전원의 영향을 받아 개방 회로에서 도체에서 전자가 방출되지 않는 이유는 무엇입니까?

종종 전류는 물 흐름과 비교됩니다. 예를 들어, 물 탱크에 구멍을 뚫 으면 물이 탱크 압력까지 흐르고 대기가 같지 않거나 탱크가 비게됩니다. 왜 전기로 이런 일이 발생하지 않습니까?

다음과 같이 개방 회로를 상상하고 있습니다.

더 나은 비유는 다음과 같습니다.

회로의 파이프는 물이 흐르기위한 여유 공간으로 둘러싸여 있지 않으며 바위를 통해 터널링됩니다. 파이프가없는 곳은 바위 만 있고 물은 흐르지 않습니다.

물의 비유는 매우 제한적이며 전자 가 와이어에서 움직이는 방식을 모델링하지 않습니다 . 항상주의해서 사용해야합니다.

전자는 원자에서 원자로 점프하여 매우 천천히 (약 1m / hour) 드리프트합니다. 완전한 회로 에서는 전류가 순간적으로 흐르는 것처럼 보이지만 불완전한 회로에서는 흐르지 않습니다 (전자를 이동시키는 전기장이 없음).

와이어 내부에서 전도도가 높고 (임의로 윙윙 거리는 '자유로운'전자가 많이 발생 함) 작은 전기장 (와이어의 각 끝에서 전압 차이)이 전류를 생성 할 수 있습니다. 와이어 외부에서 전도성은 매우 낮으며 전자가 와이어 표면을 떠나야하는 경우 와이어에서 양으로 하전 된 금속 이온의 인력을 극복하기위한 전기장이 없다.

다른 한편으로, 물 (분자)은 개방 단부에서 물을 밀어 넣는 힘 (공기 압력으로 인해)이 시스템 밖으로 물을 밀어내는 힘 (공기 압력)보다 작기 때문에 단순히 파이프 끝에서 흘러 나옵니다. + 중력 + 펌프?).

파이프의 내부와 외부 는 본질적으로 동일한 매체 이고 분자는 압력 (공기 및 펌프)과 중력 (파이프 내부) 및 중력 (파이프 외부)에 의해 작용 하기 때문에 물이 빠져 나갈 수 있습니다 .

전자가 전선을 빠져 나갈 수 있습니까?

예.

전자가 그들의 '금속 용기'를 빠져 나가기 위해서는 전자를 금속 이온에 묶는 결합을 끊기 위해 충분한 에너지가 공급되어야합니다. 이는 고 에너지 광자 (광전 효과 및 일 함수 참조) 또는 금속 가열 (열 이온 방출)로 수행 할 수 있습니다. 물론 이것이 공기 중에서 이루어지면 전자는 흡수되기 전에 멀리 갈 수 없으므로 진공 상태에서 이루어져야합니다.

전기장이 매우 높을 경우 (충전 된 구름에서와 같이) 스파크가 발생합니다.

물이 빠져 나갈 수 있도록 물 탱크에 구멍을 뚫는 것은 전자 기기의 단락과 같습니다. 수도관 차단은 개방 회로 연결과 동일합니다.

물 탱크는 "물 흐름 절연체"이며 막힌 파이프와 동일합니다.

그것은 모두 압력 평형의 문제입니다.

물의 경우 물의 압력이 평형을 이루는 것이 아니라 대기압이 물에 작용합니다. 공기가 물을 아래로 밀고 내부 및 외부 압력이 균등해질 때까지 공기를 구멍 밖으로 밀어냅니다.

배터리의 두 극 사이에 전선을 연결하면 두 극 사이의 압력이 동일해질 수 있습니다.

탱크의 구멍에 마개를 집어 넣으면 물이 더 이상 흐르지 않습니다. 내부와 외부의 압력 차이가 수정되었습니다. 배터리의 두 극 사이에 매우 높은 저항을 추가하면 전류가 더 이상 흐를 수 없습니다 (또는 매우 느리게 흐르면 마개에 물방울이 생깁니다). 저항이 높을수록 흐름이 느려집니다.

공기는 약 의 일반적인 저항 (위키 백과에 따름)을 갖습니다.$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

물과 전기는 같은 방식으로 작동하지 않습니다. 때로는 파이프의 물이 전선의 전류에 대한 유추로 사용되지만 요청하는 경우 유추가 무너집니다.

실제로 공기가 전기를 전도하지 않지만 공기가 쉽게 물을 흐르게한다는 사실을 기억한다면 유추는 여전히 유효합니다. 물 흐름을 더 정확하게 유추하려면 파이프 내부를 제외한 모든 것을 단단한 재료로 만들어야합니다. 예를 들어 공기 인 모든 것이 실제로 딱딱한 고무라고 상상해보십시오. 물은 어디로도 갈 수 없기 때문에 개방형 파이프에서 흘러 나오지 않습니다.

