Dileme legate de electricitate

[Higgs]

Ok, partea asta a fizicii nu mi-a plăcut niciodată, am urât-o, pentru că am avut întotdeauna niște nedumeriri pe care n-am reușit să mi le explic nici până acum. M-am hotărât însă să le corectez. Deci, după ce am citit ceva articole pe net, am câștigat un model mintal destul de bun asupra mișcării electronilor într-un circuit electric.

Prima nedumerire care apare este următoarea: de unde știu că Q/t = constant ? Este destul de intuitiv, știu asta. Dar mă gândeam la un argument; este corect să mă gândesc că, datorită densitâții foarte mare de electroni, aceștia se "împing" reciproc, iar astfel apare o "curgere" constantă a electronilor ?



A doua: atunci când avem un nod de rețea, întotdeauna am citit că ce intră, trebuie să și iasă, Din nou, este destul de intuitiv, dar voiam să mă asigur că am înțeles complet de ce se întâmplă asta. Așa că, am ales o zonă foarte foarte îngustă a conductorului, pe care am marcat-o cu verde. Electronii din acea zonă urmează să se distribuie pe cele două "cărări" disponibile, corect ? Deci, ca și în cazul teoriei cinetice, consider o zonă foarte mică de particule, nu-i așa ? Altfel, dacă aș considera, de pildă, zona în care se găsesc toți electronii din imagine, nu aș mai putea să aplic atât de ușor această regulă, pentru că ar trebui să "aleg" eu alte două locuri de pe cele două "cărări" ale căror densități de electroni adunate să dea densitate inițială. Observ deci că legea de conservare a sarcinii se aplică mai ușor pentru zone mai mici. Este corectă această aboradre?

Mai am și alte întrebări, care vor urma după ce cineva mă va ajuta să îmi răspund la acestea două.

P.S. : Poate că nedumeririle mele intră în categoria "clasa a III-a" dar am ajuns demult la concluzia că rezolvarea "oarbă" de probleme de fizică nu duce la nimic. Am aplicat mereu orbește legile lui Kirchoff în rezolvarea de probleme de electricitate. Dar, pentru că după vacanță începem curentul alternativ m-am gândit că ar fi cazul să îmi rezolv și eu nedumeririle acestea. Mulțumesc foarte mult!

[puriu]

 Legile electricitatii se refera la conductori in general (tip 1, 2 sau 3), la purtatori de sarcina in general (electroni, goluri sau ioni) si la curent in general (continuu, alternativ, impulsuri, etc.). Pentru deplasarea sarcinilor electrice in vid sunt legi deosebite.
Legea conservarii sarcinii electrice este o lege fundamentala a naturii si se aplica in toate cazurile. La nivel microscopic e mai complicat. Purtatorii de sarcina nu se imping, ci se misca sub actiunea unui camp electric in conductor (cu exceptia supraconductorilor unde campul electric este nul, iar miscarea electronilor are un caracter cu totul special). Intr-un conductor purtatorii de sarcina au o miscare haotica datorata interactiunii cu atomii conductorului ce se afla in agitatie termica. Intre doua interactiuni, ce pot fi privite intuitiv ca ciocniri, campul electric din conductor modifica directia si viteza de deplasare a purtatorilor de sarcina astfel incat, pe ansamblul unui element de volum al conductorului, apare o deplasare neta pe directia campului. Sensul de deplasare depinde de caracterul purtatorilor. In metale si semiconductori N electronii de misca intr-un sens, in semiconductorii P golurile se misca in sens invers, iar in conductorii ionici, ionii de semn contrar se misca simultan in ambele sensuri. De fapt, ceea ce se deplaseaza sub actiunea campului electric este sarcina electrica. La nivel macroscopic se defineste curentul in conductor ca o valoare medie in unitatea de timp a sarcinii electrice ce trece prin intreaga sectiune a conductorului. In electricitate se considera in toate cazurile un sens conventional al curentului, cel corespunzator miscarii unei sarcini elementare pozitive.
La circuitele electrice regulile sunt simple si sunt usor de aplicat.

