Итак, это мой пост, чтобы ответить на вопрос "поток тока против дрейфа электронов?" Это также коснется некоторых более глубоких концепций относительно движения очень маленьких частиц. Если это вас интересует, пожалуйста, продолжайте читать и не стесняйтесь критиковать / комментировать. Если нет, просто пропустите.
ОК, поэтому мы установили, что электроны движутся (дрейфуют) по проводу (или, по сути, по любому проводящему материалу), но они движутся очень медленно, хотя электричество, кажется, "делает вещи" почти мгновенно. Т.е. ток «течет» очень быстро.
Что такое ток?
Ток можно просто определить как поток заряда. Хорошо, это кажется довольно круглым, так как электрон (e-) является единицей заряда.
Проводящий материал (в данном случае медный провод) содержит миллиарды атомов меди, каждый из которых содержит ровно 29 электронов. Для 28 из этих электронов потенциальная энергия, необходимая для их «перемещения», относительно высока, но медь является хорошим проводником именно потому, что 29-му электрону требуется очень мало энергии для перемещения. Для тех, кого это действительно волнует, я обведу круг назад и посмотрю на движение отдельного электрона, поскольку оно связано со статистикой Ферми Дирака (на крайне элементарном уровне).
Таким образом, у нас есть 1 электрон в меди, что легко двигаться, и под легким я подразумеваю, что для этого требуется относительно мало потенциальной энергии. Эта потенциальная энергия измеряется в вольтах. Вольт - это то, сколько энергии движет электроны через проводящую среду, а ампер - это мера того, как движется ток.
Каждый электрон движется медленно, и его количество незначительное, но поскольку в миллиардах атомов меди существует так много потенциально свободных электронов, ток может быть большим.
Напряжение - это то, сколько «толчка» дается атомам, а амперами можно считать, сколько электронов движется и как быстро. Достаточное напряжение, и вы могли бы даже высвободить некоторые из других 28 электронов, создав еще больше ампер (или тока). Если нет энергии (нет напряжения), «свободные» электроны просто сгущаются, но когда вы увеличиваете напряжение, больше этих электронов начинает двигаться или дрейфовать. Они движутся / перемещаются на небольшое количество, но движутся тем не менее, но чем больше электронов движется, тем больше генерируется тока, почти так же, как когда вы добавляете тепловую энергию в котел с водой, молекулы воды начинают шаг. Чем больше тепла, тем больше движения. Та же идея (совершенно другой механизм действия).
Итак, это также объясняет, почему проволока работает лучше всего, когда она длинная и тонкая. Лист меди работает так же, как провод, но движение электронов в листе меди случайное. Провод в некоторой степени фокусирует движение.
Итак, наше напряжение толкает каждый электрон вдоль провода очень маленьким количеством (дрейф), но поскольку их так много (то есть электронов), совокупность поток тока может быть довольно большим, и кажется, что он движется мгновенно, потому что электроны в начале провода не должны двигаться полностью вниз по проводу, им просто нужно двигаться достаточно, чтобы подтолкнуть каждый электрон, который находится перед ним.
Думайте об этом как о скоплении нескольких машин на шоссе. Автомобиль сзади должен двигаться немного (дрифт), и он может двигаться впереди. Движение 1 машины аналогично дрифту, движение всех автомобилей будет течением тока.
Это очень простое объяснение. Все становится странным, когда мы пытаемся посмотреть на 1 отдельный электрон. Много электронов вместе ведут себя как мраморы, проталкиваемые через шланг. Каждый мрамор движется крошечное количество (дрейф), но им не нужно далеко ходить, потому что их так много, что толкают шарики впереди них. Расстояние, на которое перемещается отдельный мрамор, - это дрейф электронов, а все движущиеся шарики - это поток тока.
Этот пример, хотя и полезен для макроскопического исследования, просто неверен. Именно здесь мои коллеги-ученые начинают говорить что-то вроде: «Никто на самом деле не понимает электричество» и «Движение электронов слишком сложно, чтобы моделировать его с помощью мрамора». Несмотря на это, я собираюсь попробовать.
Я скажу это прямо сейчас, мы очень хорошо понимаем движение крошечных частиц, таких как электроны; квантовая механика делает фантастическую, удивительную, невероятную работу по моделированию субатомного движения. Нам не хватает естественного языка для объяснения математики. Математика работает отлично, мой язык - это то, что подведет меня (и вас), когда я продолжу свое объяснение. Квантовая механика может лучше всего рассматриваться как набор инструментов, набор математических инструментов, которые используются для объяснения движения и взаимодействия очень маленьких вещей.
Ранее я говорил о «свободных» электронах. Это неправильно, потому что все электроны свободны в том смысле, что они не только могут двигаться, они могут двигаться куда угодно. Химики думают об электронах в оболочках, где электроны вращаются вокруг ядра на дискретных орбитах, и требуется больше потенциальной энергии, чтобы сместить электрон ближе к ядру, чем электрон на внешней орбите.
Эта картина великолепна для химии (и для представления атома), но на самом деле это паршивая картина того, что на самом деле происходит. На самом деле, мы не можем точно знать, где находится какой-либо отдельный электрон, лучшее, что мы можем сделать, - это назначить вероятность. Чтобы назначить такую вероятность, мы используем то, что называется распределением Ферми-Дирака. Не беспокойтесь о том, что это на самом деле, просто подумайте об этом как о ключе в нашем механическом наборе инструментов Quantum. Это мощная логистическая функция, которая предсказывает вероятность единичной частицы (фермиона), к которой относится электрон.
Хорошо, это так глубоко, как я хочу, надеюсь, это поможет.