Warum werden unter dem Einfluss einer Stromquelle im Leerlauf keine Elektronen aus dem Leiter gedrückt?

Häufig wird elektrischer Strom mit dem Wasserdurchfluss verglichen. Wenn ich zum Beispiel ein Loch in einen Wassertank mache, fließt Wasser, bis der Tankdruck und die Atmosphäre nicht mehr gleich sind oder der Tank leer wird. Warum passiert das nicht mit Strom?

Sie stellen sich einen offenen Stromkreis so vor:

Eine bessere Analogie wäre:

Die Rohre in einem Kreislauf sind nicht von Freiräumen umgeben, in denen das Wasser fließen kann. Sie werden durch einen Felsen geführt. Wo kein Rohr ist, ist nur Fels und das Wasser fließt nicht.

Die Wasseranalogie ist sehr begrenzt und modelliert nicht die Art und Weise, wie sich Elektronen in einem Draht bewegen . Es sollte immer mit größter Sorgfalt angewendet werden.

Elektronen driften sehr langsam (ca. 1 m / h) von Atom zu Atom. Aktuelle erscheint sofort fließt in einer kompletten Schaltung , sondern in einer unvollständigen Schaltung fließt nicht (kein elektrisches Feld die Elektronen zu bewegen).

Innerhalb eines Drahtes ist die Leitfähigkeit hoch (viele "freie" Elektronen schwirren willkürlich umher) und ein kleines elektrisches Feld (ein Spannungsunterschied an jedem Ende des Drahtes) kann einen Strom erzeugen. Außerhalb des Drahts ist die Leitfähigkeit sehr gering und es gibt kein elektrisches Feld, das die Anziehung der positiv geladenen Metallionen im Draht verhindert, falls ein Elektron die Oberfläche des Drahts verlässt.

Andererseits fließt Wasser (Moleküle) einfach aus dem Rohrende heraus, da die Kraft, die das Wasser am offenen Ende (aufgrund des Luftdrucks) eindrückt, geringer ist als die Kraft, die das Wasser aus dem System herausdrückt (Luftdruck) + schwerkraft + pumpe?).

Wasser kann austreten, weil das Rohrinnere und -äußere im Wesentlichen dasselbe Medium ist und die Moleküle durch Druck (Luft und Pumpe) und Schwerkraft (innerhalb des Rohrs) und Schwerkraft (außerhalb des Rohrs) beaufschlagt werden.

Können Elektronen aus dem Draht entweichen?

Ja.

Damit Elektronen aus ihrem „Metallbehälter“ entweichen können, muss ausreichend Energie zur Verfügung stehen, um die Bindungen zu lösen, die sie an die Metallionen binden. Dies kann mit energiereichen Photonen (siehe fotoelektrischer Effekt und Austrittsarbeit) oder durch Erhitzen des Metalls (thermionische Emission) erfolgen. Wenn dies in Luft gemacht wird, können die Elektronen natürlich nicht weit kommen, bevor sie absorbiert werden, so dass dies in einem Vakuum gemacht werden muss.

Wenn das elektrische Feld sehr hoch ist (wie in geladenen Wolken), ist der resultierende Funken ein Blitz.

Ein Loch in einen Wassertank zu bohren, damit Wasser austreten kann, ist dasselbe wie ein Kurzschluss in der Elektronik. Das Blockieren einer Wasserleitung entspricht dem Unterbrechen eines Stromkreises.

Denken Sie daran, der Wassertank ist ein "Wasserdurchflussisolator" und entspricht einem verstopften Rohr.

Alles eine Frage des Druckausgleichs.

Beim Wasser gleicht sich nicht der Wasserdruck aus, sondern der atmosphärische Druck, der auf das Wasser wirkt. Die Luft drückt auf das Wasser und drückt es aus dem Loch, bis der Innen- und Außendruck ausgeglichen sind.

Schließen Sie ein Kabel zwischen zwei Polen einer Batterie an und der Druck zwischen den beiden Polen kann sich ausgleichen.

Stecken Sie einen Spund in das Loch des Tanks und das Wasser kann nicht mehr fließen - der Druckunterschied zwischen Innen und Außen ist nun behoben. Fügen Sie einen sehr hohen Widerstand zwischen den beiden Polen einer Batterie hinzu, und der Strom kann nicht mehr fließen (oder sehr langsam fließen - der Spund hat einen Tropfen). Je höher der Widerstand, desto langsamer der Durchfluss.

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

Wasser und Strom funktionieren nicht auf die gleiche Weise. Manchmal wird Wasser in Rohren als Analogie für Strom in Drähten verwendet, aber diese Analogie bricht in dem Fall zusammen, nach dem Sie fragen.

Eigentlich ist die Analogie immer noch gültig, wenn Sie sich daran erinnern, dass Luft keinen Strom leitet, aber den Wasserfluss leicht leitet. Um die Wasserflussanalogie genauer zu machen, müsste man sich alles vorstellen, außer das Innere von Rohren, die aus festem Material bestehen. Stellen Sie sich zum Beispiel vor, alles, was Luft ist, ist Hartgummi. Wasser würde nicht aus einem offenen Rohr herausfließen, weil es nirgendwo hingehen kann.

