิดนามธรรมที่ออกแบบมาเพื่อช่วยให้เรามีเหตุผลที่ดีกว่าเกี่ยวกับโลก
อิเล็กตรอนเป็นหน่วยงานทางกายภาพ

หมายเหตุเกี่ยวกับเส้นทาง "ปิด"

วงจรเส้นทางที่ปิดไม่ได้หมายความว่าอิเล็กตรอนกลับไปยังแหล่งกำเนิด นอกจากอิเล็กตรอนที่ออกจากแหล่งที่ไม่ค่อยจะมีมากเหมือนกันอิเล็กตรอนตัวที่กลับไปที่ขั้วอื่นของแหล่งกำเนิด (ดูคำตอบของ @ madmanguruman สำหรับคำอธิบายความเร็ว)

การเปรียบเทียบเชิงกล

มันเหมือนแต้มที่ล้มลง คลื่นพลังงานแพร่กระจายผ่านโดมิโนที่ล้มลง แต่โดมิโนไม่แปลมากนัก

โปรดจำไว้ว่าพลังงานคือประจุของอิเล็กตรอนคูณแรงที่ใช้กับมัน (แรงดันไฟฟ้า) มันคือพลังที่เคลื่อนผ่านตะแกรงโลหะไม่ใช่ประจุ (อิเล็กตรอน)

เหมือนในภาพนี้:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

กองกำลังถ่ายโอนข้ามลูกบอล แต่ลูกบอลอยู่ในสถานที่ส่วนใหญ่ ซึ่งแตกต่างจากลูกบอลกลซึ่งมีความสมดุลโดยแรงโน้มถ่วงกับอิเล็กตรอนในสายโลหะจากเซลล์ไฟฟ้า (แบตเตอรี่) มีการเคลื่อนที่ช้าของอิเล็กตรอน (เช่นรถยนต์ที่ติดอยู่ในการจราจร) ไปยังส่วนอื่น ๆ

อ่านเพิ่มเติม

คุณอาจพิจารณาคำตอบนี้ฉันให้กับคำถามฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกัน

— DrFriedParts
แหล่งที่มา

Heh วงจรเป็นวัตถุมาโครทั่วไปในขณะที่อิเล็กตรอนเป็นสัตว์ในทางทฤษฎีที่มีพฤติกรรม QM ที่แข็งแกร่ง แต่ฉันเห็นด้วย: เราสามารถกำจัดสิ่งที่เป็นนามธรรมได้มากโดยใช้วงจรที่สร้างขึ้นจากทรายที่มีประจุผ่านท่อหรือลูกโลหะที่มีประจุบนล้อพลาสติกหมุน ไม่ว่าในกรณีใด ๆจำเป็นต้องมีการชาร์จแบบดริฟท์ (กระแส) ในวงจรใด ๆ อะนาล็อก: สายพานขับเคลื่อนแบบกลไกใช้แรง / แรงดึงสูงและแรงที่ความเร็วต่ำกว่าจนกว่าสายพานจะเคลื่อนที่เป็นเมตร / ชม. แต่ถ่ายโอนกิโลวัตต์ มันดูเหมือนเป็นถ้าแรงที่มีความสำคัญมากกว่าการเคลื่อนไหว หยุดเข็มขัดที่เลื่อนลอยและพลังงานก็จะหยุดเช่นกัน

— wbeaty

6

เรากำลังพูดถึงโลหะที่นี่ โดยทั่วไปแล้ววัตถุโลหะจะไม่ประกอบด้วยโมเลกุล ประกอบด้วยอะตอมโลหะทั้งหมดรวมกลุ่มกัน ดังแสดงในภาพด้านล่าง:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

วงกลมสีแดงเป็นอิเล็กตรอน อย่างที่คุณเห็นคุณไม่สามารถพูดกับอะตอมของอิเล็กตรอนได้ อิเล็กตรอนเหล่านี้ก่อให้เกิดการเชื่อมต่อระหว่างอะตอมดังนั้นมันจึงเป็นของสองอะตอม

