¿Por qué no hay corriente neta en un cable sin un voltaje aplicado?

Los átomos de materiales con electrones externos más unidos están intercambiados constantemente entre sí a lo largo del tiempo, y estos materiales se llaman conductores. Ahora, el proceso de conducción es diferente del que se describe a menudo en los libros de texto de ingeniería eléctrica.

Esto implica que para que la corriente fluya en el circuito, un electrón tiene que moverse de un cable al otro, lo cual simplemente no es cierto. La realidad es algo como esto:

El electrón en el extremo izquierdo que proviene del cable negativo de una batería, por ejemplo, está colisionando con el átomo más cercano y, debido a su aceleración, está noqueando al electrón que gira a este nivel de caparazón. El electrón noqueado se dirige a su átomo más cercano y, a su vez, hace lo mismo, noqueando un electrón que crea una reacción en cadena. Entonces, básicamente, los electrones se mueven solo un poco, pero el resultado general es prácticamente instantáneo.

Lo que no entiendo es que si tomamos un cable conductor regular SIN voltaje aplicado, los electrones aún rebotan constantemente de un átomo a otro, lo que significa que literalmente hay "un flujo de electrones" en el cable, pero si conectamos el cable a un diodo LED no pasaría nada. Entonces, lo que realmente estoy preguntando es cómo difiere "un flujo de electrones CON voltaje aplicado" de "un flujo de electrones SIN voltaje aplicado" en un cable.

Estadísticamente, hay tantos electrones moviéndose en una dirección como en los 180º opuestos, por lo que efectivamente no hay corriente neta. Lo que conocemos como "corriente" es el movimiento de más electrones en una dirección que todos los demás (1D, 2D o 3D a través de una pieza de metal). Así es como puedes tener "toneladas de electrones libres" pero sin corrientes netas que fluyan o sean medibles.

La agitación aleatoria de esos electrones tiene un nombre: ruido térmico. Esta agitación es proporcional a la temperatura, por lo que obtienes más a medida que calientas las cosas. Sin embargo, el movimiento promedio siempre es cero, por lo que nunca puede hacer ningún "trabajo" útil o extraer de manera equivalente energía utilizable del proceso.

Esto está de acuerdo con las leyes de la termodinámica.

Respuesta corta: algunos libros de texto están infectados con un concepto erróneo, la idea de que los electrones siempre orbitan los átomos metálicos individuales. No También le dirán que los electrones solo saltan entre átomos cuando se aplica un voltaje a lo largo de los cables. Incorrecto.

En metales, los electrones externos de cada átomo metálico han dejado su átomo original. Esto sucede cuando el metal se forma por primera vez. Si los electrones se mantuvieran pegados a cada átomo, entonces el metal sería un aislante y, a bajos valores de corriente, los ohmios no serían constantes. En realidad, los electrones externos o de "banda de conducción" orbitan todo el tiempo entre todos los átomos metálicos. Un alambre de metal se asemeja a una especie de "plasma solidificado". Los metales son raros.

Los físicos llaman a la población de electrones móviles del metal con el nombre de "mar de electrones" u "océano de carga". En química se llama "enlace metálico".

Desde un punto de vista no cuántico, podemos ver los objetos metálicos como recipientes llenos de un "fluido eléctrico", al estilo de Ben Franklin. Los electrones del metal se mueven a gran velocidad, dando vueltas, como las moléculas de gas dentro de una manguera. Pero este movimiento de electrones está en direcciones aleatorias. Es un depósito de energía térmica, pero no tiene una dirección única, por lo que no es "viento"; No corriente eléctrica. Por cada electrón que va en una dirección, hay otra que va hacia atrás.

Por lo tanto, una corriente eléctrica de CC real en un metal es una deriva promedio lenta de esta nube de electrones. Los electrones individuales no se mueven lentamente, por supuesto. En cambio, deambulan casi a la velocidad de la luz todo el tiempo. Pero durante una corriente continua, su camino errante promedio tiene una pequeña deriva de corriente continua superpuesta. La atmósfera de la Tierra hace lo mismo: cada molécula se mueve casi a la velocidad del sonido, incluso en condiciones inmóviles; Sin viento. Consideramos la deambulación como "térmica", como Brownian Motion. Lo mismo con electrones individuales en un metal.

