Warum fließt in einer Leitung ohne angelegte Spannung kein Nettostrom?

Statistisch gesehen bewegen sich so viele Elektronen in eine Richtung wie in die 180º entgegengesetzte Richtung, sodass effektiv kein Nettostrom vorhanden ist. Was wir als „Strom“ kennen, ist die Bewegung von mehr Elektronen in eine Richtung als in alle anderen (1D, 2D oder 3D durch ein Stück Metall). Auf diese Weise können Sie "Tonnen freier Elektronen" haben, aber keine Nettoströme fließen oder messbar sein.

Die zufällige Bewegung dieser Elektronen hat einen Namen: thermisches Rauschen. Diese Bewegung ist proportional zur Temperatur, sodass Sie mehr davon bekommen, wenn Sie die Dinge erhitzen. Die durchschnittliche Bewegung ist jedoch immer Null, sodass Sie niemals nützliche "Arbeit" leisten oder dem Prozess gleichwertig nutzbare Energie entziehen können.

Dies steht im Einklang mit den Gesetzen der Thermodynamik.

Kurze Antwort: In einigen Lehrbüchern steckt ein Irrglaube, dass Elektronen immer um die einzelnen Metallatome kreisen. Nö. Sie werden Ihnen auch sagen, dass Elektronen nur zwischen Atomen springen, wenn eine Spannung entlang der Drähte angelegt wird. Falsch.

Bei Metallen haben die Außenelektronen jedes Metallatoms ihr ursprüngliches Atom verlassen. Dies geschieht, wenn das Metall zum ersten Mal geformt wird. Wenn Elektronen an jedem Atom haften blieben, wäre das Metall ein Isolator, und bei niedrigen Stromwerten wären die Ohm nicht konstant. In Wirklichkeit kreisen die äußeren oder "Leitungsband"-Elektronen ständig zwischen allen Metallatomen. Ein Metalldraht gleicht einer Art „erstarrtem Plasma“. Metalle sind seltsam.

Physiker nennen die bewegliche Elektronenpopulation des Metalls „Elektronenmeer“ oder „Ozean der Ladung“. In der Chemie wird es die "metallische Bindung" genannt.

Von einem Nicht-Quanten-Standpunkt aus können wir Metallobjekte als Behälter betrachten, die mit einer „elektrischen Flüssigkeit“ gefüllt sind, im Ben-Franklin-Stil! Die Elektronen des Metalls zittern mit hoher Geschwindigkeit herum und wandern umher, ähnlich wie die Gasmoleküle in einem Schlauch. Aber diese Elektronenbewegung ist in willkürliche Richtungen. Es ist ein Lagerhaus für thermische Energie, aber es hat keine einzige Richtung, also ist es kein „Wind“; kein elektrischer Strom. Für jedes Elektron, das in eine Richtung geht, gibt es ein anderes, das rückwärts geht.

Daher ist ein tatsächlicher elektrischer Gleichstrom in einem Metall eine langsame durchschnittliche Drift dieser Elektronenwolke. Einzelne Elektronen bewegen sich natürlich nicht langsam. Stattdessen wandern sie die ganze Zeit fast mit Lichtgeschwindigkeit umher. Aber während eines Gleichstroms wird ihrem durchschnittlichen Wanderpfad eine winzige Gleichstromdrift überlagert. Die Erdatmosphäre tut das Gleiche: Jedes Molekül bewegt sich fast mit Schallgeschwindigkeit, selbst bei absoluter Windstille; kein Wind. Wir betrachten das Wandern als „thermisch“, als Brownsche Bewegung. Dasselbe gilt für einzelne Elektronen in einem Metall.

Eine korrekte Animation von Atomen/Elektronen von Metallen würde darstellen, wie die Elektronen bei Nullstrom in beide Richtungen springen. Oder zeigen Sie sie, wie sie über mehrere Atome hin und her wackeln, mit zufälliger Bewegung bei Null Ampere. (Oder zeigen Sie das Innere des Drahtes so, dass es wie „Fernsehschnee“ aussieht, wie flackerndes weißes Rauschen.) Dann gleitet das gesamte Elektronenmuster während eines Gleichstroms langsam als Einheit entlang. Je höher die Ampere, desto schneller der Durchfluss. Das „flüssige weiße Rauschen“ bewegt sich langsam, wie Wasser in einem Rohr, aber die einzelnen Teilchen bleiben niemals still.

