¿Cómo cambia la velocidad de los electrones en un circuito?

Question

He estado pensando acerca de las formas de enseñanza de la electrónica y me pregunto si se cumple lo siguiente...

Para empezar, cuando hablamos de tensión como la energía por unidad de carga, es esta energía se manifiesta simplemente como la energía cinética de los electrones?

Así, todas las otras cosas iguales, los electrones que provienen de un 4 voltios de la batería tendrá el doble de la velocidad de los electrones que provienen de un 1 voltios de la batería debido a ${1 \over 2}mv^2$?

Esto implicaría que la caída de voltaje a través de diferentes partes del circuito es esencialmente una comparación de los electrones de las velocidades en los puntos.

Además no implica esto que los electrones son casi detenido en el momento de llegar a la terminal positiva de la batería? Esto hace sentido intuitivo para mí, parece pedagógicamente sonido, y proporciona una explicación de por qué los electrones "saber" para dar su energía a través del circuito -- repulsión electrostática se comunica más tarde resistencias a las primeras partes del circuito.

Cuánto de lo anterior es correcto? Una de las cosas que me hace sospechoso es que, en esta foto, de la densidad de electrones en el terminal positivo de la batería es muy alta, y las fuerzas repulsivas prohibiría este. Por otro lado, si el Joules por Coulomb no provienen de la energía cinética, entonces, ¿qué? El campo? Pero ¿no cree que se disipan como la luz?

Algo está mal pero no sé qué.

Answer 1

Si no había nada en el camino, a continuación, un electrón dejando el ánodo de un 4 voltios de la batería tendría una energía cinética de 4 electronvolts por el tiempo que se alcanza el cátodo.

Sin embargo, el camino libre medio de los electrones en los alambres de metal es muy corto, así que los electrones nunca construir cualquier cosa como esta velocidad. El resultado final es que el electrón velocidades son aleatorios, pero con una pequeña velocidad media desde el ánodo hacia el cátodo se llama la velocidad de arrastre. Para dar una idea de la diferencia de la electrónica de la velocidad correspondiente a 4eV es de alrededor de un millón de m/seg, pero la deriva de las velocidades son típicamente alrededor de 1 m/seg.

Para hacer una analogía - suponga que usted está de pie en una agradable brisa de un m/seg. De acuerdo a la de Maxwell-Boltzmann de la distribución de la velocidad de las moléculas de aire en la temperatura de la habitación es de 300 a 400 m/seg., pero sus indicaciones son aleatorios y se anulan. Te deja con una red de movimiento del aire de 1 m/seg. que es análoga a la velocidad de arrastre de los electrones en un circuito.

La mejor manera de enseñar electrónica para principiantes es el uso de la analogía hidráulica. Aunque puede parecer torpe a primera vista hidráulico de la analogía es muy útil. Usted puede incluso del modelo de elementos del circuito como condensadores.

Answer 2

Para empezar, cuando hablamos de tensión como la energía por unidad de carga, es esta energía se manifiesta simplemente como la energía cinética de los electrones?

El voltaje es el potencial de la energía por unidad de carga. Una analogía: la tensión está a cargo de la altitud (como en la superficie de la Tierra) es la masa.

Así que si usted levanta un 1 kg de roca en el suelo con una altura de 1m, que ha añadido algunas potencial gravitatoria a la roca. No se manifiesta como energía cinética?

Bueno, si se te cae en un de fricción, de menos de medio ambiente, tal vez. Pero cualquier número de otras cosas que podrían ocurrir. El espacio dentro de 1 m donde el objeto cae podría ser llenado de algunos viscoso goo. En ese caso, la mayor parte de la energía potencial gravitacional se convierte en calor por medio de la fricción. O, se podría diseñar un aparato para encender un generador como la masa cae, la conversión de su energía potencial gravitatoria en algún tipo de energía eléctrica. Tal vez le carga la batería, y se convierte en energía química.

Y, por supuesto, en la parte inferior de la caída probablemente golpea el suelo, la transferencia de impulso a la Tierra y el envío de energía en forma de sonido, entre otras cosas. No permanecer como energía cinética por mucho tiempo, la mayoría de las situaciones reales.