Una animación correcta de átomos / electrones de metales representaría los electrones saltando en ambas direcciones para corriente cero. O bien, muéstrelos moviéndose de un lado a otro a través de varios átomos, con movimiento aleatorio durante cero amperios. (O, muestre el interior del cable como 'nieve de televisión', como un parpadeo de ruido blanco). Luego, durante una corriente continua, todo el patrón de electrones se deslizará lentamente como una unidad. Cuanto más altos son los amperios, más rápido es el flujo. El "ruido blanco líquido" se mueve lentamente, como el agua en una tubería, pero las partículas individuales nunca permanecen quietas.

Tenga en cuenta que esta imagen NO SE APLICA A TODOS LOS CONDUCTORES . Solo se aplica a metales sólidos (la forma más común de conductor utilizado en ingeniería eléctrica), pero no a agua salada, ácidos, corrientes de tierra, tejidos / nervios humanos, metales líquidos, metales en movimiento, plasma, chispas, etc. No hay electricidad. t electrones, por eso los ingenieros y científicos usan la "corriente convencional" que se aplica a todos los tipos de conductores. El flujo de electrones dentro de los metales es un caso especial de corrientes eléctricas en general.

PD ¡
Tenga en cuenta que los electrones no son invisibles! (De hecho, los electrones son las únicas cosas que son visibles.) Por lo tanto, cada vez que miramos un cable pelado, estamos viendo su electrón-mar. Los electrones móviles son reflectores extremos de las ondas EM. El aspecto "metálico" de una superficie metálica es nuestra visión de los electrones libres. Entonces, los electrones son como un fluido plateado. Durante las corrientes eléctricas en un metal, son las cosas plateadas las que fluyen. Pero no hay suciedad ni burbujas en este flujo, por lo que, aunque podemos ver el "fluido", no podemos ver su movimiento. (Heh, incluso si pudiéramos ver algo en movimiento, la deriva de carga sería demasiado lenta para darse cuenta; ¡como la manecilla de minutos en un reloj!)

Si el cable es un superconductor, la corriente puede fluir sin voltaje.

Hubo este ejemplo que uno de mi maestro me dio.

Los electrones sin voltaje son simplemente como personas independientes que gustan de alguna ciudad al azar. Felizmente se mueven libremente pero no son parte de ningún movimiento. Son individuales que no importan.

Ahora, de repente, una parte extranjera establece la regla. Eso hace que los electrones marchen hacia el establecimiento del partido extranjero (no la corriente convencional) en revuelta, rebelión, etc. Son parte del movimiento y eso se llama corriente.

La corriente requiere que los electrones fluyan en la banda de conducción, y sin voltaje (o presión como analogía del flujo), no hay energía para excitar los electrones en la banda de conducción. La resistencia siempre está presente debido a las propiedades atómicas, y la caída de voltaje debe ser el voltaje total ya que la resistencia se vuelve esencialmente infinita ya que las capas de valencia en los metales son muy diferentes a las bandas de conducción en el sentido de que están unidas a la estructura reticular del metal. Requieren excitación y un gradiente para romper su vínculo con la valencia que ella tendrá. Los electrones de valencia pueden interactuar pero no son uniformemente direccionales y no fluyen libremente como lo harían si se excitaran en la banda de conducción. Esto es, por supuesto, para metales conductores simples.

A partir de su pregunta, está claro que no conoce la distinción entre el movimiento aleatorio de electrones y el movimiento direccional de electrones. El movimiento aleatorio de electrones no es actual. El movimiento direccional de electrones es .
Es el voltaje el que da dirección a los electrones, causando así un flujo direccional de electrones , la "corriente de electrones".

Su afirmación de que "un electrón tiene que moverse de un cable ... al otro, simplemente no es cierto", es errónea . El hecho es que por cada electrón que "entra" en el cable, otro electrón debe "salir" del otro extremo. Si esto no sucede, ¡entonces no tiene flujo de corriente! Esto es exactamente por qué "no sucede nada cuando conecta el LED al cable" sin voltaje aplicado.

Se nos dice que no nos molestemos porque hay más física y menos importancia práctica.

En física, el cable no es muy corto, pero tiene resistencia, capacitancia e inductancia. Cuando aplicas voltaje en un cable, muchos piensan que sucede.

Cuando no se aplica voltaje, no hay suficientes electrones saltando de un átomo a otro para hacer que el LED se ilumine.

Un fisisista podría responder eso mejor que un EE. Hay una sección de física en el intercambio de la pila.