¿Por qué los electrones no son expulsados del conductor en un circuito abierto bajo la influencia de una fuente de energía?

Estás imaginando un circuito abierto para tener este aspecto:

Unamejoranalogíaseríaesta:

Las tuberías en un circuito no están rodeadas por un espacio libre para que fluya el agua, se canalizan a través de una roca. Donde no hay tubería, solo hay roca y el agua no fluye.

La analogía con el agua es muy limitada y no modela la forma en que se mueven los electrones en un cable. Siempre debe ser usado con mucho cuidado.

Dentro de un cable, la conductividad es alta (muchos electrones 'libres' zumban al azar) y un pequeño campo eléctrico (una diferencia de voltaje en cada extremo del cable) puede producir una corriente. Fuera del cable, la conductividad es muy baja y no hay campo eléctrico para superar la atracción de los iones metálicos cargados positivamente en el cable en caso de que un electrón salga de la superficie del cable.

Por otro lado, el agua (las moléculas) simplemente saldrá por el extremo de la tubería porque la fuerza que empuja el agua hacia el extremo abierto (debido a la presión del aire) es menor que la fuerza que expulsa el agua del sistema (presión de aire + gravedad + bomba?).

El agua puede escapar porque el interior y el exterior de la tubería es esencialmente el mismo medio y las moléculas se activan mediante presión (aire y bomba) y gravedad (interior) la tubería) y la gravedad (fuera de la tubería).

¿Es posible que los electrones escapen del cable?

Sí.

Para que los electrones escapen de su 'contenedor metálico' debe haber suficiente energía suministrada para romper los enlaces que los atan a los iones metálicos. Esto se puede hacer con fotones de alta energía (consulte el efecto fotoeléctrico y la función de trabajo) o calentando el metal (emisión termoiónica). Por supuesto, si esto se hace en el aire, los electrones no pueden llegar muy lejos antes de ser absorbidos, por lo que debe hacerse en el vacío.

Si el campo eléctrico es muy alto (como en las nubes cargadas), la chispa resultante es un rayo.

Hacer un agujero en un tanque de agua para que el agua pueda escapar es lo mismo que un cortocircuito en la electrónica. Bloquear una tubería de agua es lo mismo que abrir una conexión en circuito.

Recuerde, el tanque de agua es un "aislante de flujo de agua" y es lo mismo que un tubo bloqueado.

Todo es cuestión de igualar la presión.

Con el agua no es la presión del agua la que se está igualando, sino la presión atmosférica que actúa sobre el agua. El aire empuja hacia abajo en el agua y lo empuja fuera del agujero hasta que las presiones internas y externas se igualan.

Conecte un cable entre dos polos de una batería y la presión entre los dos polos puede igualarse.

Pegue un tapón en el orificio del tanque y el agua ya no puede fluir; la diferencia de presión entre el interior y el exterior ahora está arreglada. Agregue una resistencia muy alta entre los dos polos de una batería y la corriente ya no puede fluir (o fluir muy lentamente, el tapón tiene un goteo). Cuanto mayor sea la resistencia, más lento será el flujo.

El aire tiene una resistencia típica (según Wikipedia) de alrededor de \ $ 1.30 × 10 ^ {16} \ Omega / m \ $ a \ $ 3.30 × 10 ^ {16} \ Omega / m \ $, con un voltaje de ruptura de alrededor de 300 kV / m (que es la presión a la que el tapón sale del orificio del tanque).

El agua y la electricidad no funcionan de la misma manera. A veces, el agua en las tuberías se usa como una analogía para la corriente en los cables, pero esa analogía se rompe en el caso que está preguntando.

En realidad, la analogía sigue siendo válida si recuerda que el aire no conduce la electricidad, pero el aire conduce el flujo de agua fácilmente. Para hacer que la analogía del flujo de agua sea más precisa, tendría que imaginar todo, excepto el interior de las tuberías, que debe estar hecho de algún material sólido. Imagina que todo lo que es aire en realidad es algo de goma dura, por ejemplo. El agua no saldría de una tubería abierta porque no puede ir a ninguna parte.

