Os elétrons realmente fluem quando uma voltagem é aplicada?


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Dizem nos livros que um circuito é um caminho fechado e, portanto, os elétrons retornam à fonte. Se for esse o caso, o que aconteceria quando houvesse uma falta à terra em um circuito? Como os elétrons retornariam à sua fonte?

Os elétrons realmente saem de seus átomos ou apenas vibram e transferem a energia dessa maneira quando aplicamos uma tensão?


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Discuti mais na minha resposta, mas os circuitos são um conceito abstrato. "os elétrons voltam à fonte" no resumo significa que eles devem atingir o potencial de referência. Por exemplo, uma bateria aterrada e a Terra: as cargas móveis podem atingir a Terra ou a bateria negativa, mas, como têm o mesmo potencial, estão efetivamente conectadas.
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Quando há uma falta à terra, os elétrons se movem através da falta à terra, através de uma conexão à terra, de volta à fonte. Se não houvesse conexão à terra, não haveria corrente, mesmo com uma falha à terra. Um circuito totalmente isolado seria mais seguro, mas essa é outra questão.
David #


Respostas:


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Pensar na corrente em termos de elétrons se movendo é o começo de um caminho para um pobre modelo mental de como a eletricidade funciona. Aqui estão apenas algumas coisas erradas:

  • Os elétrons são apenas uma das muitas transportadoras de carga. Qualquer íon também é um transportador de carga.

  • Os prótons que equilibram os elétrons são igualmente importantes. Se você tivesse apenas elétrons, todos os elétrons do universo seriam repelidos um do outro e disparados para o universo.

  • Os elétrons têm carga negativa, e você se confunde sem uma boa razão para pensar em como eles fluem de negativo para positivo. Na verdade, não importa.

  • Na verdade, os elétrons estão fervilhando em todas as direções aleatórias o tempo todo, e seu movimento devido à corrente é minúsculo, em comparação.

O importante é isso: portadores de carga (sendo um dos elétrons) podem ser usados ​​para transmitir uma força eletromotriz (geralmente chamada apenas de tensão). Este é um conceito bastante comum, realmente. Você pode empurrar uma extremidade de uma haste e transmitir uma força mecânica para a outra extremidade da haste. A vara se move, quando você faz isso? Bem, talvez, mas há duas coisas acontecendo aqui:

  1. a força é transmitida através da haste, como ondas que se propagam à velocidade do som nesse material
  2. se e somente se também transmitirmos energia, a haste se moverá, na maioria dos casos, a uma velocidade muito mais lenta

A diferença é óbvia para uma haste, mas como não podemos ver a carga elétrica, a diferença não é óbvia.

Então, sua pergunta foi: os elétrons realmente fluem quando uma tensão é aplicada? Estritamente falando, a resposta é talvez , e depende do que você quer dizer com fluxo . É semelhante à pergunta: uma corda se move quando você a puxa? Bem, se estiver preso a um balão, pode se mover bastante. Se estiver preso a uma parede de tijolos, pode não se mover.

O movimento dos portadores de carga (como elétrons) é atual . Se temos uma corrente, há um movimento líquido das transportadoras de carga. Realmente eles estão fervilhando por toda parte, assim como as moléculas individuais de água estão fervilhando em um cano, mesmo que não haja fluxo líquido. A corrente descreve o movimento médio. No caso de corrente contínua, o movimento médio está em círculo.

Como as transportadoras de carga individuais interagem para fazer isso é complicado, e é realmente uma questão de física, não de eletrônica. No entanto, sugiro que você verifique este tutorial do MIT em campos .


Mas depois de um monte de elétrons se separam, não se aconchegam em uma bola.
Wouter van Ooijen

@WoutervanOoijen sim, acho que você está certo :) De qualquer forma, seria um mundo muito diferente!
Phil Geada

90% de tudo o que leio está completamente errado quando se trata de elétrons se movendo e soltando elétrons.
9138 johnny

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Elétrons que se movem fisicamente quando uma voltagem é aplicada - de forma extremamente lenta .

Um circuito energizado a 100VDC, alimentando uma carga de 1A (como uma lâmpada) através de um fio de cobre de 2mm de diâmetro, verá elétrons se movendo na taxa de:

IQeR2π

Onde

  • Q é o número de elétrons por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente 8.5×1022
  • R é o raio do fio
  • e é a carga por elétron (aproximadamente 1.6×1019

Isso funciona para 8,4 cm / hora . Não é exatamente rápido.

