Gli atomi contengono diversi strati o gusci di elettroni. L'atomo di idrogeno ha un elettrone sul primo strato, l'atomo di elio ne ha due sul primo strato, l'atomo successivo (litio) ne ha due sul primo strato, quindi uno sul secondo strato, ecc. Ogni strato può tipicamente contenere solo uno specifico numero di elettroni.

I migliori conduttori hanno un atomo nel loro strato più esterno e sono più che felici di rinunciarvi. Considera l ' atomo di rame. Ha il seguente numero di elettroni in ogni strato: 2, 8, 18, 1. Rinuncerà a quell'elettrone sotto un campo debolmente caricato, quindi sarà caricato positivamente e "tirerà" un elettrone da un atomo di rame vicino. Se guardi l'argento e l'oro, sono disposti in modo simile: 2, 8, 18, 18, 1 per l'argento e 2, 8, 18, 32, 18, 1 per l'oro.

Tu può rimuovere qualsiasi atomo di un elettrone, ma i migliori "conduttori" richiedono solo un campo debole per farlo.

Quindi, se estraggo un elettrone dall'estremità di un filo di rame, usando un campo elettrico debole, allora quell'atomo potrebbe estrarre un elettrone dal suo vicino, e alla fine un atomo di rame da qualche parte nel filo perderà il proprio elettrone, ma non sarà in grado di ottenere quello di qualcun altro perché è troppo lontano o interagisce con un altro campo. Se spingo un elettrone all'estremità del filo, l'atomo di rame che lo riceve ne avrà troppi, mostrerà una carica negativa ed essenzialmente spingo il suo elettrone in più su un altro atomo di rame finché non trova un atomo che non può ottenere sbarazzarsene o di un atomo a cui manca già uno.

Puoi anche spingere e tirare elettroni dentro e fuori dagli isolanti - lo fai quando accumuli cariche statiche, ad esempio, usando stoffa e plastica .

Ma i conduttori ridistribuiscono la carica internamente, quindi se carichi un'estremità di un filo con elettroni extra, puoi considerare l'altra estremità del filo caricata in modo simile.

Una batteria, che spesso utilizza una reazione chimica, imposta una carica positiva da un lato e una carica negativa dall'altro. Se colleghi un conduttore tra le due estremità, forzerai gli elettroni attraverso il conduttore mentre viaggiano dal lato caricato negativamente (troppi elettroni) al lato caricato positivamente (troppo pochi elettroni).

Gli elettroni si muovono in una direzione solo per DC, e in una direzione poi nell'altra per AC. A causa del cambiamento del campo magnetico (cioè, il filo diventa un induttore) i segnali CA ad alta frequenza viaggiano tipicamente vicino alla superficie del filo. Puoi cercare "effetto pelle" per capirlo meglio. Gli elettroni viaggiano tra gli atomi del conduttore.

Ogni volta che spingi 6,28x10 ^ 18 elettroni attraverso il filo, hai spostato un amplificatore di corrente. Sono 6,28 miliardi di miliardi di elettroni. Tuttavia, ci sono circa 4,38x10 ^ 22 atomi di rame in un metro di filo 20gauge, quindi se spingi un intero amplificatore attraverso di esso, assumendo una distribuzione uniforme, non otterrai nessuno degli elettroni che hai inserito - dovresti hanno spinto fuori gli elettroni che erano già nel filo. Gli elettroni si muovono lentamente, individualmente, ma la carica si distribuisce rapidamente: non appena si inserisce un elettrone, si scopre che è più facile estrarne uno dall'altra estremità quasi alla velocità della luce all'altra estremità. Non è lo stesso elettrone, ma l'effetto e la carica sono gli stessi.

Un buon conduttore distribuisce la carica molto, molto rapidamente e non converte gran parte del movimento in calore. Se spingi la stessa corrente attraverso lo stesso filo d'oro delle stesse dimensioni e lo stesso filo di rame, il filo d'oro si riscalderà di più, perché è più difficile per quegli atomi d'oro rinunciare e accettare elettroni.

