Gli elettroni fluiscono effettivamente quando viene applicata una tensione?

Nei libri si dice che un circuito è un percorso chiuso e che quindi gli elettroni tornano alla fonte. In tal caso, cosa accadrebbe in caso di guasto a terra in un circuito? Come ritornerebbero gli elettroni alla loro fonte?

Gli elettroni si allontanano effettivamente dai loro atomi o vibrano e trasferiscono l'energia in quel modo quando applichiamo una tensione?

Pensare alla corrente in termini di elettroni che si muovono è l'inizio di un percorso verso un povero modello mentale di come funziona l'elettricità. Qui ci sono solo alcune cose che non vanno:

• Gli elettroni sono solo uno dei tanti portatori di carica. Qualsiasi ione è anche un vettore di carica.

• I protoni che bilanciano gli elettroni sono altrettanto importanti. Se avessi solo elettroni, allora tutti gli elettroni nell'universo verrebbero respinti l'uno dall'altro e sparerebbero nell'universo.

• Gli elettroni hanno una carica negativa e ti confonderai senza una buona ragione pensando a come fluiscono da negativi a positivi. In realtà non importa affatto.

• Gli elettroni in realtà sciamano continuamente in tutte le direzioni casuali e il loro movimento a causa della corrente è minuscolo, in confronto.

L'importante è questo: i portatori di carica (essendo gli elettroni uno di questi) possono essere usati per trasmettere una forza elettromotrice (di solito chiamata solo tensione). Questo è un concetto piuttosto ordinario, davvero. Puoi spingere un'estremità di un'asta e trasmettere una forza meccanica all'altra estremità dell'asta. La canna si muove, quando fai questo? Bene, forse, ma ci sono due cose che accadono qui:

1. la forza viene trasmessa attraverso l'asta, mentre le onde si propagano alla velocità del suono in quel materiale
2. se e solo se trasmettiamo anche potenza, l'asta si muove, nella maggior parte dei casi a una velocità molto più lenta

La differenza è evidente per un'asta, ma poiché non possiamo vedere la carica elettrica, la differenza non è evidente.

Quindi, la tua domanda era: gli elettroni fluiscono effettivamente quando viene applicata una tensione? A rigor di termini, la risposta è forse , e dipende da cosa intendi per flusso . È simile alla domanda, una corda si muove quando la tiri? Bene, se è attaccato a un pallone, potrebbe muoversi molto. Se è attaccato a un muro di mattoni, potrebbe non muoversi affatto.

Il movimento dei portatori di carica (come gli elettroni) è attuale . Se abbiamo una corrente, allora c'è un movimento netto di portatori di carica. In realtà sciamano dappertutto, proprio come le singole molecole d'acqua sciamano in un tubo, anche se non c'è flusso netto. La corrente descrive il movimento medio. Nel caso di corrente continua, il movimento medio è in un cerchio.

Il modo in cui i singoli portatori di carica interagiscono per raggiungere questo obiettivo è complicato, ed è davvero una domanda di fisica, non di elettronica. Tuttavia, ti suggerisco di dare un'occhiata a questo tutorial del MIT sui campi .

Gli elettroni si muovono fisicamente quando viene applicata una tensione - estremamente lentamente .

Un circuito alimentato a 100 V CC, che alimenta un carico da 1 A (come una lampadina) attraverso un filo di rame di 2 mm di diametro vedrà gli elettroni muoversi alla velocità di:

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

dove

• $8.5 \times 10^{22}$
• R è il raggio del filo
• $1.6 \times 10^{-19}$

Questo funziona a 8,4 cm / ora . Non esattamente veloce.

La chiave è il fatto che è l' energia che attraversa il circuito quasi istantaneamente, non gli elettroni stessi. (Gli elettroni formano una comoda "autostrada" per consentire all'energia di fluire rapidamente.)

È un peccato che la lenta deriva degli elettroni sotto una tensione abbia finito con lo stesso nome del flusso di energia che effettivamente funziona in un circuito.

Non confondere l'astrazione conveniente con la realtà fisica

• "Circuiti" sono un concetto astratto progettato per aiutarci a ragionare meglio sul mondo.
• gli elettroni sono un'entità fisica.

