Perché non c'è corrente netta in un filo senza tensione applicata?

Gli atomi di materiali con elettroni più esterni legati liberamente si scambiano costantemente cariche tra loro nel tempo e questi materiali sono chiamati conduttori. Ora, il processo di conduzione è diverso da quello spesso descritto nei libri di testo di ingegneria elettrica.

Ciò implica che, affinché la corrente scorra nel circuito, un elettrone deve spostarsi da un conduttore fino all'altra, il che non è semplicemente vero. La realtà è qualcosa del genere:

L'elettrone all'estrema sinistra proveniente dal piombo negativo di una batteria, ad esempio, si scontrerà quindi con l'atomo più vicino e, a causa della sua accelerazione, stacca l'elettrone che ruota a questo livello di guscio. L'elettrone bussato si sta dirigendo verso il suo atomo più vicino e a sua volta sta facendo lo stesso, eliminando un elettrone che crea una reazione a catena. Quindi, in sostanza, gli elettroni si muovono solo un po ', ma il risultato complessivo è praticamente istantaneo.

Quello che non capisco è se prendiamo un filo conduttore regolare SENZA tensione applicata su di esso, gli elettroni rimbalzano costantemente da un atomo all'altro, il che significa che letteralmente c'è "un flusso di elettroni" nel filo, ma se colleghiamo il filo a un diodo LED non accadrebbe nulla. Quindi, quello che sto veramente chiedendo è come differisce "un flusso di elettroni CON tensione applicata" da "un flusso di elettroni SENZA tensione applicata" in un filo.

Statisticamente, ci sono tanti elettroni che si muovono in una direzione quanti sono nell'opposto di 180º, quindi non c'è effettivamente corrente netta. Ciò che conosciamo come "corrente" è il movimento di più elettroni in una direzione rispetto a tutti gli altri (1D, 2D o 3D attraverso un pezzo di metallo). È così che puoi avere "tonnellate di elettroni liberi" ma nessuna corrente netta che scorre o misurabile.

L'agitazione casuale di quegli elettroni ha un nome: rumore termico. Questa agitazione è proporzionale alla temperatura, quindi ne ottieni di più man mano che riscaldi le cose. Tuttavia, il movimento medio è sempre zero, quindi non puoi mai fare alcun "lavoro" utile o estrarre in modo equivalente energia utilizzabile dal processo.

Ciò è in accordo con le leggi della termodinamica.

Risposta breve: alcuni libri di testo sono infettati da un'idea sbagliata, l'idea che gli elettroni orbitano sempre attorno ai singoli atomi di metallo. No. Faranno anche dirvi che gli elettroni solo salto tra gli atomi, quando viene applicata una tensione lungo i fili. Sbagliato.

Nei metalli, gli elettroni esterni di ciascun atomo di metallo hanno lasciato il loro atomo originale. Questo accade quando il metallo viene formato per la prima volta. Se gli elettroni continuassero ad aderire a ciascun atomo, allora il metallo sarebbe un isolante e, a bassi valori di corrente, gli ohm non sarebbero costanti. In realtà, gli elettroni esterni o "banda di conduzione" sono in orbita tra tutti gli atomi di metallo, sempre. Un filo metallico ricorda una sorta di "plasma solidificato". I metalli sono strani.

I fisici chiamano la popolazione di elettroni mobili del metallo con il nome "mare di elettroni" o "oceano di carica". In chimica si chiama "legame metallico".

Da un punto di vista non quantico, possiamo vedere oggetti metallici come contenitori riempiti con un "fluido elettrico", in stile Ben Franklin! Gli elettroni del metallo si muovono ad alta velocità, vagando tutt'intorno, proprio come le molecole di gas all'interno di un tubo. Ma questo movimento di elettroni è in direzioni casuali. È un magazzino per l'energia termica, ma non ha una sola direzione, quindi non è "vento"; non corrente elettrica. Per ogni elettrone che va in un modo, ce n'è un altro che va indietro.

Pertanto, una corrente elettrica in corrente continua in un metallo è una media lenta deriva di questa nuvola di elettroni. I singoli elettroni non si muovono lentamente ovviamente. Invece si aggirano quasi alla velocità della luce per tutto il tempo. Ma durante una corrente continua, il loro percorso errante medio ha una piccola deriva CC sovrapposta. L'atmosfera terrestre fa lo stesso: ogni molecola si muove quasi alla velocità del suono, anche in condizioni di morto; nessun vento. Consideriamo il vagare come "termico", come Brownian Motion. Lo stesso vale per i singoli elettroni in un metallo.

