שאלה על זרימת חשמל

[simba9]

שאלה על זרימת חשמל

שלום, שאלה שאולי תישמע טיפשית, אבל את לימודי פיזיקה כבר די שכחתי: איך אלקטרונים שזורמים במוליך שהוא לא ישר (עם כיפוף או פיתולים) משנים את הכיוון שלהם כל כך מהר במהירות שבה הם נעים? הרי גם לאלקטרונים יש מסה. תודה מראש

 

[sagima]

ומי אמר שהם נעים מהר?

http://www.newton.dep.anl.gov/askasci/phy05/phy05004.htm "the Electrons themselves only reach speeds of about 2 cm per second"

 

[simba9]

תודה אבל עדיין

איך הם משנים אתך הכיוון?

 

[baudrate]

הם מתפזרים בגלל הפונונים

 

[simba9]

השאלה שלי

היא שאם יש כיפוף במוליך איך האלקטרונים משנים את כיוון תנועתם ולא "עפים פשוט" מחוץ למוליך?

 

[baudrate]

יש כאן שתי סוגות

1.כיצד האלקטרונים משנים את כיוון תנועתם: האלקטרונים משנים את כיוון תנועתם על ידי פיזור מהפונונים (תנודות האטומים בחומר) 2. כיצד האלקטרונים לא עפים מהמוליך. האלקטרונים נמשכים למטענים החיוביים שבתוך החומר, ובדרך כלל אין להם די אנרגיה לברוח ממנו.

 

[sagima]

לא אכפת להם מכיוונים

הם קופצים מאטום לאטום. זה לא כמו מכונית, הכוחות שפועלים כאן הם שונים לגמרי, הכוחות ששולטים ברמות האלה הם כוחות אלקטרומגנטים ולא כבידה.

 

[simba9]

תודה!

זה מה שהיה חסר לי הבנתי עכשיו

 

[baudrate]

הם נוטים הצידה?

טוב, אז לא ממש.

 

[Hard Nut]

בהמשך לתשובות שקיבלת (אטומים, פונונים וכו')

שים לב שלמרות שאתה רואה "כיפוף" במוליך - הכיפוף הזה הוא במימדים (גודל) שהעיין שלך מסוגלת לראות. מבחינת האלקטרונים - הם כל כך קטנים - שהם בכלל לא יודעים שיש כיפוף כזה. אבל, ראה הסבר מפורט יותר - בהמשך. כעת - כיצד "זורם" הזרם ? האלקטרונים "שזורמים" - אינם מושפעים רק מהפונונים (שיש החולקים בכלל על קיומם) - שהם "פוגשים" בדרכם. האלקטרונים "מדלגים" מאטום לאטום - ובדרכם הם נתקלים במכשולים, כגון האטומים עצמם (או מולקולות - במקרה שמדובר בחומר מרוכב), הם אכן נתקלים גם בתנודות מכניות של האטומים עצמם, שאינם סטטיים, אלא "רוטטים", ובמיוחד כאשר הטמפרטורה עולה - ומעניקה להם יותר אנרגיה. "הריטוטים" המכניים האלה - מסבירים את הצורה שבה אלקטרון "חוטף" מכות של ממש, ולא רק כתוצאה מהתקלותו (התנגשותו) באטומים שאותם הוא נאלץ לעבור - כדי "לזרום", אלא - בכוון ההפוך, כלומר - מהתנגשותם שלהם - בו (כתוצאה "מהרטט" הזה). אבל יש שנוהגים להשתמש במושג "פונונים" כדי לציין שקיים גם מודל שבו "הריטוטים" הללו מייצרים "חלקיקים (שאיש לא ראה מעולם) - שנקראים "פונונים" - והם אלה שמתנגשים באלקטרון (בנוסף להתנגשויות האחרות שלו - כאמור לעיל). "הרכבת" הזו של אלקטרונים נעים, יוצרת מצב שבו - בכל רגע נתון - כל אטום ואטום "מאוכלס" כראוי על ידי אלקטרון (או יותר מאחד) - שזורם דרכו, גם אם הוא מייד מתחלף באלקטרון אחר - שהוא "הקרון" הבא של "הרכבת". כלומר - כל אטום שומר על האלקטרונים הנורמליים שלו. אם לא היה המצב כך, כלומר - אם לא היה נשמר "האיכלוס" של האלקטרונים באטומים - היו נוצרים במוליך - קטעים, או אזורים - בעלי מטען חשמלי חיובי, או להיפך - אזורים בעלי מטען חשמלי שלילי - מאחר שהיה נוצר חוסר, או - עודף של ריכוז אלקטרונים שליליים. מצב כזה לא ייתכן, כי אז - היו נמשכים, או נדחים אלקטרונים - ביחס לאזור הזה - כדי "לאזן" את המטען, ולשמור על נייטרליות חשמלית. מהסיבה הזו - האלקטרונים תמיד "עוקבים" אחר מבנה החומר המוליך - גם אם הוא מתעקל בחדות, ואינם "קופצים" החוצה ממנו.

