Por que os elétrons não são expulsos do condutor em um circuito aberto sob a influência de uma fonte de energia?

Freqüentemente, a corrente elétrica é comparada com o fluxo de água. Por exemplo, se eu fizer um buraco em um tanque de água, a água fluirá até a pressão do tanque e a atmosfera não ficar igual ou o tanque ficar vazio. Por que isso não acontece com a eletricidade?

Você está imaginando um circuito aberto para ficar assim:

Uma analogia melhor seria esta:

Os canos de um circuito não são cercados por espaço livre para a água fluir - eles são canalizados através de uma rocha. Onde não há cano, há apenas rocha e a água não flui.

A analogia da água é muito limitada e não modela a maneira como os elétrons se movem em um fio. Deve sempre ser usado com muito cuidado.

Os elétrons flutuam muito lentamente (cerca de 1m / hora) pulando de átomo em átomo. A corrente parece fluir instantaneamente em um circuito completo, mas não flui em um circuito incompleto (sem campo elétrico para mover os elétrons).

Dentro de um fio, a condutividade é alta (muitos elétrons "livres" zumbem aleatoriamente) e um pequeno campo elétrico (uma diferença de tensão em cada extremidade do fio) pode produzir uma corrente. Fora do fio, a condutividade é muito baixa e não há campo elétrico para superar a atração dos íons metálicos carregados positivamente no fio, caso um elétron saia da superfície do fio.

Por outro lado, a água (moléculas) simplesmente flui para fora da extremidade do tubo porque a força que empurra a água pela extremidade aberta (devido à pressão do ar) é menor que a força que empurra a água para fora do sistema (pressão do ar + gravidade + bomba?).

A água pode escapar porque o interior e o exterior do tubo são essencialmente o mesmo meio e as moléculas são acionadas por pressão (ar e bomba) e gravidade (dentro do tubo) e gravidade (fora do tubo).

É possível que os elétrons escapem do fio?

Sim.

Para que os elétrons escapem de seu 'recipiente de metal', deve haver energia suficiente para romper as ligações que os prendem aos íons metálicos. Isso pode ser feito com fótons de alta energia (consulte o efeito fotoelétrico e a função de trabalho) ou aquecendo o metal (emissão termiônica). Obviamente, se isso for feito no ar, os elétrons não podem ir muito longe antes de serem absorvidos, portanto, isso deve ser feito no vácuo.

Se o campo elétrico for muito alto (como nas nuvens carregadas), a faísca resultante será um raio.

Fazer um buraco no tanque de água para que a água possa escapar é o mesmo que um curto-circuito na eletrônica. Bloquear um cano de água é o mesmo que abrir uma conexão em um circuito.

Lembre-se, o tanque de água é um "isolador de fluxo de água" e é o mesmo que um tubo bloqueado.

É tudo uma questão de equalização de pressão.

Com a água, não é a pressão da água que está se igualando, mas a pressão atmosférica agindo sobre a água. O ar empurra a água e empurra-a para fora do buraco até que as pressões interna e externa sejam equalizadas.

Conecte um fio entre dois pólos de uma bateria e a pressão entre os dois pólos pode ser igualada.

Enfie uma rolha no orifício do tanque e a água não poderá mais fluir - a diferença de pressão entre o interior e o exterior está agora fixa. Adicione uma resistência muito alta entre os dois pólos da bateria e a corrente não poderá mais fluir (ou fluir muito lentamente - a rolha tem um gotejamento). Quanto maior a resistência, mais lento o fluxo.

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

Água e eletricidade não funcionam da mesma maneira. Às vezes, a água nos tubos é usada como uma analogia para a corrente nos fios, mas essa analogia se quebra no caso em que você está perguntando.

Na verdade, a analogia ainda é válida se você se lembrar de que o ar não conduz eletricidade, mas conduz o fluxo de água com facilidade. Para tornar a analogia do fluxo de água mais precisa, você teria que imaginar tudo, exceto o interior dos tubos, para ser feito de algum material sólido. Imagine tudo o que é ar na verdade sendo um pouco de borracha dura, por exemplo. A água não flui de um cano aberto porque não pode ir a lugar algum.