O que é fundamental é o fato de que é a energia que percorre o circuito quase instantaneamente - e não os próprios elétrons. (Os elétrons formam uma 'estrada' conveniente para permitir que a energia flua rapidamente.)

É lamentável que o lento deslocamento de elétrons sob uma voltagem tenha o mesmo nome do fluxo de energia que realmente funciona em um circuito.


P=IEI=0 0

É verdade. Lembre-se, na CA, eles apenas se mexem e não circulam por si só.
Adam Lawrence

Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 é o número total de elétrons por volume de Cu. Apenas uma fração desses elétrons são elétrons livres que participam da condução ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Portanto, esta fórmula está errada.
Coalhada

@Curd seu número está errado, onde você conseguiu? > "Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 é o número total de elétrons por volume de Cu." Não, o número total de elétrons / cm ^ 3 para o cobre é 2,46x10 ^ 24. Portanto, se cada átomo contribui com apenas um elétron móvel para o mar de elétrons do metal, a densidade de elétrons livres é = 2,46e24 / N, onde N = 29 para o cobre. A equação acima está correta. Veja esse mesmo cálculo na física de Halliday / Resnick, ou na wikipedia, Drift_velocity
wbeaty

@wbeaty: sim, você está certo (eu não tenho Halliday, mas) recalculei e obtive cerca de rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 como número total de elétrons por cm ^ 3 (rho densisty, Mm massa molar, Na = Número do AVogadro). Não me lembro do meu cálculo há 2 anos ...
Requeijão

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Não confunda abstração conveniente com realidade física

  • "Circuitos" são um conceito abstrato projetado para nos ajudar a melhor razão do mundo.
  • elétrons são uma entidade física.

Uma observação sobre caminhos "fechados"

Circuitos de caminho fechado não implica que elétrons retornem à fonte. Além disso, os elétrons que saem da fonte raramente são os mesmos que retornam ao outro polo da fonte (veja a resposta de madmanguruman para a explicação da velocidade).

Analogias mecânicas

É como dominós que caem. A onda de energia se propaga através dos dominós em queda, mas os dominós não traduzem muito.

Lembre-se de que energia é a carga do elétron vezes a força aplicada a ele (tensão). São (predominantemente) as forças que estão se movendo através da estrutura metálica, não as cargas (elétrons).

Assim como nesta imagem:

insira a descrição da imagem aqui

As forças se transferem através das bolas, mas as bolas permanecem em grande parte no lugar. Diferentemente das esferas mecânicas, que são equilibradas pela gravidade, com elétrons em fios de metal a partir de células galvânicas (baterias), há uma lenta deriva geral dos elétrons (como carros presos no trânsito) para o outro lado.

Leitura adicional

Você pode considerar esta resposta que dei a uma pergunta semelhante relacionada à física.


Os circuitos são objetos macro comuns, enquanto os elétrons são bestas teóricas com forte comportamento de QM. Mas eu concordo: podemos eliminar muita abstração usando circuitos construídos a partir de areia carregada através de mangueiras ou bolas de metal carregadas em uma roda de plástico rotativa. Em qualquer caso, a deriva de carga (corrente) é necessária em qualquer circuito. Analogia: com uma correia de transmissão mecânica, empregue força / tensão cada vez mais alta a uma velocidade mais baixa, até que a correia se mova a metros / hora e transfira quilowatts. Ele só parece como se a força é mais importante que o movimento. Pare o cinto de sloooow e a energia também pára.
Wbeaty 11/08/2015

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Estamos falando de metais aqui. Normalmente, um objeto de metal não consiste em moléculas. Consiste em átomos de metal, todos agrupados. Isso é mostrado na figura abaixo:

insira a descrição da imagem aqui

Os círculos vermelhos são elétrons. Como você pode ver, você não pode realmente dizer a que átomo um elétron 'pertence'. Esses elétrons formam as conexões entre os átomos - então eles pertencem a dois átomos.

Agora, quando uma corrente começa a fluir, esses elétrons realmente se movem. Quando uma corrente flui, a energia é transferida. Como os átomos não podem se mover facilmente, os elétrons precisam se mover.

