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

Con frecuencia, la corriente eléctrica se compara con el flujo de agua. Por ejemplo, si hago un agujero en un tanque de agua, el agua fluirá hasta que la presión del tanque y la atmósfera no se igualen o el tanque se vacíe. ¿Por qué esto no sucede con la electricidad?

Te estás imaginando un circuito abierto como este:

Una mejor analogía sería esta:

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

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

Los electrones se desplazan muy lentamente (aproximadamente 1 m / hora) saltando de átomo a átomo. La corriente parece fluir instantáneamente en un circuito completo, pero no fluirá en un circuito incompleto (no hay campo eléctrico para mover los electrones).

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 si un electrón abandona la superficie del cable.

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

El agua puede escapar porque el interior y el exterior de la tubería son esencialmente el mismo medio y las moléculas se ven afectadas por la presión (aire y bomba) y la gravedad (dentro de 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 de metal' debe haber suficiente energía suministrada para romper los enlaces que los unen a los iones metálicos. Esto se puede hacer con fotones de alta energía (ver efecto fotoeléctrico y función de trabajo) o calentar el metal (emisión termiónica). 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 corto circuito en la electrónica. Bloquear una tubería de agua es lo mismo que abrir una conexión.

Recuerde, el tanque de agua es un "aislante de flujo de agua" y es lo mismo que una tubería bloqueada.

Todo es una cuestión de igualación de presión.

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

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 fija. Agregue una resistencia muy alta entre los dos polos de una batería y la corriente ya no puede fluir (o fluye muy lentamente, el tapón tiene un goteo). Cuanto mayor es la resistencia, más lento es el flujo.

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

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

En realidad, la analogía sigue siendo válida si recuerdas que el aire no conduce electricidad, pero el aire conduce el flujo de agua fácilmente. Para hacer que la analogía del flujo de agua sea más precisa, tendrías que imaginar que todo, excepto el interior de las tuberías, esté hecho de algún material sólido. Imagina que todo lo que es aire es un poco de goma dura, por ejemplo. El agua no fluiría 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: aisladores, 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 banda de valencia 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 las bandas de valencia y conducción es mucho mayor, lo que significa que se necesita mucha energía para ubicar un electrón en la banda de conducción.

Luego, en circuito abierto ...

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

Pero...

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

Los electrones quedan 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 siempre están 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 abandonar el metal. (piense en un cátodo de tubo de vacío). Una analogía del agua es bastante fácil. El agua está en un balde o comedero con lados altos. (Pero es mejor solo pensar en electrones reales).

Cualquier diferencia entre el número de electrones en una región en 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. Las únicas razones por las que los electrones desearían abandonar una región serían porque había demasiados electrones en la región en relación con el número de electrones, o porque una región cercana tenía escasez de electrones (en relación con los protones). Una fuente de alimentación "perfecta" de un amplificador moverá un coulomb de electrones (que es una carga de cubeta 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 estén tan superpoblados que comenzarán a irse, incluso si eso significara el lugar donde se encuentran ' ir estaría algo abarrotado (ya que estaría menos abarrotado que el lugar donde se van). Del mismo modo, si ningún terminal ingresa al terminal desde el cual el suministro está tomando los electrones, su escasez de electrones se volverá lo suficientemente grave como para causar que comience a tomar electrones de cualquier cosa cercana, incluso si eso causaría una escasez de electrones cerca (ya que sería menos grave que el 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 la que esos terminales necesitarán expulsar o adquirir electrones. Tenga en cuenta que, en términos relativos, se necesita un sorprendente 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 generales, si un material típico tuviera el valor de electrones de una piscina, la diferencia entre una grave escasez 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 ignoras esa parte de la física, la analogía funciona.

Si el "muro" es demasiado delgado para mantener la presión, atraviesa, lo que llamamos un arco. Esto también funciona a escalas muy pequeñas, como un chip de 5V con arco interno cuando se alimenta con 12V.