Wenn wir alle Elektronen aus einem Leiter entfernen, wie kann sich die positive Ladung neu anordnen?

Erklärungen von Leitern in der Elektrostatik, auf die ich gestoßen bin, scheinen die Ausbreitung positiver Ladungen zu beschreiben, weil man sagen könnte, dass ein Mangel an Elektronen als Überfluss an Protonen angesehen werden kann (das ist für mich an sich nicht trivial - kann jedes System negativer Ladungen sein durch ein anderes System positiver Ladungen ersetzt, wodurch identische Feldlinien entstehen?).

Wenn wir theoretisch alle Elektronen aus dem Leiter entfernen würden (das ist theoretisch möglich, oder?), würde ich einen Haufen stationärer positiver Ladungen (wie die Protonen der Atome) zurücklassen, die einigermaßen gleichmäßig über das Volumen des Leiters verteilt sind Leiter (und nicht die Oberfläche, wie dies bei beweglichen positiven Ladungen der Fall gewesen wäre). Soweit ich weiß, ermöglicht dies ein elektrisches Feld im Inneren, was in Lehrbüchern und Vorträgen nicht angegeben ist.

Was würde in der Realität passieren?

Um Ihre Frage in Klammern zu beantworten: gegeben eine Reihe von negativen Ladungen − q 1 , − q 2 , − q 3 , . . . , ersetzen Sie sie durch einen Satz positiver Ladungen + q 1 , + q 2 , + q 3 , . . . An jedem Punkt im Raum wird das elektrische Feld aufgrund jeder der Ladungen die Richtung umkehren. Somit wird das gesamte elektrische Feld an jedem Punkt im Raum die Richtung umkehren. Somit sind die Feldlinien identisch, nur in der Richtung umgedreht.
Obligatorisch was-wäre-wenn-was- wenn.xkcd.com /140
Einfache Antwort: Die frei beweglichen Elektronen machen es zu einem Leiter. Wenn Sie sie alle herausnehmen, ist es kein Leiter mehr, und es ist vollkommen in Ordnung, ein elektrisches Feld darin zu haben.

Antworten (3)

Wenn Sie plötzlich alle Elektronen aus einem Stück Material entfernen würden oder auch nur die Valenzelektronen, würden Sie eine riesige Konzentration positiver Ionen in einem kleinen Volumen zurücklassen, die eine enorme elektrostatische Abstoßung aufeinander ausüben würden. Da Sie nicht mehr den bindenden Einfluss der Elektronen haben, um dieser Abstoßung entgegenzuwirken, würde das Material in sehr kurzer Zeit in einem als Coulomb-Explosion bekannten Prozess auseinander explodieren.

Um einige Zahlen in die Dinge zu bringen, nehmen Sie an, Sie haben einen Kubikmillimeter Eisen und entfernen plötzlich ein Elektron pro Atom. Dies stellt sich als ungefähr heraus 0,00014 m Ö l aus Eisen, aber weil Avogadros Zahl so groß ist, das ist ungefähr 8.491 × 10 19 Elektronen und eine entsprechende Ladung von ca 13.6 C in der Kugel eine elektrostatische Ladungsverteilung, die anhält 1.6 × 10 fünfzehn J von Energie, oder über 385 Kilotonnen TNT, also etwa zwanzigmal größer als die Explosion, die Hiroshima dem Erdboden gleichmachte.

(Und natürlich ist das die Menge an Energie, die Sie aufbringen müssen, um all diese Elektronen plötzlich entfernen zu können. Menschlicher ausgedrückt ist das a 1 G W Kraftwerk läuft 18 Tage ununterbrochen. Und wie in den Kommentaren erwähnt, stellt diese Energiemenge etwa das Zwanzigfache der ursprünglichen Ruhemasse des Eisens dar.)