Y así es con la electricidad, también. Usted probablemente no va a encontrar nada similar a una sin lugar a "soltar" la carga eléctrica. Si la corriente pasa a través de una resistencia, entonces se convierte en calor. Si va a través de un motor, luego se convierte en energía mecánica.

Hay dispositivos que se lanzan electrones esencialmente en condiciones sin pérdida (tubos de vacío, Crt), pero la mayoría de estos dispositivos tienen algo que al final en la cual los electrones justo para hacer algo más (en el caso de la CRT, producir luz visible). En estos casos, la energía cinética de los electrones inmediatamente antes del impacto sería proporcional a la tensión a través de los que han caído, pero yo no sospecha esto es especialmente interesantes para la enseñanza de la electrónica en general. En todo caso, se demuestra que, incluso si la corriente es constante en un circuito en serie, la velocidad de los electrones no es necesariamente así.

Para saber qué pasa con el potencial eléctrico de la energía, usted necesita saber qué pasó con el cargo que se cayó.

Answer 3

No se equiparan con potencial en energía cinética. Cómo de rápido el flujo de electrones en un conductor tiene muy poco que ver con su potencial. Usted necesita considerar la corriente y la carga de la densidad de portadores para que. Dependiendo del material que usted puede tener un par de electrones rápidos o muchos más lento. En los semiconductores, el portador de la velocidad será mayor, es por ello que el efecto Hall se muestra más, por ejemplo.

Los electrones (portadores de carga) pierden energía, ya que están esparcidos por el material que viajar a través de. Esto se experimenta como la resistencia. Cuánta corriente fluye es una función del voltaje y de la resistencia - así que sí al doble de la tensión y todo lo demás es la misma, entonces el promedio de velocidad de arrastre de los portadores de carga dobles (el mismo número de transportistas que viajan dos veces más rápido). Pero esta velocidad es sorprendentemente bajo para un buen conductor - te recomiendo que tratan de calcular a convencer a ti mismo.

Answer 4

Para empezar, cuando hablamos de tensión como la energía por unidad de carga, es esta energía se manifiesta simplemente como la energía cinética de los electrones?

No, en absoluto.

Recordemos que, en los circuitos eléctricos, especialmente, la tensión no se mide en un punto (en general, el potencial en un punto físicamente no es significativa la diferencia de potencial de dos puntos es físicamente significativa).

Hablamos de la tensión a través de (o entre) dos terminales o nodos de un circuito.

Por ejemplo, no decimos que el terminal positivo de la batería tiene un voltaje de 1.5 V, decimos que el voltaje a través de (entre) los terminales positivo y negativo de la batería es de 1.5 V.

Ahora, como usted señala, el volt es joules por coulomb. Cómo interpretar esto?

En el caso de la batería por encima, el (ideal) de la batería hace 1 joule de trabajo en movimiento 1 coulomb de carga de la terminal negativa (menor potencial) al positivo (alto potencial) de la terminal de la batería.

Si la batería está conectado a una resistencia, la energía ganada por el coulomb de carga se convierte en calor en la resistencia.

La tasa en que se realiza el trabajo es el poder y que está dado por el producto de la tensión a través de y la actual (tasa de flujo de carga eléctrica) a través de.

Tenga en cuenta que la energía cinética no se ha mencionado. La batería (idealmente) hace la misma cantidad de trabajo 'bombeo' 1 coulomb de carga de negativa a positiva, independientemente de la velocidad a la que esta hecho.

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Además no implica esto que los electrones son casi detenido por al llegar a la terminal positiva de la batería?

Imaginemos, por ejemplo, una de 1,5 voltios de la batería se conecta a través de una longitud uniforme de conductor con un total de resistencia de 1 ohm. La corriente a través del conductor es, por la ley de Ohm, 1,5 amperios y, ya que el conductor es uniforme, la cantidad de carga que fluye a través de cualquier sección transversal en cualquier lugar a lo largo del conductor es de 1,5 coulombs por segundo.

Los electrones cerca del extremo positivo de la batería tiene menos de energía que los electrones cerca del extremo negativo de la batería, pero eso es debido a su posición en el campo eléctrico, es decir, su diferencia en la energía potencial.