Perché gli elettroni non vengono espulsi dal conduttore in un circuito aperto sotto l'influenza di una fonte di alimentazione?

Spesso, la corrente elettrica viene confrontata con il flusso d'acqua. Ad esempio, se faccio un buco in un serbatoio d'acqua, l'acqua scorrerà fino a quando la pressione del serbatoio e l'atmosfera non diventeranno uguali o il serbatoio diventerà vuoto. Perché questo non accade con l'elettricità?

Stai immaginando un circuito aperto come questo:

Un'analogia migliore sarebbe questa:

I tubi di un circuito non sono circondati da spazio libero per far fluire l'acqua, ma sono sintonizzati attraverso una roccia. Dove non c'è la pipa, c'è solo la roccia e l'acqua non scorre.

L'analogia dell'acqua è molto limitata e non modella il modo in cui gli elettroni si muovono in un filo. Dovrebbe essere sempre usato con grande cura.

Gli elettroni si spostano molto lentamente (circa 1 m / ora) saltando da un atomo all'altro. La corrente sembra fluire istantaneamente in un circuito completo ma non fluirà in un circuito incompleto (nessun campo elettrico per spostare gli elettroni).

All'interno di un filo la conduttività è elevata (molti elettroni "liberi" ronzano in modo casuale) e un piccolo campo elettrico (una differenza di tensione su ciascuna estremità del filo) può produrre una corrente. Al di fuori del filo la conduttività è molto bassa e non c'è campo elettrico per superare l'attrazione degli ioni metallici caricati positivamente nel filo se un elettrone lasciasse la superficie del filo.

L'acqua (molecole) d'altra parte fluirà semplicemente dall'estremità del tubo perché la forza che spinge l'acqua dall'estremità aperta (a causa della pressione dell'aria) è inferiore alla forza che spinge l'acqua fuori dal sistema (pressione dell'aria + gravità + pompa?).

L'acqua può fuoriuscire perché l'interno e l'esterno del tubo sono essenzialmente lo stesso mezzo e le molecole sono influenzate dalla pressione (aria e pompa) e dalla gravità (all'interno del tubo) e dalla gravità (all'esterno del tubo).

Gli elettroni possono sfuggire al filo?

Sì.

Affinché gli elettroni sfuggano al loro "contenitore di metallo", deve essere fornita energia sufficiente per rompere i legami che li legano agli ioni metallici. Questo può essere fatto con fotoni ad alta energia (vedi foto effetto elettrico e funzione di lavoro) o riscaldando il metallo (emissione termoionica). Naturalmente, se questo viene fatto in aria, gli elettroni non possono andare molto lontano prima di essere assorbiti, quindi deve essere fatto nel vuoto.

Se il campo elettrico è molto alto (come nelle nuvole cariche) la scintilla risultante è un fulmine.

Fare un buco in un serbatoio d'acqua in modo che l'acqua possa fuoriuscire è lo stesso di un corto circuito nell'elettronica. Il blocco di una tubatura dell'acqua equivale a un circuito aperto di una connessione.

Ricorda, il serbatoio dell'acqua è un "isolatore di flusso d'acqua" ed è lo stesso di un tubo bloccato.

È tutta una questione di equalizzazione della pressione.

Con l'acqua non è la pressione dell'acqua a compensare, ma la pressione atmosferica che agisce sull'acqua. L'aria spinge verso il basso sull'acqua e la spinge fuori dal buco fino a quando le pressioni interne ed esterne sono equalizzate.

Collegare un filo tra due poli di una batteria e la pressione tra i due poli può eguagliare.

Attacca un tappo nel foro del serbatoio e l'acqua non può più fluire - la differenza di pressione tra l'interno e l'esterno è ora fissa. Aggiungi un'altissima resistenza tra i due poli di una batteria e la corrente non può più fluire (o fluire molto lentamente - il tappo ha una flebo). Maggiore è la resistenza, più lento è il flusso.

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

Acqua ed elettricità non funzionano allo stesso modo. A volte l'acqua nei tubi viene utilizzata come analogia per la corrente nei cavi, ma tale analogia si interrompe nel caso in cui si sta chiedendo.

In realtà l'analogia è ancora valida se ricordi che l'aria non conduce elettricità, ma l'aria conduce facilmente il flusso d'acqua. Per rendere più precisa l'analogia del flusso d'acqua, dovresti immaginare tutto tranne l'interno dei tubi per essere fatto di materiale solido. Immagina che tutto ciò che è aria sia in realtà una gomma dura, per esempio. L'acqua non uscirebbe da un tubo aperto perché non può andare da nessuna parte.