Niveles de energía

Este efecto generalmente se explica por el concepto de niveles de energía . Los materiales se dividen en tres grupos: aislantes, conductores y semiconductores.

Para conductores ...

Desde el punto de vista de los niveles de energía (atómicos), para los conductores, no hay una brecha de energía entre la valencia banda y la banda de conducción . Luego, con muy poca energía, los electrones pueden ponerse en movimiento.

Para aisladores ....

Para el aislante, la brecha de energía entre la valencia y las bandas de conducción es mucho mayor, lo que significa que se necesita mucha energía para ubicar un electrón en la banda de conducción.

Luego, en un circuito abierto ...

En un circuito abierto, el aislamiento que rodea al conductor tiene un nivel de energía mucho mayor que estos. En condiciones normales, los electrones del conductor aislado no tienen suficiente energía para alcanzar la banda de conducción del aislante.

Pero ...

Sin embargo, si la energía aplicada al conductor aumenta significativamente, puede lograr un salto al material aislante; este efecto es descarga eléctrica o ruptura dieléctrica.

Los electrones están atrapados en un metal debido a la función de trabajo de ese metal. La función de trabajo es una medida de la energía del electrón en el metal a su energía en el espacio libre. (o en el vacío ... la presencia de aire es solo una complicación adicional.) Los electrones en un metal están siempre en un estado de energía más bajo que el estado de vacío. Si se aplica un campo eléctrico lo suficientemente fuerte al metal, los electrones pueden superar la función de trabajo y dejar el metal. (piense en un cátodo de tubo de vacío). Una analogía del agua es bastante fácil. El agua está en un cubo o canal con lados altos. (Pero es mejor pensar solo en electrones reales).

Cualquier diferencia entre el número de electrones en una región particular y el número de protones en esa región hará que los electrones cercanos sean atraídos o repelidos según sea necesario para igualar los números. La única razón por la que los electrones querrían abandonar una región sería que hubiera demasiados electrones en la región en relación con el número de electrones, o que una región cercana tuviera una escasez de electrones (en relación con los protones). Una fuente de alimentación "perfecta" de un amperio moverá un coulomb de electrones (que es una carga bastante grande) de un terminal a otro cada segundo. Si no salen electrones del terminal que está recibiendo todos esos electrones del suministro, no pasará mucho tiempo antes de que los electrones se encuentren tan saturados que comenzarán a salir incluso si eso significara que el lugar al que se dirigen estaría un poco lleno. (ya que estaría menos abarrotado que el lugar donde se van). Del mismo modo, si ningún terminal ingresa al terminal desde donde la fuente está tomando los electrones, su escasez de electrones se volverá lo suficientemente grave como para hacer que empiece a agarrar electrones de cualquier cosa cercana, incluso si eso causara una escasez de electrones cerca (ya que sería menos grave que la del terminal que está agarrando los electrones).

A medida que los electrones salen de un terminal y entran en el otro, esto reducirá la urgencia con que esos terminales necesitarán expulsar o adquirir electrones. Tenga en cuenta que, en términos relativos, se necesita un pequeño excedente o escasez de electrones para crear una fuerza esencialmente irresistible. La masa de electrones en un conductor no puede verse como incompresible, pero está muy cerca. En términos relativos muy aproximados, si un material típico tuviera el valor de electrones de una piscina, la diferencia entre una escasez grave y un hacinamiento grave sería menor que una gota.

Imagina esto:

Para la electricidad, la tubería se cura sola. El grosor de la pared es la distancia al otro conductor más cercano. Puede parecer un poco extraño pensar en mover cosas a través de una pared de tubería sólida como un cable a través del aire, pero si ignora esa parte de la física, la analogía funciona.

Si la "pared" es demasiado delgada para mantener la presión, perfora, lo que llamamos un arco. Esto también funciona a escalas muy pequeñas, como un chip de 5V que se arquea internamente cuando se alimenta con 12V.