ทีนี้เมื่อกระแสเริ่มไหลอิเล็กตรอนเหล่านี้จะเคลื่อนที่อย่างแน่นอน เมื่อกระแสไหลพลังงานจะถูกถ่ายโอน เนื่องจากอะตอมไม่สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างง่ายดายอิเล็กตรอนจึงต้องเคลื่อนที่

คุณสามารถเห็นสิ่งนี้ได้ในหน่วยแอมแปร์ของกระแสไฟฟ้าเช่นกัน: 1 แอมแปร์เท่ากับ 1 คูลอมบ์ต่อวินาที คูลอมบ์ (C) เป็นหน่วยประจุ (Q) 1 แอมแปร์หมายถึงประจุไฟฟ้า 1 ประจุผ่านจุดที่กำหนดใน 1 วินาที ประจุนี้เกิดจากอิเล็กตรอนที่ไหลจากวัตถุหนึ่งไปยังวัตถุสอง

เมื่อเรากำลังพูดถึงกระแส DC (ตัวอย่างเช่นแอปพลิเคชันที่ใช้พลังงานจากแบตเตอรี่ปกติ) อิเล็กตรอนเหล่านี้จะไม่กลับไปสู่แหล่งที่มา พิจารณาวงจรนี้:

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

ในตอนแรกมีความแตกต่างระหว่างขั้วลบกับขั้วบวก: ขั้วลบมีอิเล็กตรอนมากเกินไป สิ่งนี้จะสร้างแรง (แรงดันไฟฟ้า) และเนื่องจากมีการเชื่อมโยงระหว่างขั้วทั้งสอง (ลวดและหลอดไฟ) อิเล็กตรอนจะเริ่มไหล อิเล็กตรอนเคลื่อนที่จากขั้วลบผ่านหลอดไฟไปยังขั้วบวกจนกระทั่งไม่มีประจุที่แตกต่างกันอีกต่อไป (หรือมีเพียงเล็กน้อยเท่านั้นที่จะไม่ทำให้กระแสไหล)

ตอนนี้คุณจะเห็นได้ว่าอิเล็กตรอนเหล่านี้ไม่ได้กลับไปสู่แหล่งกำเนิดพวกมันเริ่มต้นที่ขั้วลบและสิ้นสุดที่ขั้วบวก

เราเรียกสิ่งนี้ว่าเส้นทางที่ปิดเพราะมีวงกลม: กระแสเริ่มต้นที่แบตเตอรี่และสิ้นสุดที่แบตเตอรี่ มีความสับสนเนื่องจากแบตเตอรี่มีวัตถุสองอย่างจริง ๆ : ขั้วบวกและขั้วลบ

ดูวงจรนี้ (ซึ่งโดยทั่วไปจะเหมือนกัน แต่ใช้ตัวเก็บประจุแทนแบตเตอรี่และตัวต้านทานแทนหลอด):

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

กระแสไหลจากด้านขวาของตัวเก็บประจุ (ประจุลบ, ประจุส่วนเกินของอิเล็กตรอน) ผ่านตัวต้านทานไปทางด้านซ้ายของตัวเก็บประจุ (ประจุบวก, การขาดอิเล็กตรอน) ที่นี่แผ่นเก็บประจุถูกแยกออกเพื่อให้คุณสามารถเห็นได้อย่างง่ายดายว่ามันไม่ใช่เส้นทางปิด

เราแค่เรียกมันว่าเป็นเส้นทางปิดเพราะกระแสเริ่มและสิ้นสุดที่ตัวเก็บประจุ

เนื่องจากอิเล็กตรอนไม่จำเป็นต้องกลับไปที่ฐานของมันจริงๆตอนนี้คุณสามารถเข้าใจได้ว่าอิเล็กตรอนสามารถไหลเข้าสู่โลกได้เช่นกัน นี่คือสิ่งที่เกิดขึ้นกับสายฟ้า อิเลคตรอนไหลจากเมฆไปยังโลก (หรือที่อื่น ๆ ที่ฉันไม่รู้) เพื่อเอาความแตกต่างที่มีประจุออกมา

