Por que não há corrente líquida em um fio sem a tensão aplicada?

Átomos de materiais com elétrons externos fracamente ligados constantemente trocam cargas entre si ao longo do tempo, e esses materiais são chamados de condutores. Agora, o processo de condução é diferente daquele geralmente descrito nos manuais de engenharia elétrica.

Isso implica que, para que a corrente flua no circuito, um elétron precisa se mover de um condutor até o outro, o que simplesmente não é verdade. A realidade é algo assim:

O elétron na extrema esquerda, proveniente do chumbo negativo de uma bateria, por exemplo, colide com o átomo mais próximo e, por causa de sua aceleração, está nocauteando o elétron que está girando nesse nível de invólucro. O elétron batido está indo para o átomo mais próximo e, por sua vez, está fazendo o mesmo, nocauteando um elétron que cria uma reação em cadeia. Então, basicamente, os elétrons se movem um pouco, mas o resultado geral é praticamente instantâneo.

O que eu não entendo é que se pegarmos um fio condutor regular SEM tensão aplicada, os elétrons ainda pulam constantemente de átomo em átomo, o que significa que literalmente há "um fluxo de elétrons" no fio, mas se conectarmos o fio a um diodo LED nada aconteceria. Então, o que estou realmente perguntando é como difere "um fluxo de elétrons COM voltagem aplicada" de "um fluxo de elétrons SEM voltagem aplicada" em um fio.

Estatisticamente, existem tantos elétrons se movendo em uma direção quanto os 180º opostos, portanto não há efetivamente nenhuma corrente líquida. O que conhecemos como "corrente" é o movimento de mais elétrons em uma direção do que em todas as outras (1D, 2D ou 3D através de um pedaço de metal). É assim que você pode ter "toneladas de elétrons livres", mas nenhuma corrente líquida fluindo ou mensurável.

A agitação aleatória desses elétrons tem um nome: ruído térmico. Essa agitação é proporcional à temperatura, de modo que você aproveita mais à medida que aquece as coisas. No entanto, o movimento médio é sempre zero, portanto você nunca pode fazer nenhum "trabalho" útil ou extrair energia utilizável do processo.

Isso está de acordo com as leis da termodinâmica.

Resposta curta: alguns livros didáticos estão infectados com um equívoco, a idéia de que os elétrons sempre orbitam os átomos de metal individuais. Não. Eles também dizem que os elétrons só pulam entre os átomos quando uma tensão é aplicada ao longo dos fios. Errado.

Nos metais, os elétrons externos de cada átomo de metal deixaram seu átomo original. Isso acontece quando o metal é formado pela primeira vez. Se os elétrons continuassem grudando em cada átomo, o metal seria um isolador e, com baixos valores de corrente, os ohms não seriam constantes. Na realidade, os elétrons externos ou da "banda de condução" estão orbitando entre todos os átomos de metal, o tempo todo. Um fio de metal se assemelha a uma espécie de "plasma solidificado". Metais são estranhos.

Os físicos chamam a população de elétrons móveis do metal pelo nome "mar de elétrons" ou "oceano de carga". Na química, isso é chamado de "ligação metálica".

Do ponto de vista não quântico, podemos ver objetos de metal como recipientes cheios de "fluido elétrico", ao estilo de Ben Franklin! Os elétrons do metal estão tremendo em alta velocidade, vagando por toda parte, como as moléculas de gás dentro de uma mangueira. Mas esse movimento de elétrons é em direções aleatórias. É um depósito de energia térmica, mas não tem direção única, portanto não é "vento"; corrente não elétrica. Para cada elétron indo para um lado, há outro voltando para trás.

Portanto, uma corrente elétrica CC real em um metal é um desvio médio lento dessa nuvem de elétrons. Elétrons individuais não se movem lentamente, é claro. Em vez disso, eles vagam quase à velocidade da luz o tempo todo. Porém, durante uma corrente contínua, seu caminho de deslocamento médio possui uma pequena deriva contínua sobreposta. A atmosfera da Terra faz o mesmo: cada molécula está se movendo quase à velocidade do som, mesmo em condições mortas; sem vento. Consideramos a peregrinação como "térmica", como Movimento Browniano. Mesmo com elétrons individuais em um metal.