Wenn Sie die Dinge jedoch erheblich verkleinern, können Coulomb-Explosionen zu recht vernünftigen Dingen und in der Tat zu wichtigen Forschungswerkzeugen werden. Normalerweise macht man das mit kleinen (etwas) Molekülen und Atomclustern (also von ein paar bis zu ein paar hundert Atomen), wo man ein paar hundert Elektronen oder so hat (anstelle von zig Quintillionen), und man entfernt sie mit einem High -intensiver Strahl mit hoher Photonenenergie, der von einem Freie-Elektronen-Laser (FEL) stammt. Dabei erhält man vielleicht Einzelmolekül-Röntgenbeugungsspektren, Informationen über die Ausgangsstruktur, aus der die Atome nach der Explosion weggeflogen sind, oder man lernt einfach etwas über die Physik der Ionisations- und Explosionsprozesse. Für einen schönen Überblick sehen Sie sich diese Folien von Christoph Bostedt oder die Artikel in dieser Google-Suche an .

Eine weitere schöne Illustration von Coulomb-Explosionen: nature.com/nchem/journal/v7/n3/full/nchem.2161.html Einer der Autoren, Philip E. Mason, ist Thunderfoot auf YouTube und hat eine Reihe von Videos zu diesem Thema : youtube.com/user/Thunderf00t/search?query=coulomb
Beachten Sie, dass ein Kubikmillimeter Eisen etwa wiegt 7.84 Milligramm, während des Pumpens 1.6 ⋅ 10 fünfzehn Joule Energie hinein (indem Elektronen entfernt und die Protonen daran gehindert werden, auseinander zu sprengen) wird seine (scheinbare Ruhe-) Masse um erhöhen 0,17 Gramm, was einer Steigerung um einen Faktor von über entspricht 20 .

Sie werden nicht in der Lage sein, alle Elektronen eines beliebigen Leiters zu entfernen ... Die Entfernung von Elektronen aus einem beliebigen Leiter erfolgt von den Valenzelektronen der Atome, insbesondere von dem einen Elektron, das am schwächsten mit dem Kern verbunden ist.

Wenn Sie weitermachen und immer mehr Elektronen aus dem Leiter entfernen, sollten Sie meiner Meinung nach einen Punkt erreichen, an dem der Leiter auseinanderbricht, soweit die interatomaren / molekularen Kräfte, die ihre Atome / Moleküle zusammenhalten, von der Coulombschen Kraft überwältigt werden zwischen den positiven Ladungen in diesen Atomen/Molekülen.

In einem Leiter, der nicht auseinander gebrochen ist, wird es also immer Elektronen geben, die einen Teil der positiven Ladung ausgleichen, aber die Behauptung ist, dass die meisten der fehlenden Elektronen (im Fall einer positiven Nettoladung) die der Atome auf der Oberfläche sein werden ?
Ja, die fehlenden Elektronen werden von den Atomen in der Oberfläche stammen, selbst wenn Sie zunächst Elektronen von innen nehmen*, wandern die Elektronen der Oberflächenatome in die inneren Regionen, um ein Gleichgewicht herzustellen (in diesem Fall*). Die obige Berechnung zeigt eine aus meiner Sicht interessante Eigenschaft: Wenn Sie versuchen, 1e/Atom aus dem erwähnten Eisenwürfel herauszureißen, wird die verbrauchte Energiemenge doppelt so groß sein wie die Energie der Masse dieses Würfels (über E=mc^2 ).
Das sagt mir, dass Sie in diesem Fall nicht in der Lage sein werden, diese Menge an Elektronen aufzunehmen. Wenn Sie zum Beispiel an die Bindung zwischen Quarks im Kern denken, werden weniger als 1% ihrer Massen in "Bindungs" -Energie umgewandelt ... (Und wenn Sie bedenken, dass die starken Kräfte dort in gewisser Weise um Größenordnungen höher sind als die Coulombschen Kräfte, denke ich, dass so viel "elektrische Energie" die Struktur zusammenbrechen lässt, lange bevor Sie die Situation erreichen ... Aber nur Vermutungen).

Der Schlüssel zur Antwort liegt darin, wo man einen Mangel an Elektronen mit einem Überfluss an Protonen gleichsetzt. Das ist eine sehr irreführende Analogie. Die richtige Analogie besteht eigentlich darin, Elektronen (Träger einer negativen Ladung) mit Löchern gleichzusetzen (was das Fehlen eines Elektrons ist, wo eines sein sollte. Löcher sind positiv geladen).

