Apakah elektron benar-benar mengalir ketika tegangan diberikan?

Dikatakan dalam buku bahwa sirkuit adalah jalur tertutup dan dengan demikian elektron kembali ke sumbernya. Jika itu masalahnya, apa yang akan terjadi ketika ada gangguan pembumian di sirkuit? Bagaimana elektron akan kembali ke sumbernya?

Apakah elektron benar-benar bergerak keluar dari atom mereka atau mereka hanya bergetar dan mentransfer energi seperti itu ketika kita menerapkan tegangan?

Berpikir tentang arus dalam hal elektron yang bergerak di sekitar adalah awal dari jalan menuju model mental yang buruk tentang bagaimana listrik bekerja. Berikut adalah beberapa hal yang salah dengan itu:

• Elektron hanyalah salah satu dari banyak pembawa muatan. Ion apa pun juga merupakan pembawa muatan.

• Proton yang menyeimbangkan elektron sama pentingnya. Jika Anda hanya memiliki elektron, maka semua elektron di alam semesta akan saling tolak dari satu sama lain dan ditembakkan ke alam semesta.

• Elektron memiliki muatan negatif, dan Anda akan membingungkan diri sendiri tanpa alasan yang baik untuk berpikir tentang bagaimana mereka mengalir dari negatif ke positif. Sebenarnya tidak masalah sama sekali.

• Elektron sebenarnya berkeliaran di semua arah acak sepanjang waktu, dan gerakannya karena arus sangat kecil, sebagai perbandingan.

Yang penting adalah ini: pembawa muatan (elektron menjadi salah satunya) dapat digunakan untuk mengirimkan gaya gerak listrik (biasanya disebut tegangan saja). Ini adalah konsep yang cukup biasa. Anda dapat mendorong satu ujung batang, dan mengirimkan kekuatan mekanis ke ujung batang lainnya. Apakah tongkat itu bergerak, kapan kamu melakukan ini? Mungkin, tetapi ada dua hal yang terjadi di sini:

1. kekuatan ditransmisikan melalui batang, seperti gelombang yang merambat dengan kecepatan suara dalam materi itu
2. jika dan hanya jika kita juga mentransmisikan daya, batang bergerak, pada kebanyakan kasus dengan kecepatan jauh lebih lambat

Perbedaannya jelas untuk batang, tetapi karena kita tidak dapat melihat muatan listrik, perbedaannya tidak jelas.

Jadi, pertanyaan Anda adalah: Apakah elektron benar-benar mengalir ketika tegangan diberikan? Sebenarnya, jawabannya adalah mungkin , dan itu tergantung pada apa yang Anda maksud dengan aliran . Ini mirip dengan pertanyaan, apakah tali bergerak ketika Anda menariknya? Nah, jika itu melekat pada balon, itu mungkin banyak bergerak. Jika itu melekat pada dinding bata, itu mungkin tidak bergerak sama sekali.

Gerakan pembawa muatan (seperti elektron) adalah arus . Jika kita memiliki arus, maka ada pergerakan bersih dari pembawa muatan. Sungguh mereka berkerumun di seluruh, sama seperti molekul air individu berkerumun di dalam pipa, bahkan jika tidak ada aliran bersih. Arus menggambarkan pergerakan rata-rata. Dalam kasus arus DC, gerakan rata-rata dalam lingkaran.

Bagaimana masing-masing pembawa muatan berinteraksi untuk mencapai hal ini rumit, dan ini benar-benar pertanyaan fisika, bukan pertanyaan elektronik. Namun, saya sarankan Anda melihat tutorial MIT di bidang ini .

Elektron yang secara fisik bergerak ketika tegangan diterapkan - sangat lambat .

Sebuah sirkuit diberi energi pada 100VDC, memberi daya pada beban 1A (seperti bola lampu) melalui kabel tembaga berdiameter 2mm akan melihat elektron bergerak dengan kecepatan:

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

dimana

• Q adalah jumlah elektron per sentimeter kubik tembaga (sekitar $8.5 \times 10^{22}$
• R adalah jari-jari kawat
• e adalah muatan per elektron (sekitar $1.6 \times 10^{-19}$ coulomb)

Ini berhasil hingga 8,4 cm / jam . Tidak terlalu cepat.

Apa kuncinya adalah kenyataan bahwa energi yang melaju melalui sirkuit hampir secara instan - bukan elektron itu sendiri. (Elektron membuat 'jalan raya' yang nyaman untuk memungkinkan energi mengalir dengan cepat.)

Sangat disayangkan bahwa pergeseran elektron yang lambat di bawah tegangan berakhir dengan nama yang sama dengan aliran energi yang benar-benar bekerja dalam suatu rangkaian.

