Mengapa elektron tidak didorong keluar dari konduktor pada sirkuit terbuka di bawah pengaruh sumber daya?

Seringkali, arus listrik dibandingkan dengan aliran air. Sebagai contoh, jika saya membuat lubang di tangki air, air akan mengalir sampai tekanan tangki dan atmosfer tidak menjadi sama atau tangki menjadi kosong. Mengapa ini tidak terjadi dengan listrik?

Anda membayangkan sirkuit terbuka terlihat seperti ini:

Analogi yang lebih baik adalah ini:

Pipa-pipa di sirkuit tidak dikelilingi oleh ruang kosong untuk mengalirkan air - mereka dialirkan melalui batu. Di mana tidak ada pipa, hanya ada batu dan air tidak mengalir.

Analogi air sangat terbatas dan tidak memodelkan cara elektron bergerak dalam kawat. Itu harus selalu digunakan dengan sangat hati-hati.

Elektron melayang sangat lambat (sekitar 1m / jam) dengan melompat dari atom ke atom. Arus tampaknya mengalir secara instan dalam rangkaian lengkap tetapi tidak akan mengalir dalam rangkaian tidak lengkap (tidak ada medan listrik untuk memindahkan elektron).

Di dalam kabel konduktivitas tinggi (banyak elektron 'bebas' berdengung secara acak) dan medan listrik kecil (perbedaan tegangan di setiap ujung kabel) dapat menghasilkan arus. Di luar kawat konduktivitas sangat rendah dan tidak ada medan listrik untuk mengatasi daya tarik ion logam bermuatan positif di kawat jika sebuah elektron meninggalkan permukaan kawat.

Air (molekul) di sisi lain hanya akan mengalir keluar dari ujung pipa karena gaya mendorong air di ujung terbuka (karena tekanan udara) kurang dari gaya mendorong air keluar dari sistem (tekanan udara). + gravitasi + pompa?).

Air dapat keluar karena bagian dalam dan luar pipa pada dasarnya adalah media yang sama dan molekul ditindaklanjuti oleh tekanan (udara dan pompa) dan gravitasi (di dalam pipa) dan gravitasi (di luar pipa).

Apakah mungkin bagi elektron untuk lepas dari kawat?

Iya nih.

Agar elektron dapat keluar dari 'wadah logam' mereka, harus ada energi yang cukup untuk memutus ikatan yang mengikat mereka dengan ion logam. Ini dapat dilakukan dengan foton energi tinggi (lihat efek listrik foto dan fungsi kerja) atau memanaskan logam (emisi termionik). Tentu saja jika hal ini dilakukan di udara, elektron tidak dapat pergi jauh sebelum diserap sehingga perlu dilakukan dalam ruang hampa.

Jika medan listrik sangat tinggi (seperti pada awan yang terisi) percikan yang dihasilkan adalah kilat.

Membuat lubang di tangki air sehingga air dapat keluar sama dengan hubungan arus pendek dalam elektronik. Memblokir pipa air sama dengan membuka hubungan arus.

Ingat, tangki air adalah "isolator aliran air" dan sama dengan pipa yang tersumbat.

Ini semua masalah pemerataan tekanan.

Dengan air itu bukan tekanan air yang menyamakan, tetapi tekanan atmosfer bertindak atas air. Udara menekan air dan mendorongnya keluar dari lubang sampai tekanan di dalam dan luar disamakan.

Hubungkan kabel antara dua kutub baterai dan tekanan antara dua kutub bisa menyamakan.

Tempelkan sumbat di lubang tangki dan air tidak bisa lagi mengalir - perbedaan tekanan antara bagian dalam dan bagian luar kini sudah diperbaiki. Tambahkan resistansi yang sangat tinggi antara dua kutub baterai dan arus tidak dapat lagi mengalir (atau mengalir sangat lambat - bung memiliki tetesan air). Semakin tinggi resistansi semakin lambat alirannya.

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

Air dan listrik tidak bekerja dengan cara yang sama. Terkadang air dalam pipa digunakan sebagai analogi untuk arus dalam kabel, tetapi analogi itu rusak jika Anda bertanya.

Sebenarnya analogi ini masih berlaku jika Anda ingat bahwa udara tidak menghantarkan listrik, tetapi udara melakukan aliran air dengan mudah. Untuk membuat analogi aliran air lebih akurat, Anda harus membayangkan segalanya kecuali bagian dalam pipa yang terbuat dari bahan padat. Bayangkan semua yang ada di udara menjadi karet keras, misalnya. Air tidak akan mengalir keluar dari pipa terbuka karena tidak bisa kemana-mana.