 

[simba9]

תודה על הפירוט!

אבל לגבי המהירות - אני זוכר שמהירות זרם החשמל היא מהירות האור, לא?

 

[Hard Nut]

לא. היא נמוכה הרבה יותר

גם בגלל ההתנגשויות שמתרחשות בתוך המוליך - כפי שהסברנו, ומלבד זאת - כמו שאמרת בעצמך - לאלקטרונים יש מאסה, ונחוץ כוח אלקטרומניע - Electromotive force - חזק מאד - כדי להניע אותם במהירות גבוהה כזו. זאת בניגוד לפוטונים, שהם חסרי-מאסה, ולכן נעים "בטבעיות" במהירות האור.

 

[simba9]

הבנתי את החלק

של מהירות תנועת האלקטרונים אבל לגבי מהירות זרימת החשמל מדובר על משהו אחר: באיזה מהירות מרגע שמתחילים לנוע אלקטרונים מצד אחד של המוליך מתחילים לנוע אלקטרונים בצידו השני - כי הרי הם "דוחפים" אחד את השני ולכן זה מהיר יותר, לא? הרי ברגע שאתה לוחץ על מתג החשמל האור נדלק מיידית ולא לפי מהירות של 2 ס"מ לשניה בה היינו צריכים להמתין עשרות שניות לאור..

 

[sagima]

ההפרעה האלקטרומגנטית

תנועה במהירות האור באותו תווך.

 

[Hard Nut]

נכון. שאלתך מתייחסת למהירות מעבר אינפורמציה

השאלה היא זו: גם אם האלקטרונים עצמם - נעים "לאט" - מהי המהירות שבה נעה האינפורמציה על כך שמתחילה להתרחש תנועת אלקטרונים - ומתחיל לזרום זרם. כלומר - אם, לדוגמה, הפעלנו מתח בצד אחד של כבל חשמלי - כמה זמן יעבור - עד שצופה (או מתקן חשמלי) שנמצא בקצה השני של הכבל (אולי במרחק של קילומטרים מהקצה הראשון) - יקבל את האינפורמציה שמתחיל לזרום זרם, ויוכל להתחיל לפעול. ואכן - אינפורמציה ביקום שלנו - נעה במהירות האור, בתנאי שמדובר בריק (ואקום). אלא שיש הבדל - בין מהירות האור בריק (ואקום), המסומנת באות - C, והיא כ- 300,000 ק"מ בשנייה, לבין מהירות מעבר אינפורמציה "אלקטרומגנטית" (כלומר - "דמויית" אור) - בתוך תווך (כגון המוליך) - שאינו ריק. המהירות בתוך תווך - תהיה קטנה יותר, והיא תלויה בסוג התווך.

 

[Hard Nut]

אופס... sagima היה זריז ממני ../images/Emo8.gif

 

[spake]

אחמ.......

זה נקרא מודל טיט בינדינג והוא מתאר תנועה של אלקטרון במבודד בדר"כ........ התיאור המקובל יותר הוא מודל nearly free electrons ....... במודל זה אנחנו מניחים כי האלקטרונים בפס ההולכה חופשיים לנוע לאורך המוליך, ואילו הגביש/המבנה של המוליך הוא רק הפרעה. בתיאור זה ניתן להגיע למצב של פס חצי מלא וכך לתנועה או של חורים או אלקטרונים....... תנועת החורים ניתנת לתיאור דומה קצת לטיט בינדינג שבה אנחנו אומרים כי האלקטרונים "קופצים" מאטום לאטום אך תנועת אלקטרונים מתוארת יותר כמו נוזל עם צפיפות מטען אחידה. מצטער על ההתנסחות הגרועה אבל ניסיתי להוריד את המודל מרמה של נוסחאות והמילטוניאנים

 

[spake]

תיקון...