Jangan bingung antara abstraksi yang nyaman dengan realitas fisik

• "Sirkuit" adalah konsep abstrak yang dirancang untuk membantu kita alasan yang lebih baik tentang dunia.
• elektron adalah entitas fisik.

Catatan tentang jalur "tertutup"

Sirkuit jalur tertutup tidak menyiratkan elektron kembali ke sumbernya. Lebih jauh, elektron yang meninggalkan sumber sangat jarang merupakan elektron yang sama yang kembali ke kutub lain sumber (lihat jawaban @ madmanguruman untuk penjelasan kecepatan).

Analogi mekanis

Ini seperti domino yang jatuh. Gelombang energi merambat melalui domino yang jatuh, tetapi domino tidak menerjemahkan banyak.

Ingat energi adalah muatan elektron yang dikalikan gaya yang diberikan padanya (tegangan). Ini (sangat) kekuatan yang bergerak melalui kisi logam, bukan muatan (elektron).

Seperti dalam gambar ini:

Pasukan mentransfer melintasi bola, tetapi bola sebagian besar tetap di tempatnya. Berbeda dengan bola mekanik, yang diimbangi oleh gravitasi, dengan elektron di kabel logam dari sel galvanik (baterai), ada penyimpangan keseluruhan yang lambat dari elektron (seperti mobil terjebak dalam lalu lintas) ke ujung lainnya.

Bacaan lebih lanjut

Anda mungkin mempertimbangkan jawaban ini yang saya berikan pada pertanyaan fisika terkait yang serupa.

Kita berbicara tentang logam di sini. Biasanya, benda logam tidak terdiri dari molekul. Terdiri dari atom logam, semua dikelompokkan bersama. Ini ditunjukkan pada gambar di bawah ini:

Lingkaran merah adalah elektron. Seperti yang dapat Anda lihat, Anda tidak dapat benar-benar mengatakan atom apa yang dimiliki 'elektron'. Elektron-elektron ini membentuk hubungan antara atom-atom - sehingga mereka memiliki dua atom.

Sekarang, ketika arus mulai mengalir, elektron-elektron ini memang bergerak. Ketika arus mengalir, energi ditransfer. Karena atom tidak dapat bergerak dengan mudah, elektron harus bergerak.

Anda dapat melihat ini dalam satuan Ampere arus juga: 1 ampere sama dengan 1 Coulomb per detik. Coulomb (C) adalah satuan muatan (Q). 1 Ampere berarti 1 Coulomb of charge melewati titik tertentu dalam 1 detik. Muatan ini dihasilkan oleh elektron yang benar-benar mengalir dari objek satu ke objek dua.

Ketika kita berbicara tentang arus DC (aplikasi bertenaga baterai normal, misalnya), elektron ini tidak akan kembali ke sumbernya. Pertimbangkan sirkuit ini:

Pada awalnya, ada perbedaan muatan antara kutub negatif dan kutub positif: kutub negatif memiliki surplus elektron. Ini menciptakan gaya (tegangan), dan karena ada hubungan antara dua kutub (kawat dan bohlam), elektron mulai mengalir. Elektron bergerak dari kutub negatif melalui bola ke kutub positif, sampai tidak ada perbedaan muatan lagi (atau hanya sedikit yang tidak akan menyebabkan arus mengalir).

Anda sekarang dapat melihat bahwa elektron-elektron ini tidak kembali ke sumbernya: mereka mulai di kutub negatif dan berakhir di kutub positif.

Kami menyebutnya jalur tertutup karena ada lingkaran: arus dimulai pada baterai dan berakhir pada baterai. Ada kebingungan karena baterai sebenarnya ada dari dua objek: kutub positif dan negatif.

Lihatlah sirkuit ini (yang pada dasarnya sama, tetapi dengan kapasitor, bukan baterai dan resistor, bukan bohlam):

Arus mengalir dari sisi kanan kapasitor (bermuatan negatif, surplus elektron) melalui resistor ke sisi kiri kapasitor (bermuatan positif, kekurangan elektron). Di sini, pelat kapasitor dipisahkan, sehingga Anda dapat dengan mudah melihat bahwa itu sebenarnya bukan jalur tertutup.

Kami hanya menyebutnya jalur tertutup, karena saat ini dimulai dan berakhir pada kapasitor.

Karena elektron tidak benar-benar harus kembali ke pangkalannya, Anda sekarang dapat memahami bahwa elektron dapat mengalir ke bumi juga. Ini juga yang terjadi dengan kilat. Elektron mengalir dari awan ke bumi (atau sebaliknya, saya tidak akan tahu), hanya untuk menetralkan perbedaan yang bertanggung jawab.