Tingkat Energi

Efek ini biasanya dijelaskan oleh konsep tingkat energi . Bahan-bahan dibagi menjadi tiga kelompok: isolator, konduktor dan semikonduktor.

Untuk konduktor ...

Dari sudut pandang tingkat energi (atom), untuk konduktor, tidak ada kesenjangan energi antara pita valensi dan pita konduksi . Kemudian, dengan energi yang sangat sedikit, elektron dapat digerakkan.

Untuk isolator ....

Untuk isolator, kesenjangan energi antara pita valensi dan konduksi jauh lebih besar, yang berarti bahwa banyak energi diperlukan untuk menemukan elektron dalam pita konduksi.

Kemudian, di sirkuit terbuka ...

Dalam sirkuit terbuka, insulasi yang mengelilingi konduktor memiliki tingkat energi yang jauh lebih tinggi daripada ini. Dalam kondisi normal, elektron dari konduktor berinsulasi, tidak memiliki energi yang cukup untuk mencapai pita konduksi isolator.

Tapi...

Namun, jika energi yang diterapkan pada konduktor meningkat secara signifikan, ia dapat mencapai lompatan ke bahan isolasi; efek ini adalah pelepasan muatan listrik atau dielektrik.

Elektron terperangkap dalam logam karena fungsi kerja logam itu. Fungsi kerja adalah ukuran energi elektron dalam logam untuk energi di ruang bebas. (atau dalam ruang hampa .. keberadaan udara hanyalah komplikasi tambahan.) Elektron dalam logam selalu dalam keadaan energi yang lebih rendah daripada kondisi hampa udara. Jika medan listrik yang cukup kuat diterapkan pada logam, elektron dapat mengatasi fungsi kerja dan meninggalkan logam. (pikirkan katoda tabung hampa udara). Analogi air cukup mudah. Air dalam ember atau palung dengan sisi yang tinggi. (Tapi lebih baik memikirkan elektron yang sebenarnya.)

Setiap perbedaan antara jumlah elektron di wilayah tertentu dan jumlah proton di wilayah itu akan menyebabkan elektron di dekatnya tertarik atau ditolak jika diperlukan untuk menyamakan jumlahnya. Satu-satunya alasan elektron ingin meninggalkan suatu daerah adalah karena ada terlalu banyak elektron di wilayah tersebut relatif terhadap jumlah elektron, atau bahwa daerah terdekat memiliki kekurangan elektron (relatif terhadap proton). Catu daya satu amp yang "sempurna" akan memindahkan satu coulomb elektron (yang merupakan beban bucket yang agak besar) dari satu terminal ke terminal lainnya setiap detik. Jika tidak ada elektron yang meninggalkan terminal yang menerima semua elektron dari pasokan, tidak akan lama sebelum elektron menjadi terlalu padat sehingga mereka akan mulai pergi bahkan jika itu berarti tempat mereka ' sedang pergi akan menjadi agak penuh sesak (karena itu akan menjadi kurang padat dari tempat mereka akan pergi). Demikian juga, jika tidak ada terminal memasuki terminal dari mana pasokan mengambil elektron, kekurangan elektronnya dengan cepat akan menjadi cukup parah untuk menyebabkannya mulai mengambil elektron dari apa pun di dekatnya, bahkan jika itu akan menyebabkan kekurangan elektron di dekatnya (karena itu akan menjadi kurang mengerikan dari terminal yang meraih elektron).

Ketika elektron meninggalkan satu terminal dan memasuki terminal lainnya, ini akan mengurangi urgensi yang dibutuhkan terminal untuk mengeluarkan atau memperoleh elektron. Perhatikan bahwa secara relatif, dibutuhkan sedikit surplus atau kekurangan elektron yang luar biasa untuk menciptakan gaya yang pada dasarnya tidak dapat ditolak. Massa elektron dalam sebuah konduktor tidak dapat dipandang sebagai tidak dapat dimampatkan, tetapi sangat dekat. Dalam istilah relatif yang sangat kasar, jika suatu material tipikal memiliki nilai elektron pada kolam renang, perbedaan antara kekurangan parah dan kepadatan berlebihan akan lebih kecil dari setetes.

Bayangkan ini:

Untuk listrik, pipa menyembuhkan dirinya sendiri. Ketebalan dinding adalah jarak ke konduktor lain terdekat. Mungkin agak aneh berpikir memikirkan memindahkan benda melalui dinding pipa padat seperti kawat di udara, tetapi jika Anda mengabaikan bagian fisika itu, analoginya bekerja.

Jika "dinding" terlalu tipis untuk menahan tekanan, itu meninju, yang kita sebut busur. Ini bekerja pada skala yang sangat kecil juga, seperti chip 5V yang melengkung secara internal ketika ditenagai dengan 12V.