Pourquoi les électrons ne sont-ils pas expulsés du conducteur sur un circuit ouvert sous l'influence d'une source d'alimentation?

Fréquemment, le courant électrique est comparé au débit d'eau. Par exemple, si je fais un trou dans un réservoir d'eau, l'eau coulera jusqu'à ce que la pression du réservoir et l'atmosphère ne deviennent pas égales ou que le réservoir devienne vide. Pourquoi cela ne se produit-il pas avec l'électricité?

Vous imaginez un circuit ouvert ressemblant à ceci:

Une meilleure analogie serait la suivante:

Les tuyaux d'un circuit ne sont pas entourés d'espace libre pour que l'eau coule - ils sont tunnelisés à travers une roche. Là où il n'y a pas de tuyau, il n'y a que de la pierre et l'eau ne coule pas.

L'analogie avec l'eau est très limitée et ne modélise pas la façon dont les électrons se déplacent dans un fil. Il doit toujours être utilisé avec grand soin.

Les électrons dérivent très lentement (environ 1 m / heure) en sautant d'atome en atome. Le courant semble circuler instantanément dans un circuit complet mais ne circulera pas dans un circuit incomplet (pas de champ électrique pour déplacer les électrons).

À l'intérieur d'un fil, la conductivité est élevée (de nombreux électrons «libres» bourdonnent au hasard) et un petit champ électrique (une différence de tension à chaque extrémité du fil) peut produire un courant. À l'extérieur du fil, la conductivité est très faible et il n'y a pas de champ électrique pour surmonter l'attraction des ions métalliques chargés positivement dans le fil si un électron quitte la surface du fil.

L'eau (molécules), par contre, s'écoulera simplement de l'extrémité du tuyau parce que la force qui pousse l'eau à l'extrémité ouverte (en raison de la pression de l'air) est inférieure à la force qui pousse l'eau hors du système (pression de l'air). + gravité + pompe?).

L'eau peut s'échapper car l'intérieur et l'extérieur du tuyau sont essentiellement le même milieu et les molécules sont soumises à la pression (air et pompe) et à la gravité (à l'intérieur du tuyau) et à la gravité (à l'extérieur du tuyau).

Les électrons peuvent-ils s'échapper du fil?

Oui.

Pour que les électrons s'échappent de leur «contenant métallique», il doit y avoir suffisamment d'énergie fournie pour briser les liaisons qui les lient aux ions métalliques. Cela peut être fait avec des photons à haute énergie (voir effet photo-électrique et fonction de travail) ou en chauffant le métal (émission thermo-ionique). Bien sûr, si cela se fait dans l'air, les électrons ne peuvent pas aller très loin avant d'être absorbés, il faut donc le faire dans le vide.

Si le champ électrique est très élevé (comme dans les nuages ​​chargés), l'étincelle qui en résulte est un éclair.

Faire un trou dans un réservoir d'eau pour que l'eau puisse s'échapper est la même chose qu'un court-circuit dans l'électronique. Bloquer une conduite d'eau équivaut à ouvrir une connexion.

N'oubliez pas que le réservoir d'eau est un «isolateur d'écoulement d'eau» et est identique à un tuyau bouché.

Tout est une question d'égalisation de pression.

Avec l'eau, ce n'est pas la pression de l'eau qui égalise, mais la pression atmosphérique qui agit sur l'eau. L'air pousse l'eau vers le bas et la pousse hors du trou jusqu'à ce que les pressions intérieure et extérieure soient égalisées.

Connectez un fil entre deux pôles d'une batterie et la pression entre les deux pôles peut égaliser.

Collez un bouchon dans le trou du réservoir et l'eau ne peut plus couler - la différence de pression entre l'intérieur et l'extérieur est maintenant fixée. Ajoutez une résistance très élevée entre les deux pôles d'une batterie et le courant ne peut plus circuler (ou circuler très lentement - la bonde a un goutte à goutte). Plus la résistance est élevée, plus le débit est lent.

$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

L'eau et l'électricité ne fonctionnent pas de la même manière. Parfois, l'eau dans les tuyaux est utilisée comme analogie pour le courant dans les fils, mais cette analogie tombe en panne dans le cas dont vous parlez.

En fait, l'analogie est toujours valable si vous vous souvenez que l'air ne conduit pas l'électricité, mais l'air conduit facilement le flux d'eau. Pour rendre l'analogie de l'écoulement de l'eau plus précise, vous devez tout imaginer, sauf l'intérieur des tuyaux, en matériau solide. Imaginez que tout ce qui est de l'air soit en fait du caoutchouc dur, par exemple. L'eau ne s'écoulerait pas d'un tuyau ouvert car elle ne peut aller nulle part.

