Warum braucht Strom Drähte, um zu fließen?

Um Ihre Ball-Analogie weiter zu verwenden, stellen Sie sich den Ball als Analogon zum Elektron vor. Was wäre nun, wenn die Kugel durch eine Feder an einem Punkt befestigt wäre? Würde es trotzdem fallen? Es kann um diesen Punkt schwingen, aber es würde sich der Rückhaltewirkung der Feder nicht vollständig entziehen können. Das gleiche gilt für gebundene Elektronen. Sie sind mehr oder weniger an das Atom gebunden. Wenn das Gravitationsfeld sehr stark ist, kann es die Feder brechen und die Kugel aus der Feder reißen. Das passiert manchmal auch in der Elektrizität. Bei einer Blitzentladung ist das elektrische Feld so hoch, dass auch die gebundenen Elektronen aus ihren Atomen gerissen werden, wodurch das Gas ionisiert wird und ein sogenanntes Plasma entsteht. Mit einem Pool freier Elektronen und positiver Ionen kann elektrischer Strom nun ungehindert durch das Plasma fließen - Sie bräuchten keine Drähte.$10^6V/m$- solch hohe Felder können von den in den meisten Ländern verfügbaren 100-250-V-Haushaltsspannungen nicht erzeugt werden), müssten Sie Drähte aus leitendem Material verwenden, in dem freie Elektronen leicht verfügbar sind, wenn Sie elektrische Leitung bei normalen Spannungen haben möchten.

Wenn man „Strom“ als bewegte Ladungsträger definiert (was ich für sinnvoll halte), dann braucht man freie Ladungsträger, also eine Art Medium, von dem sich die Ladungsträger lösen können.

Das Medium müssen keine Metalldrähte sein, es können Gase (wie im Fall von Driftkammern), Flüssigkeiten (z. B. eine flüssige Argon-TPC oder eine Nasszellenbatterie), Plasma (offensichtlich, hoffe ich) oder Feststoffe sein.

Die Atome, aus denen gewöhnliche Luft besteht, lassen sich nicht leicht ionisieren und gewinnen ihre Elektronen sehr schnell zurück (aufgrund der elektrostatischen Kraft). In Metallen befinden sich Elektronen im oder in der Nähe des "Leitungsbandes" und können leicht verloren gehen und nicht effizient rekombinieren. Elektronen im Leitungsband des Metalls sind "frei" in dem Sinne, dass sie sich leicht im Leiter bewegen können, aber es erfordert immer noch Energie, sie aus dem Metall zu entfernen (sie im allgemeineren Sinne "frei" zu machen). Diese Energie ist die „Austrittsarbeit“, der Sie in Beschreibungen des photoelektrischen Effekts begegnen.

Die Potentialbarriere ist wahrscheinlich der größte Beitrag zum Nichtfluss von Elektrizität durch einen offenen Stromkreis.

Um Isolatoren in Ihrem Beispiel zu erklären, erweitern Sie die Metapher, um kalte Melasse anstelle von Wasser als Medium zu verwenden. Wenn Sie bereit sind, lange genug zu warten, wird der Ball immer noch fallen, aber er wird quälend langsam sein und Sie werden keine nennenswerte nützliche Arbeit daraus ziehen.

Nach Diskussionen über die Antworten von dmckee und Daniel ist hier meine Zusammenfassung.

Das elektrische Potential in einem festen Metall ist nicht überall 0. Es wäre, wenn Elektronen genau dort lokalisiert wären, wo sich die Kerne des Ions befinden, so dass sich das elektrische Potential von Elektronen und Kernen genau aufhebt. Die Quantenmechanik sagt jedoch, dass Elektronen eine Wellenfunktion haben, die sich "ausbreitet" (delokalisiert). Das elektrische Potential, das sie erzeugen, ist etwas breiter als das der Kerne. Die Summe beider Beiträge für ein Atom könnte wie die folgende Abbildung aussehen (das ist eine sehr grobe und wahrscheinlich unrealistische Ansicht).

Übrigens, das ermöglicht es den Metallen, sich zu verbinden, wobei die Elektronen das Potential liefern, den nahe gelegenen Kern anzuziehen.

Wenn Sie diese Potentiale von vielen dieser Atome mit gleichem Abstand summieren, können Sie das folgende Potential erhalten.

Ein weiteres Beispiel für ein solches Potenzial ist hier dargestellt . Elektronen verhalten sich in diesem Potential wie Wellen und prallen auf jeder Oberfläche ab. Deshalb entkommen sie dem Metall nicht so einfach: Sie müssten die Potentialwand an der Metalloberfläche überwinden. Aus diesem Grund fließen Elektronen in metallischen Drähten weiter.

Beachten Sie, dass Elektronen im Überschuss einander abstoßen, bis sie an der Oberfläche des Metalls sind, weshalb zusätzliche Ladung an der Oberfläche der Leiter verbleibt.