Uma animação correta de átomos / elétrons de metais representaria os elétrons pulando nas duas direções para obter corrente zero. Ou mostre-os balançando para frente e para trás através de vários átomos, com movimento aleatório durante zero amperes. (Ou mostre a parte interna do fio parecendo 'neve na televisão', como um ruído branco tremeluzente.) Então, durante uma corrente DC, todo o padrão de elétrons deslizará lentamente como uma unidade. Quanto mais altos os amperes, mais rápido o fluxo. O "ruído branco líquido" se move lentamente, como a água em um cano, mas as partículas individuais nunca permanecem paradas.

Observe que esta imagem NÃO SE APLICA A TODOS OS CONDUTORES . Aplica-se apenas a metais sólidos (a forma mais comum de condutor usada em engenharia elétrica), mas não a água salgada, ácidos, correntes terrestres, tecidos / nervos humanos, metais líquidos, metais em movimento, plasma, faíscas etc. A eletricidade não é ' t elétrons, é por isso que engenheiros e cientistas usam a "corrente convencional" que se aplica a todos os tipos de condutores. O fluxo de elétrons dentro dos metais é um caso especial de correntes elétricas em geral.

PS
Observe que os elétrons não são invisíveis! (Na verdade, os elétrons são sobre as únicas coisas que são visíveis.) Assim, sempre que olhamos para um fio desencapado, estamos vendo seu elétron-mar. Os elétrons móveis são refletores extremos das ondas EM. A aparência "metálica" de uma superfície metálica é nossa visão dos elétrons livres. Então, os elétrons são como um fluido prateado. Durante correntes elétricas em um metal, é o material prateado que flui ao longo. Mas não há sujeira ou bolhas nesse fluxo, portanto, embora possamos ver o "fluido", não podemos ver seu movimento. (Heh, mesmo que pudéssemos ver algo se movendo, o desvio de carga seria muito lento para perceber; como o ponteiro dos minutos em um relógio!)

Se o fio é um supercondutor, a corrente pode realmente fluir sem tensão.

Houve um exemplo que um dos meus professores me deu.

Elétrons sem voltagem são simplesmente como pessoas independentes gostando de alguma cidade aleatória. Felizmente eles se movem livremente, mas não fazem parte de nenhum movimento. Eles são individuais que não importam.

Agora, de repente, um partido estrangeiro estabelece a regra. Isso faz os elétrons marcharem para o estabelecimento do partido estrangeiro (não a corrente convencional) em revolta, rebelde, etc. Eles fazem parte do movimento e isso se chama Corrente.

A corrente requer que os elétrons na banda de condução fluam e, sem tensão (ou pressão como analogia do fluxo), não há energia para excitar os elétrons na banda de condução. A resistência está sempre presente devido às propriedades atômicas, e a queda de tensão deve ser a tensão total, pois a resistência se torna essencialmente infinita, pois as conchas de valência nos metais são muito diferentes das bandas de condução, pois estão ligadas à estrutura de treliça do metal. Eles exigem excitação e um gradiente para romper o vínculo com a valência que ela deseja. Os elétrons de valência podem interagir, mas não são uniformemente direcionais e não têm fluxo livre como se estivessem excitados na banda de condução. Isto é claro para metais condutores simples.

Com sua pergunta, fica claro que você não conhece a distinção entre movimento aleatório de elétrons e movimento direcional de elétrons. O movimento aleatório de elétrons não é atual. O movimento direcional de elétrons é .
É a tensão que dá direção os elétrons, causando o fluxo direcional de elétrons - a "corrente de elétrons".

Sua afirmação de que "um elétron precisa passar de um condutor ... para o outro simplesmente não é verdade" está errada . O fato é que, para cada elétron que "entra" no fio, outro elétron deve "sair" da outra extremidade. Se isso não acontecer, você não terá fluxo atual! É exatamente por isso que "nada acontece quando você conecta o LED ao fio" sem tensão aplicada.

É-nos dito que não devemos nos preocupar porque há mais física nela e menos importância prática.

Na física, o fio não é muito curto, mas possui resistência, capacitância e indutância. Quando você aplica tensão em um fio, muitos pensam que acontece.

Quando não há tensão aplicada, não há elétrons suficientes pulando de átomo em átomo para fazer o LED acender.

Um fisioterapeuta poderia responder melhor que um EE. Há uma seção de física na troca de pilhas.