Livelli di energia

Questo effetto è generalmente spiegato dal concetto di livelli di energia . I materiali sono divisi in tre gruppi: isolanti, conduttori e semiconduttori.

Per i conduttori ...

Dal punto di vista dei livelli di energia (atomica), per i conduttori, non vi è alcun divario di energia tra la banda di valenza e la banda di conduzione . Quindi, con pochissima energia, gli elettroni possono essere messi in movimento.

Per isolatori ....

Per l'isolatore, il divario di energia tra la banda di valenza e quella di conduzione è molto più grande, il che significa che è necessaria molta energia per localizzare un elettrone nella banda di conduzione.

Quindi, in un circuito aperto ...

In un circuito aperto, l'isolamento che circonda il conduttore ha un livello di energia molto più elevato di questi. In condizioni normali, gli elettroni del conduttore isolato non hanno energia sufficiente per raggiungere la banda di conduzione dell'isolante.

Ma...

Tuttavia, se l'energia applicata al conduttore viene aumentata in modo significativo, può ottenere un salto al materiale isolante; questo effetto è una scarica elettrica o una rottura dielettrica.

Gli elettroni sono intrappolati in un metallo a causa della funzione di lavoro di quel metallo. La funzione di lavoro è una misura dell'energia dell'elettrone nel metallo per la sua energia nello spazio libero. (o nel vuoto ... la presenza di aria è solo una complicazione aggiuntiva.) Gli elettroni in un metallo sono sempre in uno stato di energia inferiore rispetto allo stato di vuoto. Se viene applicato un campo elettrico abbastanza forte al metallo, gli elettroni possono passare dalla funzione di lavoro e lasciare il metallo. (pensa a un catodo a tubo sotto vuoto.) Un'analogia con l'acqua è abbastanza facile. L'acqua è in un secchio o trogolo con i lati alti. (Ma è meglio pensare ai veri elettroni.)

Qualsiasi differenza tra il numero di elettroni in una particolare regione e il numero di protoni in quella regione provocherà l'attrazione o la repulsione degli elettroni vicini, se necessario, per equalizzare i numeri. Le uniche ragioni per cui gli elettroni vorrebbero lasciare una regione sarebbero o che c'erano troppi elettroni nella regione rispetto al numero di elettroni, o che una regione vicina aveva una carenza di elettroni (rispetto ai protoni). Un alimentatore "perfetto" da un amplificatore sposterà un coulomb di elettroni (che è un carico di benna piuttosto grande) da un terminale all'altro ogni secondo. Se nessun elettrone lascia il terminale che riceve tutti quegli elettroni dall'alimentazione, non passerà molto tempo prima che gli elettroni diventino così sovraffollati che inizieranno a partire anche se ciò significherebbe il luogo in cui " il ritorno sarebbe un po 'sovraffollato (dal momento che sarebbe meno sovraffollato del luogo in cui stanno andando). Allo stesso modo, se nessun terminale entra nel terminale da cui l'alimentazione riceve gli elettroni, la sua carenza di elettroni diventerà rapidamente abbastanza grave da indurla a iniziare a catturare elettroni da qualcosa nelle vicinanze, anche se ciò causerebbe una carenza di elettroni nelle vicinanze (poiché sarebbe meno terribile di quello del terminale che sta afferrando gli elettroni).

Quando gli elettroni lasciano un terminale ed entrano nell'altro, ciò ridurrà l'urgenza con cui tali terminali dovranno espellere o acquisire elettroni. Si noti che in termini relativi, ci vuole un sorprendente piccolo surplus o carenza di elettroni per creare una forza essenzialmente irresistibile. La massa di elettroni in un conduttore non può essere vista come incomprimibile, ma è molto vicina. In termini relativi molto approssimativi, se un materiale tipico avesse il valore di una piscina di elettroni, la differenza tra una grave carenza e un grave sovraffollamento sarebbe inferiore a una goccia.

Immagina questo:

Per l'elettricità, il tubo si cura da solo. Lo spessore della parete è la distanza dall'altro conduttore più vicino. Può sembrare strano pensare di spostare le cose attraverso un solido muro di tubi come un filo attraverso l'aria, ma se si ignora quella parte della fisica, l'analogia funziona.

Se il "muro" è troppo sottile per contenere la pressione, perfora attraverso il quale chiamiamo arco. Funziona anche su scale molto piccole, come un chip a 5 V che si inarca internamente quando è alimentato a 12V.