Wenn Sie fragen: "Warum "bewegen" sich die Elektronen nicht einfach wie der Ball? Warum "bewegen" sich die Elektronen nicht einfach durch die Luft zum Pluspol." Ich denke, Sie müssen bedenken, dass der Ball aus neutralen Atomen besteht, die selbst aus negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen Protonen bestehen. Die Elektronen werden vom positiven Pol angezogen, aber die Protonen werden gleichermaßen abgestoßen. Daher bewegt sich der Ball als Ganzes nicht. Das beantwortet einen Teil deiner Frage. Sie fragen sich dann vielleicht, warum die Elektronen nicht von alleine zum Pluspol wandern? Und die Antwort ist, dass sie es können, wenn die Spannung hoch genug ist, um die Anziehungskraft der Elektronen auf die Protonen zu überwinden, an denen sie in der Kugel befestigt sind. Blitze sind ein gutes Beispiel dafür, ebenso wie statische Entladungen.

Elektronen fließen ohne Draht. Genau das passiert in einer Kathodenstrahlröhre. Warum also fließen Elektronen nicht durch Vakuum oder Luft von einem Leiter zum anderen, wenn es einen Potentialunterschied gibt? Es ist eine Mindestenergie von einigen eV erforderlich, damit ein Elektron ein Metall verlässt, bekannt als Austrittsarbeit. In einer Kathodenstrahlröhre wird diese Energie minimiert, indem ein Material mit niedriger Austrittsarbeit ausgewählt und die Anode erhitzt wird.

Versuchen Sie , Leitungs- und Valenzbänder nachzuschlagen . Die Theorie erklärt anhand von Energien, warum Strom fließt.

Es ist nicht wie Kugeln, weil Elektronen an Potentialtöpfe gebunden sind, aus denen sie herausklettern müssen, damit sie fließen können.

Die von CIA und dmckee geposteten Antworten sind großartig und weisen zu Recht darauf hin, dass Lehrbücher normalerweise mit der Hand winken, warum Elektronen die Oberfläche von Leitern nicht leicht verlassen, aber ich möchte hinzufügen, dass sich die Elektronen tatsächlich durch die Luft bewegen können, selbst wenn sie elektrisch sind Feld ist nicht stark genug, um die Luft zu ionisieren und ein Plasma zu bilden. Jeder, der versucht hat, quantitative Elektrostatik-Experimente durchzuführen, weiß dies - legen Sie eine statische Ladung auf einen Leiter, der der Luft ausgesetzt ist, und sehen Sie, wie lange er dort bleibt. Es hängt vom Material ab, aber im Allgemeinen ist es nicht so lange, besonders an einem feuchten Tag. Normalerweise müssen Sie ein Netzteil angeschlossen lassen, wenn Sie eine konstante Ladung erhalten möchten.

Lassen Sie eine Batterie auch lange genug im Regal und Sie werden feststellen, dass sie ihre Ladung verloren hat. Dies ist ähnlich, obwohl eher Ionen als Elektronen driften und die Bewegung eher durch das interne Isoliermedium der Batterie als durch die Luft erfolgt.

"Wenn Sie "Strom" als Ladungsträger in Bewegung definieren (was ich für vernünftig halte), dann brauchen Sie freie Ladungsträger" Diese Logik von @dmckee erscheint etwas restriktiv, da sie nicht ohne Einschränkungen auf Wechselstrom anwendbar ist, was wahrscheinlich der Fall ist am weitesten verbreitete Art von Elektrizität. Sie können gebundene Ladungen für Wechselstrom verwenden. Beispielsweise kann Wechselstrom durch Kondensatoren fließen. Das OP fragt: "Warum fließt kein Strom ohne einen guten Leiter?" Ich würde sagen, dass dies beispielsweise in kreisförmigen dielektrischen Wellenleitern der Fall ist , die nur dielektrische Stäbe sind. Die Faseroptik ist ein extremes Beispiel für solche Phänomene, und ich denke, man kann nicht bestreiten, dass es in der Faseroptik "Ladungsträger in Bewegung" gibt,

Kurz gesagt: Elektrizität fließt leicht in Kathodenstrahlen in den berühmten Vakuumröhren und kosmische Strahlung fließt gut im Weltraum und Ionen fließen leicht in ionischen Lösungen. Es werden also keine Drähte benötigt. Das Problem besteht darin, Ladungen in Ihren Raum oder Ihre Luft zu bringen, da Elektronen gerne in einem Material oder Metall bleiben, da sie von den positiven Gitterionen angezogen werden. Geben Sie ihnen genug Energie, um herauszukommen (Arbeitsfunktion des photoelektrischen Effekts), und sie werden dann leicht beschleunigen und in jedem elektrischen Feld oder Potentialunterschied fließen. Es gibt eine Energiebarriere, um sie herauszuholen. Selbst eine aufgeladene Metallkugel gibt ihre überschüssige Ladung im Vakuum nicht ab, es sei denn, die Ladung ist so hoch, dass ein großes Oberflächenfeld erzeugt wird, um Elektronen aus dem Metall zu holen. Hitze oder UV-Licht können dabei helfen, die Elektronen herauszuspringen.