에너지 레벨

이 효과는 보통 에너지 수준 의 개념으로 설명됩니다 . 재료는 절연체, 도체 및 반도체의 세 그룹으로 나뉩니다.

지휘자를 위해 ...

도체의 경우 에너지 레벨 (원자)의 관점에서 볼 때 사이에 에너지 갭이 없습니다. 원자가 대역 과 전도 대역. 그런 다음 에너지가 거의 없으면 전자를 움직일 수 있습니다.

절연체 용 ...

절연체의 경우, 원자가와 전도대 사이의 에너지 갭이 훨씬 더 크므로 전도대에서 전자를 찾는 데 많은 에너지가 필요합니다.

그런 다음 개방 회로에서 ...

개방 회로에서 도체를 둘러싼 절연체는 이들보다 훨씬 높은 수준의 에너지를 갖습니다. 정상적인 조건에서 절연 도체의 전자는 절연체의 전도대에 도달하기에 충분한 에너지를 가지고 있지 않습니다.

그러나...

그러나 도체에 가해지는 에너지가 크게 증가하면 절연 재료로 점프 할 수 있습니다. 이 효과는 방전 또는 유전체 파열입니다.

전자는 금속의 일 함수로 인해 금속에 갇혀 있습니다. 일 함수는 자유 공간의 에너지에 대한 금속의 전자 에너지의 척도입니다. (또는 진공에서. 공기의 존재는 추가 된 합병증 일뿐입니다.) 금속의 전자는 항상 진공 상태보다 낮은 에너지 상태에 있습니다. 금속에 충분한 전기장이 가해지면 전자가 일 함수를 넘어서 금속을 떠날 수 있습니다. (진공관 음극에 대해 생각하십시오.) 물 비유는 상당히 쉽습니다. 물은 양동이나 통이 꽉 찬쪽에 있습니다. (그러나 실제 전자에 대해서만 생각하는 것이 좋습니다.)

특정 영역의 전자 수와 해당 영역의 양성자 수의 차이로 인해 숫자를 균등화하는 데 필요한만큼 근처의 전자가 끌 리거나 반발됩니다. 전자가 영역을 떠나고 자하는 유일한 이유는 전자의 수에 비해 해당 영역에 전자가 너무 많거나 근처의 전자가 부족하여 (양성자에 비해)있을 수 있습니다. "완벽한"1 암페어 전원 공급 장치는 한 쿨롱의 전자 (물론 큰 버킷로드)를 한 터미널에서 다른 터미널로 1 초마다 이동합니다. 전자가 공급원으로부터 모든 전자를받는 단자를 떠나지 않는다면, 전자가 과밀 해지기까지는 그리 오래 걸리지 않을 것입니다. 재 방문은 다소 혼잡 할 것입니다 (그들이 떠나는 곳보다 덜 혼잡하기 때문에). 마찬가지로, 전자가 공급되는 단자에 단자가 들어 가지 않으면 전자 부족이 빠르게 심해져 전자가 근처에서 전자를 잡을 수 있습니다. 전자를 잡는 터미널보다 덜 심하다).

전자가 한 터미널을 떠나 다른 터미널로 들어갈 때, 이는 전자가 방출되거나 전자를 획득해야하는 긴급 성을 감소시킵니다. 상대적인 관점에서, 본질적으로 저항 할 수없는 힘을 생성하기 위해서는 놀라운 작은 잉여 또는 전자 부족이 필요합니다. 도체의 전자 질량은 압축 불가능한 것으로 볼 수 없지만 매우 가깝습니다. 매우 거친 상대적인 용어로, 전형적인 물질에 수영장의 전자 가치가있는 경우, 심각한 부족과 과밀화의 차이는 하락보다 적습니다.

이것을 상상해보십시오 :

전기의 경우 파이프가 스스로 치유됩니다. 벽 두께는 가장 가까운 다른 도체와의 거리입니다. 공기를 통한 와이어처럼 단단한 파이프 벽을 통해 물건을 움직이는 것을 생각하는 것은 다소 이상하게 보일 수 있지만 물리의 해당 부분을 무시하면 유추가 작동합니다.

"벽"이 압력을 유지하기에 너무 얇 으면 구멍을 뚫습니다.이를 호라고합니다. 이것은 12V로 전원을 공급할 때 내부적으로 아크되는 5V 칩과 같이 매우 작은 규모에서도 작동합니다.