Warum gibt es keinen Nettostrom in einem Draht ohne angelegte Spannung?

Atome von Materialien mit lose gebundenen äußersten Elektronen tauschen im Laufe der Zeit ständig Ladungen untereinander aus, und diese Materialien werden Leiter genannt. Der Leitungsprozess unterscheidet sich nun von dem, der in den Lehrbüchern der Elektrotechnik häufig beschrieben wird.

Dies impliziert, dass sich ein Elektron von einer Leitung zur anderen bewegen muss, damit Strom in der Schaltung fließt, was einfach nicht zutrifft. Die Realität sieht ungefähr so ​​aus:

Das Elektron ganz links, das zum Beispiel von der negativen Leitung einer Batterie kommt, kollidiert dann am nächsten Atom und schlägt aufgrund seiner Beschleunigung das Elektron aus, das sich auf dieser Hüllenebene dreht. Das geklopfte Elektron nähert sich seinem nächsten Atom und macht dasselbe, indem es ein Elektron ausschaltet, das eine Kettenreaktion auslöst. Im Grunde bewegen sich Elektronen nur wenig, aber das Gesamtergebnis ist praktisch augenblicklich.

Was ich nicht verstehe, ist, dass, wenn wir einen regulären leitenden Draht OHNE angelegte Spannung nehmen, die Elektronen immer noch von Atom zu Atom springen, was bedeutet, dass buchstäblich "ein Elektronenfluss" im Draht ist, aber wenn wir den Draht anschließen Bei einer LED-Diode würde nichts passieren. Was ich also wirklich frage, ist, wie sich "ein Elektronenfluss MIT angelegter Spannung" von "einem Elektronenfluss OHNE angelegter Spannung" in einem Draht unterscheidet.

Statistisch gesehen bewegen sich so viele Elektronen in eine Richtung wie im umgekehrten Winkel von 180 °, so dass praktisch kein Nettostrom fließt. Was wir als "Strom" bezeichnen, ist die Bewegung von mehr Elektronen in eine Richtung als in alle anderen (1D, 2D oder 3D durch ein Stück Metall). Auf diese Weise können "Tonnen freier Elektronen" erzeugt werden, aber es fließen keine Nettoströme oder sind messbar.

Die zufällige Bewegung dieser Elektronen hat einen Namen: thermisches Rauschen. Diese Bewegung ist proportional zur Temperatur, so dass Sie mehr davon erhalten, wenn Sie Dinge erhitzen. Die durchschnittliche Bewegung ist jedoch immer Null, sodass Sie niemals nützliche "Arbeit" leisten oder dem Prozess gleichwertig nutzbare Energie entziehen können.

Dies steht im Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik.

Kurze Antwort: Einige Lehrbücher sind mit einem Missverständnis infiziert, dem Gedanken, dass Elektronen immer die einzelnen Metallatome umkreisen. Nee. Sie werden Ihnen auch sagen, dass Elektronen nur zwischen Atomen springen, wenn eine Spannung entlang der Drähte angelegt wird. Falsch.

In Metallen haben die äußeren Elektronen jedes Metallatoms ihr ursprüngliches Atom verlassen. Dies passiert, wenn das Metall zum ersten Mal geformt wird. Wenn Elektronen an jedem Atom haften bleiben würden, wäre das Metall ein Isolator, und bei niedrigen Stromwerten wären die Ohm nicht konstant. In Wirklichkeit kreisen die Elektronen des äußeren oder "Leitungsbandes" die ganze Zeit über unter allen Metallatomen. Ein Metalldraht ähnelt einer Art "erstarrtem Plasma". Metalle sind komisch.

Physiker bezeichnen die mobile Elektronenpopulation des Metalls als "Elektronensee" oder "Ozean der Ladung". In der Chemie nennt man das "metallische Bindung".

Aus einer nicht quantitativen Sicht können wir Metallobjekte als Behälter betrachten, die mit einer "elektrischen Flüssigkeit" im Ben Franklin-Stil gefüllt sind! Die Elektronen des Metalls zittern mit hoher Geschwindigkeit und wandern überall herum, ähnlich wie die Gasmoleküle in einem Schlauch. Diese Elektronenbewegung verläuft jedoch in zufällige Richtungen. Es ist ein Speicher für Wärmeenergie, aber es hat keine einzige Richtung, also kein "Wind". kein elektrischer Strom. Für jedes Elektron, das in eine Richtung geht, gibt es eine andere, die rückwärts geht.

Daher ist ein tatsächlicher elektrischer Gleichstrom in einem Metall eine langsame durchschnittliche Drift dieser Elektronenwolke. Einzelne Elektronen bewegen sich natürlich nicht langsam. Stattdessen wandern sie fast die ganze Zeit mit Lichtgeschwindigkeit herum. Aber während eines Gleichstroms überlagert sich ihrem durchschnittlichen Wanderweg eine winzige Gleichstromdrift. Die Erdatmosphäre tut dasselbe: Jedes Molekül bewegt sich mit nahezu Schallgeschwindigkeit, auch unter toten Bedingungen. kein Wind. Wir betrachten das Wandern als "thermisch", als Brownsche Bewegung. Gleiches gilt für einzelne Elektronen in einem Metall.

