Os elétrons realmente fluem quando uma voltagem é aplicada?

Dizem nos livros que um circuito é um caminho fechado e, portanto, os elétrons retornam à fonte. Se for esse o caso, o que aconteceria quando houvesse uma falta à terra em um circuito? Como os elétrons retornariam à sua fonte?

Os elétrons realmente saem de seus átomos ou apenas vibram e transferem a energia dessa maneira quando aplicamos uma tensão?

Pensar na corrente em termos de elétrons se movendo é o começo de um caminho para um pobre modelo mental de como a eletricidade funciona. Aqui estão apenas algumas coisas erradas:

• Os elétrons são apenas uma das muitas transportadoras de carga. Qualquer íon também é um transportador de carga.

• Os prótons que equilibram os elétrons são igualmente importantes. Se você tivesse apenas elétrons, todos os elétrons do universo seriam repelidos um do outro e disparados para o universo.

• Os elétrons têm carga negativa, e você se confunde sem uma boa razão para pensar em como eles fluem de negativo para positivo. Na verdade, não importa.

• Na verdade, os elétrons estão fervilhando em todas as direções aleatórias o tempo todo, e seu movimento devido à corrente é minúsculo, em comparação.

O importante é isso: portadores de carga (sendo um dos elétrons) podem ser usados ​​para transmitir uma força eletromotriz (geralmente chamada apenas de tensão). Este é um conceito bastante comum, realmente. Você pode empurrar uma extremidade de uma haste e transmitir uma força mecânica para a outra extremidade da haste. A vara se move, quando você faz isso? Bem, talvez, mas há duas coisas acontecendo aqui:

1. a força é transmitida através da haste, como ondas que se propagam à velocidade do som nesse material
2. se e somente se também transmitirmos energia, a haste se moverá, na maioria dos casos, a uma velocidade muito mais lenta

A diferença é óbvia para uma haste, mas como não podemos ver a carga elétrica, a diferença não é óbvia.

Então, sua pergunta foi: os elétrons realmente fluem quando uma tensão é aplicada? Estritamente falando, a resposta é talvez , e depende do que você quer dizer com fluxo . É semelhante à pergunta: uma corda se move quando você a puxa? Bem, se estiver preso a um balão, pode se mover bastante. Se estiver preso a uma parede de tijolos, pode não se mover.

O movimento dos portadores de carga (como elétrons) é atual . Se temos uma corrente, há um movimento líquido das transportadoras de carga. Realmente eles estão fervilhando por toda parte, assim como as moléculas individuais de água estão fervilhando em um cano, mesmo que não haja fluxo líquido. A corrente descreve o movimento médio. No caso de corrente contínua, o movimento médio está em círculo.

Como as transportadoras de carga individuais interagem para fazer isso é complicado, e é realmente uma questão de física, não de eletrônica. No entanto, sugiro que você verifique este tutorial do MIT em campos .

Elétrons que se movem fisicamente quando uma voltagem é aplicada - de forma extremamente lenta .

Um circuito energizado a 100VDC, alimentando uma carga de 1A (como uma lâmpada) através de um fio de cobre de 2mm de diâmetro, verá elétrons se movendo na taxa de:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

Onde

• Q é o número de elétrons por centímetro cúbico de cobre (aproximadamente $8.5 \times 10^{22}$
• R é o raio do fio
• e é a carga por elétron (aproximadamente $1.6 \times 10^{-19}$

Isso funciona para 8,4 cm / hora . Não é exatamente rápido.

O que é fundamental é o fato de que é a energia que percorre o circuito quase instantaneamente - e não os próprios elétrons. (Os elétrons formam uma 'estrada' conveniente para permitir que a energia flua rapidamente.)

É lamentável que o lento deslocamento de elétrons sob uma voltagem tenha o mesmo nome do fluxo de energia que realmente funciona em um circuito.

Não confunda abstração conveniente com realidade física

• "Circuitos" são um conceito abstrato projetado para nos ajudar a melhor razão do mundo.
• elétrons são uma entidade física.

Uma observação sobre caminhos "fechados"

Circuitos de caminho fechado não implica que elétrons retornem à fonte. Além disso, os elétrons que saem da fonte raramente são os mesmos que retornam ao outro polo da fonte (veja a resposta de madmanguruman para a explicação da velocidade).

Analogias mecânicas

É como dominós que caem. A onda de energia se propaga através dos dominós em queda, mas os dominós não traduzem muito.

Lembre-se de que energia é a carga do elétron vezes a força aplicada a ele (tensão). São (predominantemente) as forças que estão se movendo através da estrutura metálica, não as cargas (elétrons).

Assim como nesta imagem:

As forças se transferem através das bolas, mas as bolas permanecem em grande parte no lugar. Diferentemente das esferas mecânicas, que são equilibradas pela gravidade, com elétrons em fios de metal a partir de células galvânicas (baterias), há uma lenta deriva geral dos elétrons (como carros presos no trânsito) para o outro lado.

Leitura adicional

Você pode considerar esta resposta que dei a uma pergunta semelhante relacionada à física.

Estamos falando de metais aqui. Normalmente, um objeto de metal não consiste em moléculas. Consiste em átomos de metal, todos agrupados. Isso é mostrado na figura abaixo:

Os círculos vermelhos são elétrons. Como você pode ver, você não pode realmente dizer a que átomo um elétron 'pertence'. Esses elétrons formam as conexões entre os átomos - então eles pertencem a dois átomos.

Agora, quando uma corrente começa a fluir, esses elétrons realmente se movem. Quando uma corrente flui, a energia é transferida. Como os átomos não podem se mover facilmente, os elétrons precisam se mover.

Você também pode ver isso na unidade Ampere de corrente: 1 ampere é igual a 1 Coulomb por segundo. O Coulomb (C) é a unidade de carga (Q). 1 Ampere significa que 1 Coulomb de carga passa um certo ponto em 1 segundo. Essa carga é produzida pelos elétrons que realmente fluem do objeto um para o objeto dois.

Quando falamos de corrente contínua (aplicação normal alimentada por bateria, por exemplo), esses elétrons não retornam à sua fonte. Considere este circuito:

No começo, há uma diferença de carga entre o pólo negativo e o positivo: o pólo negativo tem um excesso de elétrons. Isso cria uma força (tensão) e, como existe um elo entre os dois pólos (o fio e a lâmpada), os elétrons começam a fluir. Os elétrons se movem do pólo negativo através do bulbo para o pólo positivo, até que não haja mais diferença na carga (ou é tão pouco que não fará com que a corrente flua).

Agora você pode ver que esses elétrons não retornaram à sua fonte: eles começaram no pólo negativo e terminaram no pólo positivo.

Chamamos isso de caminho fechado porque há um círculo: a corrente começa na bateria e termina na bateria. Há confusão porque a bateria realmente existe de dois objetos: o pólo positivo e o negativo.

Veja este circuito (que é basicamente o mesmo, mas com um capacitor em vez de uma bateria e um resistor em vez de uma lâmpada):

A corrente flui do lado direito do capacitor (carga negativa, excesso de elétrons) através do resistor para o lado esquerdo do capacitor (carga positiva, falta de elétrons). Aqui, as placas do capacitor são separadas, para que você possa ver facilmente que na verdade não é um caminho fechado.

Apenas chamamos de caminho fechado, porque a corrente começa e termina no capacitor.

Como os elétrons realmente não precisam retornar à sua base, agora você pode entender que os elétrons também podem fluir para a Terra. Isso também é o que acontece com os raios. Os elétrons fluem das nuvens para a terra (ou o contrário, eu não saberia), apenas para neutralizar a diferença de carga.