[HarapAlb]

1) Relatia Q/t=const este valabila la nivel macroscopic. Deplasarea electronilor are loc sub influenta a doua mecanisme: accelerarea datorita campului electric extern si ciocnirile cu nodurile retelei cristaline a conductorului. La nivel macroscopic iti poti imagina ca ciocnirile repetate ale unui electron cu nodurile retelei genereaza o forta proportionala cu viteza electronului astfel incat dupa un anumit timp se obtine un echilibru intre forta electrostatica si cea care modeleaza ciocnirile.
La nivel miscroscopic electronii se deplaseaza cu salturi in viteza, accelereaza datorita campului, apoi se ciconesc de nodurile retelei si incetinesc, apoi iar accelereaza si iar se cionesc. Relatia Q/t=const nu este valabila la nivel microscopic, curentul printr-un conductor are o componenta neconstata catalogata drept zgomot de alice (in engleza shot noise).

[Higgs]

Mulțumesc amândurora pentru răspunsurile foarte complete!!! Chiar apreciez timpul pe care l-ați acordat să-mi răspundeți mie. Deci, în concluzie, toate legile pentru circutie electrice sunt valabile la nivel macroscopic, și nu microscopic. Ok, acum iată urmățoarea nedumerire. Pentru a mă putea exprima mai ușor, întrebările mele vor fi bazate pe următoarea schemă (un circuti simplu cu o baterie, și un rezistor:





Iată ce am înțeles eu. O baterie are rolul de a pompa cu energie electronii aflați deja în atomii ce constituie conductorul. Considerăm deplasarea unei sarcini pozitive. În circuitul intern al bateriei, sarcina (considerată, convențional, pozitivă) este deplasată de la + la - (de la un potențial mai mic la unul mai mare) , împotriva câmpului electric, câștigând astfel energie.  Energia câștigată o donează elementelor circuitului, care la rândul lor o transformă în alt tip de energie, utilă din punct de vedere practic, cum ar fi energia termică. Pănă aici toate bune și frumoase, însă, acum intervine întrebarea mea, care cred că are legătură cu înțelegerea necorespunzătoare a termenului de potențial.

De ce toată energia câștigată în baterie este dată rezistorului din circuit ? Înțeleg că energia electrică a electronilor nu are de a face (sau idealizăm noi și spunem asta) cu mișcarea lor, și că ei se mișcă datorită numeroaselor ciocniri între ei, și între rețeaua cristalină a conductorului). Iată ce vizualizez eu că se întâmplă. Să zicem că un electron, sau un grup de electroni ajung în rezisor, la capătul A.



Aceștia au energie electrică pe care am reprezentat-o ca o "aură" roșie. După ce ies din rezistor aceștia își pierd energia electrică. Ok, pentru un singur rezistor să zicem că sunt convins că toată energia este dată acestuia. Dar dacă aș mai avea un alt rezistor legat în serie cu cel din figură ? Atunci știu că: U = U1 + U2 ,adică energia câștigată de la baterie este împarțită celor doi rezisotri. Ei bine, dar de ce nu este cedată toată energia primului rezistor ? :-?

P.S.: poate am devenit stresant cu întrebările dar chestiile astea chiar mi s-au așezat urât de tot pe creier ;

[puriu]

 Electronii liberi nu capata energie de la baterie, ci se afla pur si simplu in circuit. Au o energie cinetica ce depinde de temperatura. La iesirea din baterie au aceeasi energie ca si la intrare. Rolul bateriei este de a crea si a mentine diferenta de potential la borne U. Cand se inchide circuitul bateria produce o cantitate de energie electrica UIt ce se consuma pe toate rezistentele din circuit (rezistoare, conductori, rezistenta interna a bateriei) conform relatiei E = U²/R.
Circuitul electric de curent continuu este perfect echivalent cu un circuit hidraulic in care bateria este pompa, diferenta de potential electric este diferenta de presiune, curentul este debitul de lichid, electronii liberi sunt moleculele de apa, iar rezistenta electrica este rezistenta hidraulica.