2

เกี่ยวกับสายฟ้าแลบ: ทั้งสองทิศทาง " โดยเฉลี่ยทั่วโลกมีฟ้าผ่าฟาดฟันติดลบเป็นส่วนใหญ่ประมาณ 90 เปอร์เซ็นต์ของการโจมตีทั้งหมด ... โดยวิธีการเชื่อว่าฟ้าผ่าที่เป็นบวกนั้นอันตรายที่สุดเนื่องจากพวกมันสามารถผลิตกระแสได้มากถึง 300,000 แอมป์! "( แหล่งที่มา )

— Anindo Ghosh

2

ฉันชอบ @Camil พลังงานของคุณ (เล่นสำนวนเจตนา) แต่คุณควรระวังว่ามีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยในคำตอบนี้ ความสับสนไม่ใช่ว่าแบตเตอรี่มีสองขั้ว แต่ความสับสนก็คือวงจรไม่ได้อธิบายการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนเดี่ยวใด ๆ - มันอธิบายพฤติกรรมรวมและการถ่ายโอนพลังงาน ... คำตอบของคุณยังคงเป็นสมมติฐานที่สับสนเหมือนกัน OP เพื่อถามคำถาม ไม่ว่าจะเป็นการถกเถียงกันในเชิงนามธรรมในกรณีนี้กระแสจะต้องกลับไปยังแหล่งกำเนิด - หรือ - อภิปรายเกี่ยวกับร่างกายด้วยอิเลคตรอนและทัศนคติใด ๆ

— DrFriedParts

ป.ล. - ฉันไม่ลงคะแนน สำหรับบันทึกในกรณีที่คนอื่นทำ -- "ไม่ใช่ฉัน!" ;)

— DrFriedParts

2

นอกจากนี้ยังจะคุ้มค่าที่ชี้ว่าแม้อิเล็กตรอนไม่ได้เดินทางผ่านแบตเตอรี่ในปัจจุบันไม่ นี่คือเหตุผลที่แบตเตอรี่ต้องมีอิเล็กโทรไลต์และทำงานได้อย่างแม่นยำเพราะอิเล็กตรอนไม่สามารถเคลื่อนที่ผ่านได้ แต่ประจุบวกสามารถทำได้ ไอออนบวกเดินทางไปในทิศทางตรงกันข้ามของอิเล็กตรอนป้องกันไม่ให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านวงจรจากการสร้างสมดุลจนกว่าพลังงานเคมีจะหมดลง แม้ว่าไอออนและอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม แต่ก็มีประจุตรงข้ามกันและทำให้เกิดวงจรที่สมบูรณ์ในทิศทางเดียว

— ฟิลฟรอสท์

3

@CamilStaps อิเล็กตรอนแต่ละตัวจะใช้เส้นทางสุ่มทุกที่ที่ทำได้ อาจเป็นไปได้ว่าเสียงส่วนใหญ่นี้เกิดจากเสียงรบกวนจากความร้อนไม่ใช่เครื่องไฟฟ้าซึ่งเป็นส่วนหนึ่ง เฉพาะในกรณีที่คุณใช้การเคลื่อนไหวเฉลี่ยของหลาย ๆของอิเล็กตรอน (มากกว่าพันล้าน) คุณจะสังเกตเห็นว่ามันเคลื่อนไหวในทิศทางเดียวมากกว่าอีกทิศทางหนึ่ง และวงจรไม่ได้อธิบายการไหลของอิเล็กตรอน: มันอธิบายการไหลของกระแส

— Phil Frost