Cioè Che tipo di percorso seguono quando raggiungono la fine del filo?

Non lo fanno. Se c'è un circuito aperto, non c'è corrente.

La corrente è in realtà solo un flusso di elettroni: 1A di corrente in una direzione = 6,24 x 10 ¹⁸ elettroni che fluiscono nell'altra direzione. (Grazie a Benjamin Franklin per questo: è lui che ha deciso la convenzione del segno per la corrente, in base al movimento di ciò che pensava fosse carica positiva.)

La corrente in un conduttore è causata, in un certo senso, da campi elettrici. In un conduttore, la densità di corrente J = σE dove J è in amp / m ² , σ è la conduttività del materiale ed E è il campo elettrico.

Se tu avere un filo collegato in un circuito con componenti (es. resistenze, ecc.) ad una sorgente di tensione, che la tensione impone campi elettrici lungo il circuito, facendo fluire la corrente. Quando gli elettroni raggiungono l'estremità del filo che è collegato a un altro componente, si muovono in quel componente e continuano in un ciclo attorno al circuito.

L'analogia più semplice qui è probabilmente il flusso dell'acqua. La corrente è analoga al flusso dell'acqua, la tensione è analoga alla pressione, le batterie sono analoghe alle pompe, i fili sono analoghi a tubi o tubi. (A differenza dell'analogia con l'acqua, se interrompi un circuito, la corrente si interrompe, perché la conduttività nell'aria degli elettroni è molto bassa, mentre se tagli un tubo, l'acqua fuoriesce.)

Un conduttore metallico è un mare di elettroni liberi trattenuti in un pozzetto di potenziale dalla carica positiva dei noccioli dell'atomo che compongono il metallo. Ecco come funziona: alcuni elettroni sono strettamente legati al nucleo degli atomi e altri sono liberi di vagare. Quelli strettamente legati non si muovono, ma quelli liberi possono andare dove vogliono ... più o meno. Il calore (moto browniano) fa sobbalzare tutte queste particelle e vanno più veloci con l'aumentare della temperatura. Poiché alcuni elettroni sono liberi di muoversi, la spinta tende a farli rimbalzare ulteriormente dal resto degli atomi. Una nuvola di elettroni inizia a formarsi oltre la superficie del filo e diventa più grande man mano che riscaldiamo le cose. Quando la nuvola di elettroni si sposta più lontano, gli atomi che sono bloccati in posizione (in realtà in un reticolo cristallino) sviluppano una carica elettrica positiva che tende a tirare indietro gli elettroni. Quindi c'è un equilibrio tra lo spintone dovuto al calore che tende a far espandere la nuvola di elettroni (qualcosa come le molecole in un gas che gli fanno desiderare di espandersi quando riscaldato) e il campo elettrico che si sviluppa perché gli elettroni negativi trascorrono un po 'del loro tempo ulteriormente lontano dal filo che gli atomi positivi lasciati dietro. L'effetto netto è che tutti gli elettroni devono stare vicino al filo, ma si spostano più fuori quando la temperatura aumenta. Ci sono un sacco di cose che accadono a causa di questo "mare di elettroni".

