Entfernen eines Elektrons von einem Leiter

Ich versuche zu verstehen, wie man sich einen Leiter vorstellt und visualisiert , dem Ladung hinzugefügt wird.

Soweit ich weiß, werden Leiter als Materialien definiert (bei denen der Kern stationär ist), die es Elektronen ermöglichen, frei von Atom zu Atom zu fließen. Sie haben die Eigenschaften, dass E → = 0 innen und ρ = 0 innen.

Für den Fall, dass Sie eine positive Ladung hinzufügen, würden sich die Elektronen bewegen, um das effektive elektrische Feld der hinzugefügten Ladung aufzuheben, und ein elektrostatisches Gleichgewicht würde erreicht. Daher E → = 0 was nach dem Gaußschen Gesetz ( ∇ ⋅ E → = ρ ϵ 0 ) , So ρ = 0 .

Das ist in Ordnung, aber was passiert, wenn wir ein Elektron entfernen? Wie würde der Dirigent darauf reagieren? Würde es sich einfach neu konfigurieren, um die Abstoßungskräfte zu minimieren, und ein positives Ergebnis haben? ρ innen und eine Nicht-Null E → ?

Jede Ladung, die Sie entfernen oder der Masse hinzufügen, ändert das Potenzial an diesem Punkt. Aufgrund der so erzeugten Potentialdifferenz zu den umgebenden Regionen fließen Ladungen in diesen Punkt hinein/heraus, um das Potential auszugleichen. Dies wird fortgesetzt, bis die überschüssige Ladung die Grenze erreicht (ein wenig Mathematik kann dies zeigen). Dies wird den Innenraum wieder frei von überschüssigen Ladungen machen und das elektrostatische Feld auf Null halten.
@Lelouch Okay, aber ist es nicht so, dass sich in einem Leiter nur die Elektronen von Teilchen zu Teilchen bewegen, da der Kern des leitenden Materials stationär ist, sodass welche überschüssige Ladung die Grenze erreicht, wenn Sie ein Elektron aus dem Material entfernen? ?

Antworten (1)

Wenn Sie +ve auf einen Leiter legen, entfernen Sie wirklich die gleiche Menge an -ve-Ladung, weil sich nur die Elektronen bewegen.

Das Gaußsche Gesetz geht davon aus, dass Ladung unendlich teilbar ist und gleichmäßig über ein Volumen oder über eine Oberfläche verteilt werden kann. Dies ist eine gute Annäherung, wenn die Ladung in der Größenordnung von liegt 1 μ C , entspricht etwa 10 13 Elektronen. Dann Volumen- und Oberflächenladungsdichten ρ Und σ Bedeutung haben.

Wenn die Ladung jedoch aus wenigen Elektronen besteht – und erst recht, wenn es nur ein Elektron ist – haben diese Größen keine Bedeutung, wenn sie nicht über die Zeit gemittelt werden. Aus dem gleichen Grund ist das elektrische Feld möglicherweise nicht an allen Punkten im Inneren Null, wenn die Ladung auf dem Leiter ein Überschuss oder ein Mangel an einer kleinen Anzahl von Elektronen ist, da die überschüssige Ladung nicht gleichmäßig über die Oberfläche verteilt ist.

Aufgrund der zufälligen Hochgeschwindigkeitsbewegung der Leitungselektronen im gesamten Leiter entsteht das elektrische Feld E Im Inneren ist es möglicherweise nicht sehr gut definiert, wenn die Überschuss-/Defizitgebühr so ​​gering ist, und schwankt mit einer Standardabweichung proportional zu 1 N Wo N ist die überschüssige Anzahl von Überschuss-/Defizit-Elektronen.

Auch wenn es welche gibt 10 13 überschüssige Elektronen, keine bestimmte Gruppe von 10 13 Elektronen bleiben auf der Oberfläche, während die ursprünglichen Leitungselektronen im Inneren bleiben. Alle Elektronen sind identisch und bewegen sich gleichmäßig, und nur im Mittel wird ein Überschuss an Elektronen in der Nähe der Oberfläche gefunden. Wenn mehr Elektronen hinzugefügt oder entfernt werden, wird der Bereich, in dem wahrscheinlich ein Überschuss oder ein Mangel an Elektronen gefunden wird – und in dem das elektrische Feld nicht nahe Null ist – näher und näher an die Oberfläche gelangen.

Wenn Sie Ladung hinzufügen oder entfernen, kommt es immer zu einer Umverteilung der durchschnittlichen Ladung, selbst wenn ein einzelnes Elektron hinzugefügt oder entfernt wird, da sich die Elektronen zufällig mit hoher Geschwindigkeit bewegen. Sie sind nicht an der Oberfläche befestigt.

Danke für deine sehr informative Antwort. Warum führt die zufällige Hochgeschwindigkeitsbewegung der Leitungselektronen zu größeren Schwankungen von E für kleinere Zahlen von Überschuss-/Defizit-Elektronen? Liegt es einfach daran, dass, wie Sie sagten, einfach nicht genug Ausbreitung vorhanden ist, um die Auswirkungen der hinzugefügten oder entfernten Ladung zu negieren?
@Alex: Entschuldigung - meine Antwort ist spekulativer, als es durch mein Wissen über Elektronen in Metallen gerechtfertigt ist. Ich werde etwas mehr über dieses Problem nachdenken und es aktualisieren, sobald ich kann.
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