[Higgs]

Electronii liberi nu capata energie de la baterie, ci se afla pur si simplu in circuit. Au o energie cinetica ce depinde de temperatura. La iesirea din baterie au aceeasi energie ca si la intrare. Rolul bateriei este de a crea si a mentine diferenta de potential la borne U.

Aha, înțeleg. Deci, fără o baterie, electronii ar continua mișcarea haotică în circuit, negenerând un curent electric. Bateria practic, îi "forțează" să se miște într-o anumită direcție ?

[puriu]

Asa este. Dar electronii pot fi "fortati" sa se miste un timp si prin descarcarea unui condensator sau prin inductie electromagnetica. Pentru a avea un curent continuu in circuit trebuie o sursa continua de energie care este, de exemmplu, o baterie.
Mai sunt nelemuriri?
Erata: mai sus relatia corecta este E = t x U²/R. Ceea ce a aparut este puterea, nu energia. Scuze!

[Higgs]

Asa este. Dar electronii pot fi "fortati" sa se miste un timp si prin descarcarea unui condensator sau prin inductie electromagnetica. Pentru a avea un curent continuu in circuit trebuie o sursa continua de energie care este, de exemmplu, o baterie.
Mai sunt nelemuriri?
Erata: mai sus relatia corecta este E = t x U²/R. Ceea ce a aparut este puterea, nu energia. Scuze!

Ei bine, între timp m-am mai lămurit puțin cum stă treaba. Am înțeles de ce intensitate curentului electric într-un astfel de circuit este constantă. Am înțeles chiar și cum stă treaba cu pierderea de energie prin circuit. Am găsit un videoclip pe youtube foarte foarte explicit. Am înțeles mai bine structura unui conductor, și cum sunt dispuși electronii.

Mai e un lucru de care nu sunt 100% sigur. Ca un electron să câstige 12J de energie, într-o baterie de 12V el trebuie să parcurgă drumul de la + la - . Problema e că, el nu apucă să parcurgă toată distanța, de la terminalul pozitiv la terminalul negativ. Energia se transmite practic prin ciocniri, din aproape în aproape, nu-i așa ?

[HarapAlb]

Mai e un lucru de care nu sunt 100% sigur. Ca un electron să câstige 12J de energie, într-o baterie de 12V el trebuie să parcurgă drumul de la + la - . Problema e că, el nu apucă să parcurgă toată distanța, de la terminalul pozitiv la terminalul negativ. Energia se transmite practic prin ciocniri, din aproape în aproape, nu-i așa ?

Din 12V un electron o sa castige cel mult 12eV, mult mai putin decat 12J pentru ca 1J = 6.24150934 × 1e+18 eV. Energia o primeste in principal de la campul electric care se propaga (aproximativ) cu viteza luminii de la un capat la celalalt al conductorului, practic toti electronii se pun in miscare simultan in lungul conductorului.

[puriu]

  Se poate considera ca, intre doua ciocniri, electronul se misca in vid. In vid, unde electronul se misca liber, el este accelerat in permanenta de campul electric si poate capata o energie mare. Intre doua puncte cu diferenta de potential U[V] electronul capata o energie de exact U[eV]. Intre doua ciocniri cu atomii conductorului electronul capata o energie suplimentara ce depinde de campul electric local si de drumul parcurs. Cum drumul liber intre doua ciocniri este extrem de mic, diferenta de potential este extrem de mica, iar castigul de energie este foarte, foarte mic. Prin ciocnire energia castigata este transmisa atomului, respectiv conductorului in ansamblu. Cum masa electronilor liberi este neglijabila fata de masa conductorului, se poate spune ca toata energia electrica produsa de baterie serveste la incalzirea conductorului.