In primo luogo, è un mare e possiamo fare un'analogia con l'oceano. Lungo la costa orientale degli Stati Uniti c'è qualcosa chiamato Gulf Stream. È una corrente nel mare. Si muove a poche miglia all'ora e trasporta molta acqua verso nord. Nell'oceano ci sono anche le onde. Se ci fosse un terremoto nell'Atlantico, uno tsunami che ne deriverebbe si sposterebbe attraverso l'oceano a 600 miglia all'ora. Quindi abbiamo esperienza che in un mare, le onde possono muoversi molto velocemente mentre la corrente si muove molto più lentamente. In un filo è più o meno lo stesso. Quando applichi un potenziale positivo all'estremità di un filo, gli elettroni nella nuvola attorno al filo vengono attratti da esso. In realtà, la tua carica positiva ora compete con la carica positiva degli atomi e alcuni elettroni si sposteranno nella tua direzione. Alcuni potrebbero persino spostarsi fisicamente nella tua carica positiva che hai applicato, ma principalmente la nuvola di elettroni all'estremità del filo si sposterà verso di te. Una volta che si spostano, quelli un po 'più avanti vedranno lo spostamento perché ora ci sono meno elettroni negativi sul lato verso di te. Quindi cambieranno. Questo processo si propaga lungo il filo, ogni lotto di elettroni si sposta a causa del cambiamento di campo dovuto allo spostamento di altri. Quando l '"onda" arriva all'altra estremità del filo, la nuvola si sposterà verso l'estremità opposta, esponendo più carica positiva degli atomi, in modo da vedere un potenziale positivo alla fine. Ma non succede immediatamente. Il campo del cavo deve cambiare e questo richiede tempo. Ora ecco la parte davvero interessante: i campi elettrici si muovono alla velocità della luce al di fuori del filo, ma si muovono MOLTO LENTAMENTE all'interno del filo. Non ho numeri esatti, ma fuori dai fili i campi stanno accelerando a 3x10 ^ 8 metri / sec. All'interno del filo non è nemmeno un metro al secondo. Se applichi la CC, ci vuole molto tempo perché un singolo elettrone viaggi effettivamente lungo il filo fino all'altra estremità. Ma, se applichi un impulso positivo al filo, vedrai un impulso positivo all'altra estremità all'incirca alla velocità della luce (se metti un isolante attorno al filo in realtà va un po 'più lento, ma questo è un dettaglio per il momento). Come può essere questo? Se i campi viaggiano molto lentamente all'interno del filo, come fa l'impulso a raggiungere l'altra estremità così velocemente? Lo fa a causa del campo INTORNO al filo. Un filo, specialmente per i segnali CA, agisce in una certa misura come una guida d'onda rovesciata. I campi non possono entrare nel filo, quindi rimangono vicino alla superficie e spingono solo gli elettroni vicino alla superficie. Per DC, i campi possono finalmente penetrare l'intero filo e far muovere tutto, ma per AC il campo si inverte a intervalli regolari, quindi appena entra un po 'nel cavo, si inverte e deve ricominciare da capo. L'effetto netto è che le correnti nei fili viaggiano in una regione stretta vicino alla superficie: questo è chiamato "Effetto pelle". Non credo che sia stato scoperto dal Dr. Skin (ma potrei sbagliarmi), penso che si riferisca solo alla corrente che si attacca alla superficie, o 'pelle', del filo. Se ti chiedi quanto questo conti: molto, molto, molto. Tonnellate. Great gobs. Ho equalizzatori via cavo costruiti professionalmente per segnali video. L'effetto pelle mi ha permesso di guadagnare un buon stipendio per alcuni anni. Prendi un cavo calibro 24 (diciamo Cat 5) e applica un segnale che ha frequenze da molto basse (diciamo 30 Hz) a ragionevolmente alte (diciamo 5MHz). Le basse frequenze possono penetrare molto più in profondità nel rame, quindi vedono effettivamente un cavo molto più grande. Le alte frequenze vedono solo un tubo sottile. Qual è la differenza? Resistenza! I segnali fluiscono molto più facilmente in un filo spesso che in un tubo sottile. Quindi le alte frequenze diventano sempre più piccole man mano che si scende lungo il cavo. Per un segnale video, significa che la tua immagine diventa sempre più sfocata e alla fine il colore scomparirà. Dopo aver percorso un miglio di cavo Cat 5, le parti a 5 MHz di un segnale video saranno circa un milione di volte più piccole delle basse frequenze.
Un'altra cosa che questo "mare di elettroni" spiega: i raggi catodici. Ai bei vecchi tempi i segnali elettrici erano amplificati da tubi a vuoto. Il tubo a vuoto stesso aveva un filamento (che aveva la corrente forzata attraverso di esso in modo che emettesse una luce arancione calda) e una griglia (un po 'come uno schermo metallico) accanto al filamento. Più lontano c'era qualcosa chiamato piastra (che era solo una piastra metallica con una connessione terminale). Quando il filamento era caldo, il mare di elettroni si espandeva e molti elettroni vagavano abbastanza lontano dal loro filo di casa. Se si applica una carica positiva alla griglia, si potrebbe estrarre alcuni di quegli elettroni dal filamento e se, allo stesso tempo, si applicasse una carica positiva alla piastra, si precipiterebbero via attraverso il vuoto all'interno del tubo e atterrare sulla piastra provocando una corrente. Quindi la griglia poteva controllare la corrente attraverso il tubo, e quello era il primo amplificatore elettronico. È stato inventato dalle prime lampadine. In effetti, Edison l'ha quasi inventato, ma non ha mai terminato l'esperimento, quindi il cenno del capo va a un signore di nome DeForrest. (Penso ... forse dovrei controllare Wikipedia). Se quella lastra era uno schermo rivestito di fosfori, diventava un CRT (tubo a raggi catodici) e quello divenne il primo televisore.Quindi c'è molto che può essere spiegato da questa visione di un filo / conduttore come un mare di elettroni tenuto liberamente dentro posto dai loro atomi genitori. Non sono sicuro che fosse quello che stavi cercando, ma mi ha sempre aiutato una volta che l'ho imparato. In bocca al lupo. Dave