Você também pode ver isso na unidade Ampere de corrente: 1 ampere é igual a 1 Coulomb por segundo. O Coulomb (C) é a unidade de carga (Q). 1 Ampere significa que 1 Coulomb de carga passa um certo ponto em 1 segundo. Essa carga é produzida pelos elétrons que realmente fluem do objeto um para o objeto dois.

Quando falamos de corrente contínua (aplicação normal alimentada por bateria, por exemplo), esses elétrons não retornam à sua fonte. Considere este circuito:

insira a descrição da imagem aqui

No começo, há uma diferença de carga entre o pólo negativo e o positivo: o pólo negativo tem um excesso de elétrons. Isso cria uma força (tensão) e, como existe um elo entre os dois pólos (o fio e a lâmpada), os elétrons começam a fluir. Os elétrons se movem do pólo negativo através do bulbo para o pólo positivo, até que não haja mais diferença na carga (ou é tão pouco que não fará com que a corrente flua).

Agora você pode ver que esses elétrons não retornaram à sua fonte: eles começaram no pólo negativo e terminaram no pólo positivo.

Chamamos isso de caminho fechado porque há um círculo: a corrente começa na bateria e termina na bateria. Há confusão porque a bateria realmente existe de dois objetos: o pólo positivo e o negativo.

Veja este circuito (que é basicamente o mesmo, mas com um capacitor em vez de uma bateria e um resistor em vez de uma lâmpada):

insira a descrição da imagem aqui

A corrente flui do lado direito do capacitor (carga negativa, excesso de elétrons) através do resistor para o lado esquerdo do capacitor (carga positiva, falta de elétrons). Aqui, as placas do capacitor são separadas, para que você possa ver facilmente que na verdade não é um caminho fechado.

Apenas chamamos de caminho fechado, porque a corrente começa e termina no capacitor.

Como os elétrons realmente não precisam retornar à sua base, agora você pode entender que os elétrons também podem fluir para a Terra. Isso também é o que acontece com os raios. Os elétrons fluem das nuvens para a terra (ou o contrário, eu não saberia), apenas para neutralizar a diferença de carga.


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Em relação a raios: Ambas as direções. " Em média em todo o mundo, os raios negativos representam a grande maioria, cerca de 90% de todos os ataques. ... Aliás, acredita-se que os raios positivos sejam os mais perigosos, pois podem produzir correntes muito grandes, até 300.000 amps! "( fonte )
Anindo Ghosh,

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Eu gosto da sua energia @Camil (trocadilho intencional), mas você deve estar ciente de que há uma série de imprecisões sutis com esta resposta. A confusão não é que a bateria tenha dois pólos, a confusão é que os circuitos não descrevem o movimento de nenhum elétron - eles descrevem o comportamento agregado e a transferência de energia ... sua resposta continua a fazer as mesmas suposições confusas que levaram o OP para fazer a pergunta. Ou discuta em abstrato, nesse caso, a corrente deve retornar à fonte - ou - discuta o físico com elétrons e sua atitude de qualquer capacidade equipotencial da superfície.
DrFriedParts

ps - eu não votei para baixo. Só para constar, caso alguém o faça. -- "eu não!" ;)
DrFriedParts

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Também vale a pena apontar que, embora os elétrons não viajem através das baterias, a corrente sim. É por isso que uma bateria deve ter um eletrólito, e funciona exatamente porque os elétrons não podem viajar através dela, mas os íons positivos podem. Os íons positivos, viajando na direção oposta dos elétrons, impedem que os elétrons que se movem através do circuito criem um equilíbrio até que a energia química se esgote. Embora os íons e os elétrons se movam em direções opostas, eles têm cargas opostas e juntos formam um circuito completo de corrente em uma direção.
Phil Geada

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@CamilStaps um elétron individual seguirá um caminho aleatório em qualquer lugar que puder. Provavelmente, a maior parte desse movimento é atribuível ao ruído térmico, e não à máquina elétrica da qual faz parte. Somente se você fizer o movimento médio de muitos (mais de bilhões) de elétrons você perceberá que eles estão se movendo em uma direção mais do que em outra. E os circuitos não descrevem o fluxo de elétrons: eles descrevem o fluxo de corrente.
Phil Geada
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