Protonen sind an Ort und Stelle fixiert (zumindest in einem Festkörper und wenn Sie die Brownsche Bewegung und dergleichen ignorieren). Sie werden in den Kern jedes Atoms "eingefroren".

Ein Gramm Kupfer oder ein Zentimeter Kupferdraht enthält eine bestimmte Anzahl von Atomen und damit eine bestimmte Anzahl von Protonen, und das ändert sich unter keinen Umständen.

Nun kommt in einem neutralen Stoff im Durchschnitt auf jedes Proton ein Elektron . Einzelne Atome können ein Elektron verlieren oder sogar zwei, und das macht sie zu positiven Ionen. In diesem Fall üben diese Ionen jedoch eine starke Anziehungskraft auf Elektronen aus. Das Entfernen des ersten Elektrons von einem neutralen Atom ist in der Regel einfach (in einem Leiter). Das Entfernen eines zweiten Elektrons wird schwieriger, und das Entfernen eines dritten Elektrons oder sogar mehr wird zunehmend schwieriger und schließlich unmöglich, einfach weil das Atom immer positiver geladen und daher für Elektronen anziehend wird.

Nehmen Sie aber hypothetisch an, Sie könnten alle Elektronen aus Ihrem Leiter entfernen und verhindern, dass Elektronen aus der Umgebungsluft wieder eindringen. Das erste, was passieren würde, wäre, dass sich alle verbleibenden Atomkerne gegenseitig abstoßen würden. Ihr Dirigent würde sich auflösen (wahrscheinlich mit einer riesigen Explosion).

Nun, wenn Sie das auch verhindern könnten, könnten Sie immer noch kein elektrisches Feld haben. Zwischen zwei Ladungen besteht ein elektrisches Feld . Ein Elektron „hat“ kein elektrisches Feld. Ein Proton hat kein elektrisches Feld.

Wenn Sie also alle Elektronen aus einem Leiter entfernen könnten (was Sie nicht können) und verhindern könnten, dass er auseinanderfliegt (was Sie nicht können), wäre nichts mehr übrig, was ein elektrisches Feld erzeugen könnte.

Was das Szenario des vorletzten Satzes betrifft - warum ist es falsch zu sagen, dass die verbleibenden Protonen ein elektrisches Feld zwischen ihnen erzeugen würden?
Es gibt keinen Ladungsunterschied zwischen ihnen. Es wäre so, als würde man über die Windrichtung zwischen zwei Orten sprechen, die den gleichen Luftdruck haben - es gibt keinen Wind, daher ist es sinnlos, über die Richtung des nicht vorhandenen Windes zu sprechen. Bei Feldern dreht sich alles um Richtungen (oder genauer gesagt um Gradienten).
Warum allerdings? Wenn alle Elektronen entfernt sind, hinterlassen die verbleibenden Protonen eine feste, nichtleitende, geladene Kugel. Soweit ich weiß, gibt es an jedem Punkt mit Radius r ein elektrisches Feld, das nach außen zeigt (alle Ladungen zwischen 0 und r werden im Mittelpunkt wie eine einzige Ladung behandelt, während sich die Ladung zwischen r und R bei r ähnlich wie aufhebt was wir in einer leitenden Sphäre sehen). Das würde bedeuten, dass es ein elektrisches Feld gibt (was die Kugel zum Explodieren bringt) - ist das falsch?
Ja, das ist ziemlich falsch. Die Feldlinien zeigen nicht wirklich "nach außen", sondern in Richtung der entgegengesetzten elektrischen Ladung. Im Alltag spielt das vielleicht keine Rolle, weil überall gegensätzliche elektrische Ladungen vorhanden sind. Die Punktladung in Ihrem Beispiel ist einfach so weit von der Gegenladung entfernt, dass es so aussieht , als ob die Feldlinien gerade verlaufen. Oh, und Ihre feste Kugel aus Protonen wäre hochgradig leitfähig. Löcher (Elektronenmangel) sind Ladungsträger, genau wie Elektronen.
Wenn wir alle Elektronen aus einem Leiter entfernen, wie kann sich die positive Ladung neu anordnen?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 1v