Quando scorre una corrente elettrica, gli elettroni si muovono dal polo negativo verso il polo positivo a una velocità molto ridotta, qualcosa nell'ordine di \ $ 0,02 mm / sec \ $ in un filo standard verso una lampadina. Gli elettroni si muovono nella direzione opposta a quella che chiamiamo corrente. Quando raggiungono l'estremità del cavo, si trasferiscono effettivamente nel materiale del terminale, della lampadina o di qualsiasi altra cosa. La facilità della mobilità degli elettroni è ciò che chiamiamo conduttanza.

Nei circuiti CA, gli elettroni in realtà oscillano un po ', a seconda della frequenza della CA, seguendo la polarità della corrente.

Vedi http://amasci.com/miscon/speed.html

Quando viene applicata la CC, gli elettroni liberi in rame iniziano a lasciare il terminale negativo della batteria e penetrano nel terminale positivo della batteria. Si muovono molto lentamente [Un riferimento può essere trovato in B L Theraja, Electrical Engieering]. Non si limitano a raggiungere e finire il viaggio. La corrente è dovuta al loro movimento in una particolare direzione, non perché hanno raggiunto la loro destinazione e devono morire adesso.

Gli elettroni non muoiono. Continuerebbero semplicemente il suo percorso dal filo di rame alla batteria (che è anche un conduttore a bassa resistenza).

La corrente AD è simile. Gli elettroni si muovono semplicemente avanti e indietro. Come un'altra risposta dice che si muovono molto lentamente, quindi deve essere davvero un piccolo movimento. Ma non che siano molto elastici. Ciò significa che se un elettrone si muove all'inizio del conduttore, sposta un altro elettrone alla fine del conduttore. Quindi il movimento è totalmente irregolare. E ci sono sempre elettroni che si spostano dal rame alla pastella e dalla batteria al rame. Sia in AC che in DC.

Solo per espandere l'analogia con l'acqua; supponiamo di avere un tubo lungo, con una fonte d'acqua a un'estremità e una valvola nell'altra: il tubo è pieno d'acqua e quando apri la valvola, inizia a traboccare "istantaneamente". Non dici che l'acqua ha viaggiato a velocità infinita attraverso il tubo, solo che era al suo interno e in attesa di una via per andare da qualche parte.

Lo stesso accade con l'elettricità: gli elettroni sono nel filo e quando si applica la tensione, iniziano a muoversi. L'effetto si vede quasi istantaneamente perché c'erano delle "attese" all'estremità del filo, spinte da quelle vicine e andate così alla sorgente. Quindi, anche se gli elettroni sono lenti , i segnali si propagano molto più velocemente (2/3 c è un riferimento comune) a causa di questa reazione a catena.