Mengapa tidak ada arus bersih di kawat tanpa tegangan diterapkan?

Atom-atom material dengan elektron terluar yang terikat longgar secara konstan saling bertukar muatan dari waktu ke waktu, dan material ini disebut konduktor. Sekarang, proses konduksi berbeda dari yang sering dijelaskan dalam buku teks teknik elektro.

Ini menyiratkan bahwa agar arus mengalir dalam rangkaian, sebuah elektron harus berpindah dari satu ujung ke ujung lainnya, yang sama sekali tidak benar. Realitas adalah sesuatu seperti ini:

Elektron di paling kiri berasal dari ujung negatif baterai, misalnya, kemudian bertabrakan di atom terdekat dan karena akselerasinya itu merobohkan elektron yang berputar pada level selubung ini. Elektron yang diketuk sedang menuju ke atom terdekatnya dan pada gilirannya itu melakukan hal yang sama, menjatuhkan elektron yang menciptakan reaksi berantai. Jadi, pada dasarnya, elektron bergerak sedikit, tetapi hasil keseluruhannya hampir seketika.

Apa yang saya tidak mengerti adalah jika kita mengambil kawat konduktif reguler TANPA tegangan yang diberikan padanya, elektron masih terus-menerus terpental dari atom ke atom yang berarti bahwa secara harfiah ada "aliran elektron" di kawat, tetapi jika kita menghubungkan kawat ke dioda LED tidak akan terjadi apa-apa. Jadi, apa yang sebenarnya saya tanyakan adalah bagaimana perbedaan "aliran elektron DENGAN tegangan yang diterapkan" dari "aliran elektron TANPA tegangan yang diterapkan" dalam sebuah kawat.

Secara statistik, ada banyak elektron yang bergerak dalam satu arah seperti yang ada di 180º berlawanan sehingga tidak ada arus bersih secara efektif. Apa yang kita ketahui sebagai "arus" adalah pergerakan lebih banyak elektron dalam satu arah daripada semua yang lain (1D, 2D atau 3D melalui sepotong logam). Begitulah cara Anda dapat memiliki "ton elektron bebas" tetapi tidak ada arus bersih yang mengalir atau terukur.

Agitasi acak dari elektron-elektron tersebut memiliki nama: noise termal. Agitasi ini proporsional dengan suhu sehingga Anda mendapatkan lebih banyak saat Anda memanaskannya. Namun, gerakan rata-rata selalu nol sehingga Anda tidak pernah dapat melakukan "pekerjaan" yang berguna atau mengekstrak energi yang dapat digunakan secara setara dari proses tersebut.

Ini sesuai dengan hukum termodinamika.

Jawaban singkat: beberapa buku teks terinfeksi dengan kesalahpahaman, gagasan bahwa elektron selalu mengorbit masing-masing atom logam. Nggak. Mereka juga akan memberi tahu Anda bahwa elektron hanya melompat di antara atom ketika tegangan diterapkan di sepanjang kabel. Salah.

Dalam logam, elektron terluar dari masing-masing atom logam telah meninggalkan atom aslinya. Ini terjadi ketika logam pertama kali terbentuk. Jika elektron terus menempel pada masing-masing atom, maka logam akan menjadi isolator, dan pada nilai arus yang rendah, ohm tidak akan konstan. Pada kenyataannya, elektron terluar atau "pita konduksi" mengorbit di antara semua atom logam, sepanjang waktu. Kawat logam menyerupai sejenis "plasma padat." Logam itu aneh.

Fisikawan menyebut populasi elektron bergerak logam itu dengan nama "lautan elektron" atau "lautan muatan". Dalam kimia itu disebut "ikatan logam."

Dari sudut pandang non-kuantum, kita dapat melihat benda-benda logam seperti wadah berisi "cairan listrik," gaya Ben Franklin! Elektron logam berkeliaran dengan kecepatan tinggi, berkeliaran di sekitar, seperti molekul gas di dalam selang. Tetapi gerak elektron ini berada dalam arah acak. Ini adalah gudang untuk energi panas, tetapi tidak memiliki arah tunggal, jadi ini bukan "angin;" bukan arus listrik. Untuk setiap elektron yang menuju satu arah, ada yang lain mundur.

Oleh karena itu, arus listrik DC aktual dalam logam adalah penyimpangan rata-rata lambat dari awan elektron ini. Elektron individu tidak bergerak lambat tentu saja. Sebaliknya mereka berkeliaran di hampir kecepatan cahaya sepanjang waktu. Tetapi selama arus DC, jalan berkeliaran rata-rata mereka memiliki drift DC kecil ditumpangkan. Atmosfer bumi melakukan hal yang sama: setiap molekul bergerak hampir dengan kecepatan suara, bahkan dalam kondisi diam; Tidak ada angin. Kami menganggap pengembara sebagai "termal," sebagai Brownian Motion. Sama dengan masing-masing elektron dalam logam.