חוסר אלקטרון "קופץ" מאטום לאטום.

 

[Hard Nut]

תיקון... "חורים" - Electron-Holes ../images/Emo8.gif

ראשית, לגבי מבודד - הוא איננו "מוליך", ולכן אלקטרונים אינם זורמים בו בנקל... לגבי מודל התנועה, והחורים - ההסבר הוא פשוט: "חורים" - Electron holes שזורמים, או - כפי שקראת להם - "חוסר באלקטרון" שזורם, ו"קופץ" מאטום לאטום, הוא מודל ידוע וקיים, ואפילו נמצא בשימוש נרחב במוליכים למחצה - Semiconductors, אך הוא בעייתי. זאת בגלל שבעוד שהאלקטרון הוא חלקיק אמיתי שקיים במציאות - ה"חורים" האלה אינם אלא - חלקיקים דימיונים שהם "הנגטיב" של אלקטרון - כלומר בעלי מטען חיובי, אבל (כמעט) בעלי אותה המאסה והמהירות - רק שמהירותם היא בכוון ההפוך. כלומר - כשכל אלקטרון "מקפץ" "ומדלג" מאטום לאטום, ניתן לראות זאת כאילו "החור" (או "היעדר האלקטרון") - "מקפץ" "ומדלג" באותו אופן בדיוק, אבל - בכוון ההפוך. התרגום לעברית של "Electron holes", אגב, הוא - "נעדרון" (וברבים - "נעדרונים"). לכאורה, מודל התנועה של שניהם - היה אמור להיות זהה לחלוטין - רק מנוגד בכוון. אלא שבאופן מפתיע (או שלא...) התברר שההבנה שלנו את הפיסיקה של מצב מוצק - Solid State Physics - איננה מושלמת. ולכן, באופן מפתיע (או שלא...) - התברר שבניגוד לשכל הישר, המאסה של החורים, שונה במקצת מהמאסה של האלקטרונים, ובהתאם - גם מהירות התנועה של חורים - שונה במקצת מזו של האלקטרונים, והשינוי הזה - תלוי בסוג החומר. לכן מתייחסים אליהם כאל שני זרמים שונים, (שמתווספים ומגדילים את הזרם "הכולל"), למרות שלמעשה - הם אותו הזרם עצמו. אלא, שכפי שהסברתי - שניהם זורמים כך - שבכל רגע נתון נשמרת נייטרליות חשמלית של כל פיסה של החומר המוליך, ולכן אם ישנו שינוי בריכוז שלהם - הוא קטן מאד, ובעיקר - אחיד לחלוטין בכל נקודה במוליך - כדי לשמור על נייטרליות חשמלית. ולבסוף - חשוב לזכור שיש גם מוליכים שאינם מוצקים, כגון - כספית, שהיא נוזל בטמפרטורה שלנו, ואין בה מבנה של סריג כפי שיש במוצק - ולמרות זאת - היא מתנהגת כמוליך - ממש כמו חומר מוצק.

 

[spake]

אתה...

הוא זה שטען שאלקטרונים קופצים להם בין אטומים........לא אני....... אין שום בעיה עם תנועה של חורים זה בסה"כ אומר שיותר מחצי פס הולכה מלא.........השינוי במסה שוב נובע מחישוב שונה של פס כמעט מלא מול פס כמעט ריק. בכל מקרה המודל הפשוט של זרימת אלקטרונים מדברת על נוזל פרמי שבו מתיחסים לאלקטרונים כבעלי צפיפות מטען (מודל דרודה) במודל מעט מורכב יותר ישנו המילטוניאן תנועה של אלקטרון חופשי בתוספת הפרעה של פוטנציאל מחזורי ומכאן כל התוצאות המוזכרות לעיל. דווקא בחלק הזה של הפיזיקה יש לנו תיאור מאוד מדוייק אם אינך יודע בעזרת מצב מוצק מחשבים את הקבוע בעל הדיוק הגדול ביותר בטבע! החלק הסבוך בזרימת אלקטרונים הינו מופיעה בעל מוליכות ובעיקר במוליכות על בטמפרטורות גבוהות שם כאמור אין עדיין תיאוריה סגורה.