Beachten Sie, dass dieses Bild NICHT FÜR ALLE LEITER GILT . Es gilt nur für feste Metalle (die in der Elektrotechnik am häufigsten verwendete Form von Leitern), nicht jedoch für Salzwasser, Säuren, Erdströme, menschliches Gewebe/Nerven, flüssige Metalle, sich bewegende Metalle, Plasma, Funken usw. t Elektronen, deshalb verwenden Ingenieure und Wissenschaftler den "konventionellen Strom", der für alle Arten von Leitern gilt. Elektronenfluss innerhalb von Metallen ist ein Spezialfall von elektrischen Strömen im Allgemeinen.

PS
Beachten Sie, dass Elektronen nicht unsichtbar sind! (Tatsächlich sind Elektronen so ziemlich die einzigen Dinge, die sichtbar sind.) Wenn wir also einen blanken Draht betrachten, sehen wir sein Elektronenmeer. Die beweglichen Elektronen sind extreme Reflektoren von EM-Wellen. Das „metallische“ Aussehen einer Metalloberfläche ist unsere Sicht auf die freien Elektronen. Elektronen sind also wie eine silberne Flüssigkeit. Bei elektrischen Strömen in einem Metall fließt das silbrige Zeug mit. Aber es gibt keinen Schmutz oder Blasen in diesem Fluss, also können wir, obwohl wir die „Flüssigkeit“ sehen können, ihre Bewegung nicht sehen. (Heh, selbst wenn wir sehen könnten, dass sich etwas bewegt, wäre die Ladungsdrift zu langsam, um sie zu bemerken; wie der Minutenzeiger einer Uhr!)

Wenn der Draht ein Supraleiter ist, kann tatsächlich Strom ohne Spannung fließen.

Da war dieses Beispiel, das mir einer meiner Lehrer gegeben hat.

Elektronen ohne Spannung sind einfach wie unabhängige Menschen, die eine zufällige Stadt mögen. Sie bewegen sich gerne frei, sind aber an keiner Bewegung beteiligt. Sie sind individuell, die keine Rolle spielen.

Jetzt etabliert plötzlich eine ausländische Partei die Regel. Das lässt Elektronen zur Gründung der ausländischen Partei (nicht der konventionellen Strömung) in Revolte, Rebellion usw. marschieren. Sie sind der Teil der Bewegung und das heißt Strömung.

Strom erfordert, dass Elektronen im Leitungsband fließen, und ohne Spannung (oder Druck als Strömungsanalogie) gibt es keine Energie, um die Elektronen in das Leitungsband zu erregen. Aufgrund der atomaren Eigenschaften ist immer ein Widerstand vorhanden, und der Spannungsabfall muss die Gesamtspannung sein, da der Widerstand im Wesentlichen unendlich wird, da sich die Valenzschalen in Metallen stark von den Leitungsbändern unterscheiden, da sie an die Gitterstruktur des Metalls gebunden sind. Sie brauchen Erregung und einen Gradienten, um ihre Bindung mit der Wertigkeit zu lösen, die sie will. Valenzelektronen können interagieren, aber sie sind nicht gleichmäßig gerichtet und fließen nicht frei, wie sie es wären, wenn sie in das Leitungsband angeregt würden. Dies gilt natürlich für einfache leitfähige Metalle.

Aus Ihrer Frage geht hervor, dass Sie den Unterschied zwischen zufälliger Elektronenbewegung und gerichteter Elektronenbewegung nicht kennen . Zufällige Elektronenbewegung ist nicht aktuell. Die gerichtete Elektronenbewegung ist .
Es ist die Spannung , die den Elektronen die Richtung gibt und somit einen gerichteten Elektronenfluss verursacht – den „Elektronenstrom“.

Ihre Behauptung, dass "ein Elektron von einer Leitung ... zur anderen wandern muss, ist einfach nicht wahr", ist falsch . Tatsache ist, dass für jedes Elektron, das in den Draht "eindringt" , ein anderes Elektron am anderen Ende "austreten" muss. Geschieht dies nicht, dann fließt kein Strom! Genau aus diesem Grund passiert "nichts, wenn Sie die LED an das Kabel anschließen", wenn keine Spannung angelegt ist.

Uns wird gesagt, wir sollen uns nicht darum kümmern, weil es mehr Physik und weniger praktische Bedeutung hat.

In der Physik ist der Draht kein Kurzschluss, sondern hat einen Widerstand, eine Kapazität und eine Induktivität. Wenn Sie eine Spannung an einen Draht anlegen, passieren viele Gedanken.

Wenn keine Spannung angelegt wird, springen nicht genug Elektronen von Atom zu Atom, um die LED zum Leuchten zu bringen.

Das könnte ein Physiker besser beantworten als ein EE. Es gibt eine Physik-Sektion im Stack-Austausch.