Energieniveaus

Dieser Effekt wird normalerweise durch das Konzept der Energieniveaus erklärt . Die Materialien sind in drei Gruppen unterteilt: Isolatoren, Leiter und Halbleiter.

Für Dirigenten ...

Unter dem Gesichtspunkt der Energieniveaus (atomar) gibt es für die Leiter keine Energielücke zwischen dem Valenzband und dem Leitungsband . Dann können die Elektronen mit sehr wenig Energie in Bewegung gesetzt werden.

Für Isolatoren ....

Für Isolatoren ist die Energielücke zwischen den Valenz- und Leitungsbändern viel größer, was bedeutet, dass viel Energie benötigt wird, um ein Elektron im Leitungsband zu lokalisieren.

Dann in einem offenen Kreislauf ...

Bei einem offenen Stromkreis hat die den Leiter umgebende Isolierung eine viel höhere Energie als diese. Unter normalen Bedingungen haben die Elektronen aus dem isolierten Leiter nicht genug Energie, um das Leitungsband des Isolators zu erreichen.

Aber...

Wenn jedoch die an den Leiter angelegte Energie erheblich erhöht wird, kann ein Sprung zum Isoliermaterial erzielt werden; Dieser Effekt ist eine elektrische Entladung oder ein dielektrischer Bruch.

Aufgrund der Austrittsarbeit dieses Metalls sind Elektronen in einem Metall eingeschlossen. Die Austrittsarbeit ist ein Maß für die Energie des Elektrons im Metall zu seiner Energie im freien Raum. (oder im Vakuum ... die Anwesenheit von Luft ist nur eine zusätzliche Komplikation.) Die Elektronen in einem Metall befinden sich immer in einem Zustand niedrigerer Energie als im Vakuumzustand. Wenn ein ausreichend starkes elektrisches Feld an das Metall angelegt wird, können die Elektronen die Austrittsarbeit überwinden und das Metall verlassen. (Denken Sie an eine Vakuumröhrenkathode.) Eine Wasseranalogie ist ziemlich einfach. Das Wasser befindet sich in einem Eimer oder Trog mit hohen Seiten. (Aber es ist besser, nur an echte Elektronen zu denken.)

Jeder Unterschied zwischen der Anzahl der Elektronen in einer bestimmten Region und der Anzahl der Protonen in dieser Region führt dazu, dass benachbarte Elektronen nach Bedarf angezogen oder abgestoßen werden, um die Anzahl auszugleichen. Der einzige Grund, warum Elektronen eine Region verlassen möchten, wäre entweder, dass sich zu viele Elektronen in der Region im Verhältnis zur Anzahl der Elektronen befanden, oder dass eine nahe gelegene Region einen Mangel an Elektronen (im Verhältnis zu Protonen) aufwies. Ein "perfektes" Ein-Ampere-Netzteil bewegt jede Sekunde ein Coulomb Elektronen (das ist eine ziemlich große Ladung) von einem Anschluss zum anderen. Wenn keine Elektronen das Terminal verlassen, das alle diese Elektronen aus dem Vorrat empfängt, dauert es nicht lange, bis die Elektronen so überfüllt sind, dass sie sich auf den Weg machen, auch wenn dies den Ort bedeuten würde, an dem sie sich aufhalten. Es würde etwas überfüllt sein (da es weniger überfüllt wäre als der Ort, den sie verlassen). Wenn keine Klemmen in die Klemme eintreten, von der aus die Versorgung die Elektronen aufnimmt, wird der Elektronenmangel schnell so groß, dass Elektronen von irgendetwas in der Nähe aufgenommen werden, selbst wenn dies einen Elektronenmangel in der Nähe verursachen würde (da dies der Fall wäre) weniger schlimm als das des Terminals, das die Elektronen schnappt).

Wenn Elektronen einen Anschluss verlassen und in den anderen eintreten, wird die Dringlichkeit verringert, mit der diese Anschlüsse Elektronen ausstoßen oder aufnehmen müssen. Beachten Sie, dass es relativ gesehen einen erstaunlichen kleinen Überschuss oder Mangel an Elektronen erfordert, um eine im Wesentlichen unwiderstehliche Kraft zu erzeugen. Die Masse der Elektronen in einem Leiter kann nicht als inkompressibel angesehen werden, ist aber sehr nahe. In sehr groben relativen Begriffen wäre der Unterschied zwischen einer starken Verknappung und einer starken Überfüllung weniger als ein Tropfen, wenn ein typisches Material Elektronen in einem Schwimmbecken hätte.

Stell dir das vor:

Bei Strom heilt sich das Rohr von selbst. Die Wandstärke ist der Abstand zum nächsten anderen Leiter. Es mag seltsam erscheinen, Dinge durch eine feste Rohrwand wie einen Draht durch die Luft zu bewegen, aber wenn Sie diesen Teil der Physik ignorieren, funktioniert die Analogie.

Wenn die "Wand" zu dünn ist, um den Druck zu halten, schlägt sie durch, was wir einen Bogen nennen. Dies funktioniert auch in sehr kleinen Maßstäben, wie z. B. bei einem 5-V-Chip, der bei 12-V-Versorgung intern einen Lichtbogen erzeugt.