Eine korrekte Animation von Atomen / Elektronen von Metallen würde die in beide Richtungen springenden Elektronen für Nullstrom darstellen. Oder zeigen Sie, wie sie über mehrere Atome mit zufälliger Bewegung bei null Ampere hin und her wackeln. (Oder zeigen Sie die Innenseite des Kabels wie „Fernsehschnee“, wie flackerndes weißes Rauschen.) Während eines Gleichstroms gleitet dann das gesamte Elektronenmuster langsam als Einheit entlang. Je höher die Amperezahl, desto schneller ist der Durchfluss. Das "flüssige weiße Rauschen" bewegt sich langsam wie Wasser in einer Pfeife, aber die einzelnen Partikel bleiben niemals still.

Beachten Sie, dass dieses Bild nicht für alle Leiter gilt . Dies gilt nur für feste Metalle (die in der Elektrotechnik am häufigsten verwendete Form von Leitern), nicht jedoch für Salzwasser, Säuren, Grundströme, menschliches Gewebe / Nerven, flüssige Metalle, bewegte Metalle, Plasma, Funken usw. t Elektronen, deshalb verwenden Ingenieure und Wissenschaftler den "konventionellen Strom", der für alle Arten von Leitern gilt. Der Elektronenfluss in Metallen ist im Allgemeinen ein Sonderfall für elektrische Ströme.

PS
Beachten Sie, dass Elektronen nicht unsichtbar sind! (In der Tat sind Elektronen über die einzigen Dinge, die die sichtbar sind.) Wenn wir also auf einen bloßen Draht schauen, sehen wir dessen Elektronenmeer. Die mobilen Elektronen sind extreme Reflektoren von EM-Wellen. Das "metallische" Aussehen einer Metalloberfläche ist unser Blick auf die freien Elektronen. Elektronen sind also wie eine silberne Flüssigkeit. Während elektrischer Ströme in einem Metall fließt das silberne Zeug mit. Aber es gibt keinen Schmutz oder Blasen in dieser Strömung, so dass wir, obwohl wir die "Flüssigkeit" sehen können, ihre Bewegung nicht sehen können. (Heh, selbst wenn wir sehen könnten, dass sich etwas bewegt, wäre die Ladungsdrift zu langsam, um es zu bemerken; wie der Minutenzeiger einer Uhr!)

Wenn der Draht ein Supraleiter ist, kann tatsächlich Strom ohne Spannung fließen.

Da war dieses Beispiel, das mir einer meiner Lehrer gegeben hat.

Elektronen ohne Spannung sind einfach wie unabhängige Menschen, die eine zufällige Stadt mögen. Sie bewegen sich gerne frei, sind aber nicht Teil einer Bewegung. Sie sind Individuen, die keine Rolle spielen.

Jetzt regiert plötzlich eine ausländische Partei. Das bringt Elektronen dazu, in Revolten, Rebellen usw. usw. zur Gründung der ausländischen Partei (nicht der konventionellen Strömung) zu marschieren. Sie sind Teil der Bewegung und werden als Strömung bezeichnet.

Strom benötigt Elektronen im Leitungsband, um zu fließen, und ohne Spannung (oder Druck als Flussanalogie) gibt es keine Energie, um die Elektronen in das Leitungsband anzuregen. Der Widerstand ist aufgrund der atomaren Eigenschaften immer vorhanden, und der Spannungsabfall muss die Gesamtspannung sein, da der Widerstand im Wesentlichen unendlich wird, da die Valenzschalen in Metallen sich stark von den Leitungsbändern unterscheiden, da sie an die Gitterstruktur des Metalls gebunden sind. Sie brauchen Erregung und ein Gefälle, um ihre Bindung an die Valenz zu lösen, die sie haben wird. Valenzelektronen können interagieren, sind jedoch nicht gleichmäßig gerichtet und fließen nicht frei, wie dies bei einer Anregung in das Leitungsband der Fall wäre. Dies gilt natürlich für einfache leitfähige Metalle.

Aus Ihrer Frage geht hervor, dass Sie den Unterschied zwischen zufälliger und gerichteter Elektronenbewegung nicht kennen . Die zufällige Elektronenbewegung ist nicht aktuell. Richtungselektronenbewegung ist .
Es ist die Spannung , die gibt Richtung auf die Elektronen, wodurch Richtungselektronenfluss - „Elektronenstrom“ , um den

Ihre Behauptung, ein Elektron müsse sich von einer Ableitung zur anderen bewegen, ist einfach nicht wahr, ist falsch . Tatsache ist, dass für jedes Elektron, das in den Draht "eintritt" , ein anderes Elektron am anderen Ende "austreten" muss . Wenn dies nicht geschieht, haben Sie keinen Stromfluss! Dies ist genau der Grund, warum "nichts passiert, wenn Sie die LED an das Kabel anschließen", ohne dass Spannung anliegt.

Uns wird gesagt, dass wir uns nicht darum kümmern sollen, weil es mehr Physik und weniger praktische Bedeutung gibt.

In der Physik ist der Draht kein Kurzschluss, sondern hat Widerstand, Kapazität und Induktivität.

Wenn keine Spannung anliegt, springen nicht genügend Elektronen von Atom zu Atom, um das LED-Licht zu erzeugen.

Ein Physisist könnte das besser beantworten als ein EE. Es gibt eine Physiksektion im Stapelaustausch.