Animasi atom / elektron logam yang benar akan menggambarkan elektron melompat di kedua arah dengan arus nol. Atau, tunjukkan mereka bergerak-gerak di beberapa atom, dengan gerakan acak selama nol ampere. (Atau, perlihatkan bagian dalam kabel yang terlihat seperti 'salju televisi,' seperti derau putih yang berkedip-kedip.) Kemudian, selama arus DC, seluruh pola elektron perlahan-lahan akan bergeser menjadi satu kesatuan. Semakin tinggi ampere, semakin cepat alirannya. "Cairan white-noise" bergerak lambat, seperti air dalam pipa, tetapi partikel-partikel individual tidak pernah diam.

Perhatikan bahwa gambar ini TIDAK BERLAKU UNTUK SEMUA KONDUKTOR . Ini hanya berlaku untuk logam padat (bentuk konduktor yang paling umum digunakan dalam teknik listrik), tetapi tidak untuk air garam, asam, arus tanah, jaringan manusia / saraf, logam cair, logam bergerak, plasma, bunga api, dll. Listrik bukan t elektron, itulah sebabnya insinyur dan ilmuwan menggunakan "Arus Konvensional" yang berlaku untuk semua jenis konduktor. Aliran elektron dalam logam adalah kasus khusus dari arus listrik pada umumnya.

PS
Perhatikan bahwa elektron tidak terlihat! (Bahkan, elektron tentang satu-satunya hal yang yang terlihat.) Jadi, setiap kali kita melihat sebuah kawat telanjang, kita melihat elektron-laut-nya. Elektron seluler adalah reflektor ekstrim dari gelombang EM. Tampilan "logam" dari permukaan logam adalah pandangan kami tentang elektron bebas. Jadi, elektron seperti cairan keperakan. Selama arus listrik dalam logam, itu adalah benda keperakan yang mengalir bersama. Tetapi tidak ada kotoran atau gelembung dalam aliran ini, jadi meskipun kita dapat melihat "cairan," kita tidak bisa melihat gerakannya. (Heh, bahkan jika kita bisa melihat sesuatu bergerak, penyimpangan muatan akan terlalu lambat untuk diperhatikan; seperti jarum menit pada jam!)

Jika kabel adalah superkonduktor, arus memang bisa mengalir tanpa tegangan.

Ada contoh ini yang diberikan oleh salah satu guru saya.

Elektron tanpa tegangan sama seperti orang independen yang menyukai di kota acak. Mereka dengan senang hati bergerak bebas tetapi mereka bukan bagian dari gerakan apa pun. Mereka adalah individu yang tidak penting.

Sekarang tiba-tiba pihak asing menetapkan aturan. Itu membuat elektron berbaris ke pembentukan pihak asing (Bukan arus konvensional) dalam pemberontakan, pemberontak dll. Mereka adalah bagian dari gerakan dan itu disebut Arus.

Arus membutuhkan elektron dalam pita konduksi untuk mengalir, dan tanpa tegangan (atau tekanan sebagai analogi aliran), tidak ada energi untuk merangsang elektron ke dalam pita konduksi. Resistansi selalu ada karena sifat atomik, dan penurunan tegangan harus menjadi tegangan total karena resistansi pada dasarnya menjadi tak terbatas karena cangkang valensi dalam logam jauh berbeda dari pita konduksi karena terikat pada struktur kisi logam. Mereka membutuhkan eksitasi dan gradien untuk memutus ikatan mereka dengan valensi yang akan dilakukannya. Elektron valensi dapat berinteraksi tetapi mereka tidak terarah secara seragam dan tidak mengalir bebas seperti jika tereksitasi ke dalam pita konduksi. Ini tentu saja untuk logam konduktif sederhana.

Dari pertanyaan Anda, jelas bahwa Anda tidak tahu perbedaan antara gerakan elektron acak dan gerakan elektron terarah . Pergerakan elektron acak bukan arus. Pergerakan elektron terarah adalah .
Ini adalah tegangan yang memberikan arah ke elektron, sehingga menyebabkan aliran elektron terarah - "arus elektron."

Pernyataan Anda bahwa "sebuah elektron harus berpindah dari satu petunjuk ... ke yang lain, sama sekali tidak benar," salah . Faktanya adalah bahwa untuk setiap elektron yang "masuk" ke dalam kabel, elektron lain harus "keluar" dari ujung lainnya. Jika ini tidak terjadi, maka Anda tidak memiliki aliran saat ini! Inilah mengapa "tidak ada yang terjadi ketika Anda menghubungkan LED ke kabel" tanpa tegangan.

Kita diberitahu untuk tidak repot karena ada lebih banyak fisika di dalamnya dan kepentingannya kurang praktis.

Dalam fisika, kabel bukanlah kabel pendek tetapi memiliki resistansi, kapasitansi, dan induktansi. Ketika Anda menerapkan tegangan pada kabel, banyak yang berpikir terjadi.

Ketika tidak ada tegangan yang diberikan, tidak ada cukup elektron yang melompat dari atom ke atom untuk membuat cahaya LED.

Seorang ahli fisika dapat menjawabnya dengan lebih baik daripada EE. Ada bagian fisika dalam pertukaran tumpukan.