Níveis de energia

Este efeito é geralmente explicado pelo conceito de níveis de energia . Os materiais são divididos em três grupos: isoladores, condutores e semicondutores.

Para condutores ...

Do ponto de vista dos níveis de energia (atômica), para os condutores, não há diferença de energia entre a banda de valência e a banda de condução . Então, com muito pouca energia, os elétrons podem ser acionados.

Para isoladores ....

Para o isolador, a diferença de energia entre as bandas de valência e de condução é muito maior, o que significa que é necessária muita energia para localizar um elétron na banda de condução.

Então, em um circuito aberto ...

Em um circuito aberto, o isolamento ao redor do condutor tem um nível de energia muito maior do que estes. Sob condições normais, os elétrons do condutor isolado não possuem energia suficiente para alcançar a banda de condução do isolador.

Mas...

No entanto, se a energia aplicada ao condutor for aumentada significativamente, poderá obter um salto no material isolante; esse efeito é descarga elétrica ou ruptura dielétrica.

Os elétrons ficam presos em um metal por causa da função de trabalho desse metal. A função de trabalho é uma medida da energia do elétron no metal para sua energia no espaço livre. (ou no vácuo. a presença de ar é apenas uma complicação adicional.) Os elétrons de um metal estão sempre em um estado de energia mais baixo que o estado de vácuo. Se um campo elétrico forte o suficiente for aplicado ao metal, os elétrons poderão substituir a função de trabalho e deixar o metal. (pense em um cátodo de tubo de vácuo.) Uma analogia com a água é bastante fácil. A água está em um balde ou calha com lados altos. (Mas é melhor pensar apenas em elétrons reais.)

Qualquer diferença entre o número de elétrons em uma região específica e o número de prótons nessa região fará com que os elétrons próximos sejam atraídos ou repelidos conforme necessário para equalizar os números. As únicas razões pelas quais os elétrons gostariam de deixar uma região seriam que havia muitos elétrons na região em relação ao número de elétrons ou que uma região próxima tinha escassez de elétrons (em relação aos prótons). Uma fonte de alimentação "perfeita" de um amplificador moverá um coulomb de elétrons (que é uma carga de balde bastante grande) de um terminal para o outro a cada segundo. Se nenhum elétron deixar o terminal que está recebendo todos os elétrons da fonte, não demorará muito para que os elétrons fiquem tão superlotados que começarão a sair, mesmo que isso signifique o lugar em que eles ' voltar seria um pouco superlotado (já que seria menos superlotado do que o lugar que eles estão saindo). Da mesma forma, se nenhum terminal entrar no terminal a partir do qual o suprimento está retirando os elétrons, sua falta de elétrons rapidamente se tornará grave o suficiente para fazer com que ele comece a pegar elétrons de qualquer coisa próxima, mesmo que isso cause uma falta de elétrons nas proximidades (já que seria menos terrível do que o do terminal que está pegando os elétrons).

Quando os elétrons saem de um terminal e entram no outro, isso reduz a urgência com que esses terminais precisam expulsar ou adquirir elétrons. Observe que em termos relativos, é preciso um pequeno excedente ou escassez incrível de elétrons para criar uma força essencialmente irresistível. A massa de elétrons em um condutor não pode ser vista como incompressível, mas é muito próxima. Em termos relativos muito aproximados, se um material típico tivesse o valor de elétrons de uma piscina, a diferença entre uma escassez severa e uma superlotação severa seria menor que uma gota.

Imagina isto:

Para eletricidade, o tubo se cura. A espessura da parede é a distância do outro condutor mais próximo. Pode parecer meio estranho pensar em mover as coisas através de uma parede sólida de canos como um fio no ar, mas se você ignorar essa parte da física, a analogia funciona.

Se a "parede" é muito fina para suportar a pressão, ela perfura, o que chamamos de arco. Também funciona em escalas muito pequenas, como um chip de 5V arqueado internamente quando alimentado com 12V.