Una nota sui percorsi "chiusi"

I circuiti a percorso chiuso non implicano che gli elettroni ritornino alla sorgente. Inoltre, gli elettroni che escono dalla sorgente sono estremamente raramente gli stessi elettroni che ritornano all'altro polo della sorgente (vedi la risposta di @ madmanguruman per la spiegazione della velocità).

Analogie meccaniche

È come un domino che cade. L'onda di energia si propaga attraverso i domino in caduta, ma i domino non traducono molto.

Ricorda che l'energia è la carica dell'elettrone moltiplicata per la forza ad essa applicata (tensione). Sono (in modo schiacciante) le forze che si muovono attraverso il reticolo metallico, non le cariche (elettroni).

Proprio come in questa immagine:

Le forze si trasferiscono attraverso le palle, ma le palle rimangono largamente al loro posto. A differenza delle sfere meccaniche, che sono bilanciate dalla gravità, con gli elettroni nei fili metallici delle celle galvaniche (batterie), c'è una lenta deriva complessiva degli elettroni (come le macchine bloccate nel traffico) dall'altra parte.

Ulteriori letture

Potresti considerare questa risposta che ho dato a una simile domanda di fisica correlata.

Stiamo parlando di metalli qui. Tipicamente, un oggetto di metallo non è costituito da molecole. È costituito da atomi di metallo, tutti raggruppati insieme. Questo è mostrato nella figura seguente:

I cerchi rossi sono elettroni. Come puoi vedere, non puoi davvero dire a quale atomo un elettrone 'appartiene'. Questi elettroni formano le connessioni tra gli atomi - quindi appartengono a due atomi.

Ora, quando una corrente inizia a fluire, questi elettroni si muovono davvero. Quando scorre una corrente, l'energia viene trasferita. Poiché gli atomi non possono muoversi facilmente, gli elettroni devono muoversi.

Puoi vederlo anche nell'unità Ampere di corrente: 1 ampere equivale a 1 Coulomb al secondo. Il Coulomb (C) è l'unità di carica (Q). 1 Ampere significa che 1 Coulomb di carica passa un certo punto in 1 secondo. Questa carica è prodotta dagli elettroni che fluiscono effettivamente dall'oggetto uno all'oggetto due.

Quando parliamo di corrente continua (ad esempio una normale applicazione alimentata a batteria), questi elettroni non torneranno alla loro sorgente. Considera questo circuito:

All'inizio, c'è una differenza nella carica tra il polo negativo e quello positivo: il polo negativo ha un surplus di elettroni. Questo crea una forza (tensione) e poiché esiste un collegamento tra i due poli (il filo e il bulbo), gli elettroni iniziano a fluire. Gli elettroni si spostano dal polo negativo attraverso il bulbo al polo positivo, fino a quando non c'è più alcuna differenza di carica (o è così poco che non farà fluire una corrente).

Ora puoi vedere che questi elettroni non sono tornati alla loro sorgente: hanno iniziato al polo negativo e si sono conclusi al polo positivo.

Lo chiamiamo un percorso chiuso perché c'è un cerchio: la corrente inizia dalla batteria e finisce alla batteria. C'è confusione perché la batteria esiste in realtà di due oggetti: il polo positivo e quello negativo.

Guarda questo circuito (che è sostanzialmente lo stesso, ma con un condensatore invece di una batteria e una resistenza invece di una lampadina):

La corrente fluisce dal lato destro del condensatore (carico negativamente, elettroni in eccesso) attraverso il resistore al lato sinistro del condensatore (carico positivo, carenza di elettroni). Qui, le piastre del condensatore sono separate, quindi puoi facilmente vedere che in realtà non è un percorso chiuso.

Lo chiamiamo semplicemente un percorso chiuso, perché la corrente inizia e termina sul condensatore.

Dato che gli elettroni non devono davvero tornare alla loro base, ora puoi capire che anche gli elettroni possono fluire nella terra. Questo è anche ciò che accade con i fulmini. Gli elettroni scorrono dalle nuvole alla terra (o viceversa, non lo saprei), solo per neutralizzare la differenza di carica.