Niveaux d'énergie

Cet effet s'explique généralement par le concept de niveaux d'énergie . Les matériaux sont divisés en trois groupes: isolateurs, conducteurs et semi-conducteurs.

Pour les conducteurs ...

Du point de vue des niveaux d'énergie (atomique), pour les conducteurs, il n'y a pas d'intervalle d'énergie entre la bande de valence et la bande de conduction . Ensuite, avec très peu d'énergie, les électrons peuvent être mis en mouvement.

Pour les isolateurs ....

Pour l'isolateur, l'écart d'énergie entre les bandes de valence et de conduction est beaucoup plus grand, ce qui signifie que beaucoup d'énergie est nécessaire pour localiser un électron dans la bande de conduction.

Puis, en circuit ouvert ...

Dans un circuit ouvert, l'isolation entourant le conducteur a un niveau d'énergie beaucoup plus élevé que ceux-ci. Dans des conditions normales, les électrons du conducteur isolé n'ont pas assez d'énergie pour atteindre la bande de conduction de l'isolateur.

Mais...

Cependant, si l'énergie appliquée au conducteur est augmentée de manière significative, il peut réaliser un saut vers le matériau isolant; cet effet est une décharge électrique ou une rupture diélectrique.

Les électrons sont piégés dans un métal en raison de la fonction de travail de ce métal. La fonction de travail est une mesure de l'énergie de l'électron dans le métal à son énergie dans l'espace libre. (ou dans le vide .. la présence d'air n'est qu'une complication supplémentaire.) Les électrons dans un métal sont toujours dans un état d'énergie inférieur à l'état de vide. Si un champ électrique suffisamment fort est appliqué au métal, les électrons peuvent dépasser la fonction de travail et quitter le métal. (pensez à une cathode à tube à vide.) Une analogie avec l'eau est assez facile. L'eau est dans un seau ou une auge à côtés hauts. (Mais il vaut mieux penser aux vrais électrons.)

Toute différence entre le nombre d'électrons dans une région particulière et le nombre de protons dans cette région entraînera l'attraction ou la répulsion des électrons voisins selon les besoins pour égaliser les nombres. Les seules raisons pour lesquelles les électrons voudraient quitter une région seraient soit qu'il y avait trop d'électrons dans la région par rapport au nombre d'électrons, soit qu'une région voisine avait une pénurie d'électrons (par rapport aux protons). Une alimentation "parfaite" d'un ampère déplacera un coulomb d'électrons (c'est une charge de godet assez importante) d'un terminal à l'autre chaque seconde. Si aucun électron ne quitte le terminal qui reçoit tous ces électrons de l'alimentation, il ne faudra pas longtemps pour que les électrons soient tellement surpeuplés qu'ils commenceront à partir même si cela signifierait l'endroit où ils '' repartir serait quelque peu surpeuplé (car il serait moins surpeuplé que l'endroit où ils partent). De même, si aucun terminal n'entre dans le terminal d'où l'approvisionnement prend les électrons, sa pénurie d'électrons deviendra rapidement suffisamment grave pour l'amener à commencer à attraper des électrons de tout ce qui se trouve à proximité, même si cela entraînerait une pénurie d'électrons à proximité (car elle serait moins terrible que celle du terminal qui saisit les électrons).

Comme les électrons quittent un terminal et entrent dans l'autre, cela réduira l'urgence avec laquelle ces terminaux devront expulser ou acquérir des électrons. Notez qu'en termes relatifs, il faut un surprenant petit surplus ou une pénurie d'électrons pour créer une force essentiellement irrésistible. La masse d'électrons dans un conducteur ne peut pas être considérée comme incompressible, mais elle est très proche. En termes relatifs très approximatifs, si un matériau typique avait la valeur des électrons d'une piscine, la différence entre une grave pénurie et une surpopulation sévère serait inférieure à une goutte.

Imagine ça:

Pour l'électricité, le tuyau se guérit. L'épaisseur de la paroi est la distance par rapport à l'autre conducteur le plus proche. Cela peut sembler un peu bizarre de penser à déplacer des choses à travers une paroi de tuyau solide comme un fil dans l'air, mais si vous ignorez cette partie de la physique, l'analogie fonctionne.

Si le «mur» est trop mince pour maintenir la pression, il le perce à travers ce que nous appelons un arc. Cela fonctionne également à de très petites échelles, comme une puce de 5 V s'arquant en interne lorsqu'elle est alimentée en 12V.