Una corretta animazione di atomi / elettroni di metalli raffigurerebbe gli elettroni che saltano in entrambe le direzioni per corrente zero. Oppure, mostrali che si muovono avanti e indietro attraverso diversi atomi, con movimento casuale a zero ampere. (Oppure, mostra l'interno del filo che assomiglia a "neve televisiva", come un rumore bianco tremolante.) Quindi, durante una corrente continua, l'intero schema di elettroni scivolerà lentamente come un'unità. Più alti sono gli ampere, più veloce è il flusso. Il "rumore bianco liquido" si muove lentamente, come l'acqua in un tubo, ma le singole particelle non rimangono mai ferme.

Si noti che questa immagine NON SI APPLICA A TUTTI I CONDUTTORI . Si applica solo ai metalli solidi (la forma più comune di conduttore utilizzata nell'ingegneria elettrica), ma non all'acqua salata, agli acidi, alle correnti al suolo, ai tessuti / nervi umani, ai metalli liquidi, ai metalli in movimento, al plasma, alle scintille, ecc. L'elettricità non è ' t elettroni, ecco perché ingegneri e scienziati usano la "corrente convenzionale" che si applica a tutti i tipi di conduttori. Il flusso di elettroni all'interno dei metalli è un caso speciale di correnti elettriche in generale.

PS
Nota che gli elettroni non sono invisibili! (In effetti, gli elettroni riguardano le uniche cose che sono visibili.) Quindi, ogni volta che guardiamo un filo nudo, vediamo il suo mare di elettroni. Gli elettroni mobili sono riflettori estremi delle onde EM. L'aspetto "metallico" di una superficie metallica è la nostra visione degli elettroni liberi. Quindi, gli elettroni sono come un fluido argenteo. Durante le correnti elettriche in un metallo, è il materiale argenteo che scorre lungo. Ma non c'è sporcizia o bolle in questo flusso, quindi anche se possiamo vedere il "fluido", non possiamo vederne il movimento. (Heh, anche se potessimo vedere qualcosa che si muove, la deriva della carica sarebbe troppo lenta per notarla; come la lancetta dei minuti su un orologio!)

Se il filo è un superconduttore, la corrente può effettivamente fluire senza tensione.

C'era questo esempio che mi ha dato uno dei miei insegnanti.

Gli elettroni senza tensione sono semplicemente come persone indipendenti che amano una città a caso. Si muovono felicemente ma non fanno parte di alcun movimento. Sono individuali che non contano.

Ora all'improvviso uno straniero stabilisce la regola. Ciò fa marciare gli elettroni verso l'istituzione del partito straniero (non la corrente convenzionale) in rivolta, ribelle ecc. Ecc. Fanno parte del movimento e si chiama Corrente.

La corrente richiede il flusso degli elettroni nella banda di conduzione e senza tensione (o pressione come analogia del flusso), non vi è energia per eccitare gli elettroni nella banda di conduzione. La resistenza è sempre presente a causa delle proprietà atomiche e la caduta di tensione deve essere la tensione totale poiché la resistenza diventa essenzialmente infinita in quanto i gusci di valenza nei metalli sono molto diversi dalle bande di conduzione in quanto sono legati alla struttura reticolare del metallo. Richiedono eccitazione e un gradiente per rompere il loro legame con la valenza che farà. Gli elettroni di valenza possono interagire ma non sono uniformemente direzionali e non fluiscono liberamente come se fossero eccitati nella banda di conduzione. Questo è ovviamente per semplici metalli conduttivi.

Dalla tua domanda, è chiaro che non conosci la distinzione tra movimento di elettroni casuale e movimento di elettroni direzionali . Il movimento casuale dell'elettrone non è corrente. Il movimento direzionale dell'elettrone è .
È la tensione che dà direzione agli elettroni, causando così un flusso direzionale di elettroni - la "corrente elettronica".

La tua affermazione che "un elettrone deve spostarsi da una derivazione all'altra, semplicemente non è vera" è sbagliata . Il fatto è che per ogni elettrone che "entra" nel filo, un altro elettrone deve "uscire" dall'altra estremità. Se ciò non accade, allora non hai flusso corrente! Questo è esattamente il motivo per cui "non accade nulla quando si collega il LED al filo" senza tensione applicata.

Ci viene detto di non disturbare perché c'è più fisica in esso e meno importanza pratica.

In fisica il filo non è un corto corto ma ha resistenza, capacità e induttanza. Quando si applica la tensione in un filo, molti pensano che accada.

Quando non viene applicata alcuna tensione, non ci sono abbastanza elettroni che saltano da un atomo all'altro per accendere il LED.

Un fisiologo potrebbe rispondere meglio di un EE. C'è una sezione di fisica nello scambio di stack.