为什么没有施加电压的电线中没有净电流?

电器工程 电压 当前的 金属丝
2022-01-16 02:22:49

具有松散结合的最外层电子的材料的原子随着时间的推移不断地相互交换电荷,这些材料被称为导体。现在,传导过程不同于电气工程教科书中经常描述的过程。

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这意味着为了使电流在电路中流动,电子必须从一个引线一直移动到另一个引线,这根本不是真的。现实是这样的:

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例如,来自电池负极的最左边的电子随后与最近的原子发生碰撞,并且由于它的加速,它正在敲除在这个壳层旋转的电子。被敲击的电子正朝着它最近的原子前进,反过来它也在做同样的事情,敲除一个电子,从而产生连锁反应。所以,基本上,电子只是移动一点点,但总体结果几乎是瞬间的。

我不明白的是,如果我们在没有施加电压的情况下使用普通的导线,电子仍然会不断地从一个原子反弹到另一个原子,这意味着导线中确实存在“电子流”,但是如果我们将导线连接到一个 LED 二极管什么都不会发生。所以,我真正要问的是电线中的“施加电压的电子流”与“没有施加电压的电子流”有何不同。

4个回答

从统计上看,在一个方向上移动的电子与在相反方向 180º 中移动的电子一样多,因此实际上没有净电流。我们所知道的“电流”是指在一个方向上移动的电子多于所有其他方向(通过一块金属的 1D、2D 或 3D)。这就是你可以拥有“大量自由电子”但没有净电流流动或可测量的方式。

这些电子的随机搅动有一个名字:热噪声。这种搅动与温度成正比,所以当你加热时你会得到更多。但是,平均运动始终为零,因此您永远无法做任何有用的“工作”或等效地从过程中提取可用能量。

这符合热力学定律。

简短的回答:一些教科书被一种误解所感染,即电子总是围绕单个金属原子运行。没有。他们还会告诉你,当沿着电线施加电压时,电子只会在原子之间跳跃。错误的。

在金属中,每个金属原子的外层电子都离开了它们的原始原子。这发生在金属第一次形成时。如果电子一直粘附在每个原子上,那么金属将成为绝缘体,并且在低电流值下,欧姆不会是恒定的。实际上,外层或“导带”电子一直在所有金属原子之间运行。金属线类似于一种“凝固的等离子体”。金属很奇怪。

物理学家将这种金属的移动电子群称为“电子海”或“电荷海洋”。在化学中,它被称为“金属键”。

从非量子的观点来看,我们可以将金属物体视为装满“电流”的容器,就像本富兰克林风格的!金属的电子高速抖动,四处游荡,就像软管内的气体分子一样。但是这种电子运动是随机的。它是热能的仓库,但它没有单一的方向,所以它不是“风”;不是电流。对于每一个单向运动的电子,都会有另一个反向运动。

因此,金属中的实际直流电流是该电子云的缓慢平均漂移。当然,单个电子的移动速度并不慢。相反,它们一直以接近光速的速度四处游荡。但在直流电流期间,它们的平均漂移路径叠加了微小的直流漂移。地球的大气层也是如此:每个分子都以接近音速的速度运动,即使在静止状态下也是如此;没有风。我们把游荡看作是“热的”,看作布朗运动。与金属中的单个电子相同。

金属原子/电子的正确动画将描绘电子在两个方向上跳跃以实现零电流。或者,展示它们在几个原子上来回摆动,在零安培期间随机运动。(或者,显示电线内部看起来像“电视雪”,就像闪烁的白噪声。)然后,在直流电流期间,整个电子模式将作为一个单元缓慢滑动。安培越高,流动越快。“液体白噪声”移动缓慢,就像管道中的水一样,但单个粒子永远不会保持静止。

请注意,此图片不适用于所有导体它仅适用于固体金属(电气工程中最常见的导体形式),但不适用于盐水、酸、接地电流、人体组织/神经、液态金属、移动金属、等离子体、火花等。 t 电子,这就是工程师和科学家使用适用于所有类型导体的“常规电流”的原因。金属内的电子流动通常是电流的一种特殊情况。

PS
请注意,电子不是看不见的!(事实上​​,电子是唯一可见的东西)所以,每当我们看到裸线时,我们看到的是它的电子海。移动电子是电磁波的极端反射器。金属表面的“金属”外观是我们对自由电子的看法。所以,电子就像一种银色的液体。在金属中的电流过程中,流动的是银色的东西。但是这个流动中没有污垢或气泡,所以虽然我们可以看到“流体”,但我们看不到它的运动。(嘿,即使我们能看到有什么东西在移动,电荷漂移也会太慢而无法注意到;就像时钟上的分针一样!)

如果电线是超导体,电流确实可以在没有电压的情况下流动。

我的一位老师给我举了一个例子。

没有电压的电子就像喜欢某个随机城市的独立人一样。他们愉快地自由移动,但他们不参与任何运动。他们是个人,无关紧要。

现在突然有一个外国建立了规则。这使得电子在反抗,反叛等中向外国政党(不是常规电流)的建立前进。它们是运动的一部分,这就是所谓的电流。