Πώς τα ηλεκτρόνια καθορίζουν την πορεία της ελάχιστης αντίστασης;

Όταν ένας διακόπτης είναι ενεργοποιημένος, μια διαδρομή με υψηλότερη αντίσταση προσφέρει μεγαλύτερη αντίθεση στη ροή των ηλεκτρονίων, σε σύγκριση με μια διαδρομή με χαμηλότερη αντίσταση.

Σκεφτείτε το σενάριο όπου βρίσκεστε σε ένα γεμάτο McDonald's, περιμένοντας τη σειρά σας για να κάνετε μια παραγγελία. Θα περιμένατε στην ουρά με πιο αργό σέρβις για την παραγγελία σας σε πακέτο ή θα ακολουθούσατε τη γραμμή με ταχύτερη εξυπηρέτηση;

Ακολουθήστε το μονοπάτι της ελάχιστης αντίστασης στο αγαπημένο σας γεύμα (Πίστωση:@AZ.BLT/Twenty20.com)

Κατά πάσα πιθανότητα, θα ακολουθήσετε τη γραμμή που φαίνεται να κινείται πιο γρήγορα, δηλαδή τη διαδρομή της ελάχιστης αντίστασης. Κάτι παρόμοιο συμβαίνει και με τα ηλεκτρόνια που ρέουν μέσα από τα καλώδια. Παρόλο που η απάντηση μπορεί να φαίνεται προφανής, ο μηχανισμός της ροής ηλεκτρονίων για να ακολουθήσει το μονοπάτι της ελάχιστης αντίστασης είναι κάπως πιο περίπλοκος.

Τι είναι ένα ηλεκτρόνιο;

Το σχολείο μας δίδαξε ότι τα άτομα είναι τα δομικά στοιχεία όλης της ύλης. Ένα άτομο αποτελείται από μικρότερα σωματίδια που ονομάζονται υποατομικά σωματίδια . Ένα ηλεκτρόνιο είναι μια κατηγορία στοιχειωδών υποατομικών σωματιδίων που ονομάζονται λεπτόνια . Τα λεπτόνια είναι στοιχειώδη επειδή δεν αποτελούνται από μικρότερα υποσωματίδια.

Το τυπικό μοντέλο σωματιδιακής φυσικής (Πιστωτική:Wikimedia Commons)

Ας θεσπίσουμε μερικούς θεμελιώδεις νόμους για τα ηλεκτρόνια:

• Όλα τα ηλεκτρόνια είναι πανομοιότυπα.
• Τα ηλεκτρόνια φέρουν αρνητικό φορτίο (-1.602×10-19 C).
• Τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο.
• Τα ηλεκτρόνια κινούνται με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός, δηλαδή 300.000 km/s. (Φανταστείτε ότι ταξιδεύετε γύρω από τον ισημερινό 7 φορές σε ένα μόνο δευτερόλεπτο!)

Τι είναι το ηλεκτρικό ρεύμα;

Η ροή φορτίου ανά μονάδα χρόνου ονομάζεται ηλεκτρικό ρεύμα.

Η κατεύθυνση της ροής του ρεύματος είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της ροής ηλεκτρονίων (Photo Credit:VectorMine/ Shutterstock)

Όλες οι ηλεκτρικές συσκευές, όπως φώτα σωλήνων, κλιματιστικά, θερμοπίδακες, κ.λπ., έχουν φορτία που ρέουν μέσα από τα καλώδια μέσα τους όταν είναι ενεργοποιημένα. Σε έναν ιδανικό κόσμο, αυτά τα φορτία θα μπορούσαν να ρέουν μέσα από το μονοπάτι μπροστά τους χωρίς κανένα εμπόδιο, αλλά η φύση νόμιζε διαφορετικά…

Ας υποθέσουμε ότι έχουμε ένα καλώδιο που αντιτίθεται στη ροή των φορτίων μέσω αυτού. Ένα τέτοιο καλώδιο λέγεται ότι έχει αντίσταση R .

Ήρθε η ώρα να κάνουμε τη φύση να υπακούει στον άνθρωπο;

Παρατηρήστε ότι η κατεύθυνση της ροής του ρεύματος είναι αντίθετη από την κατεύθυνση της ροής των ηλεκτρονίων. Για να ρέουν τα ηλεκτρόνια, συνδέστε τα αντίθετα άκρα ενός σύρματος σε μια μπαταρία. Μια δυνητική διαφορά αναπτύσσεται στα απέναντι άκρα.

Πιθανή διαφορά εξηγεί πόσο απέχει ένα σωματίδιο από μια ενεργειακά σταθερή κατάσταση. Όλα τα σωματίδια τείνουν να φτάνουν στην πιο ενεργειακά σταθερή κατάστασή τους, δηλαδή διαθέτουν τη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια στο περιβάλλον τους (μετακίνηση από μια κατάσταση υψηλού δυναμικού σε μια κατάσταση χαμηλού δυναμικού.)

Μέσα σε ένα καλώδιο που δεν είναι συνδεδεμένο με μια μπαταρία, μερικά ηλεκτρόνια είναι συνδεδεμένα με άτομα και δεν μπορούν να κινηθούν. Ακόμα, μερικά ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται σε τυχαίες κατευθύνσεις. Αυτή η κατάσταση είναι ανάλογη με ένα γεμάτο εστιατόριο όπου μερικοί άνθρωποι κάθονται και δεν κινούνται, ενώ αυτοί που στέκονται περπατούν σε τυχαίες κατευθύνσεις μέσα στο εστιατόριο.

Ελεύθερα ηλεκτρόνια παρουσία διαφοράς δυναμικού.

Όταν συνδέεται μια μπαταρία, υπάρχει μια διαφορά δυναμικού στα απέναντι άκρα του καλωδίου (ή στη μεταφορά μας, ανοίγει ο πάγκος σε πακέτο και όσοι περιμένουν αρχίζουν να σχηματίζουν ουρές), η οποία έχει τις ακόλουθες συνέπειες:

• Τα ηλεκτρόνια στο άκρο που συνδέονται με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας υφίστανται μια απωθητική δύναμη από τον ακροδέκτη, σπρώχνοντας προς το καλώδιο μακριά από την μπαταρία.
• Τα ηλεκτρόνια στο άκρο που συνδέονται με τον θετικό ακροδέκτη βιώνουν μια δύναμη έλξης προς τον ακροδέκτη, που απομακρύνεται από το καλώδιο προς την μπαταρία.
• Τα ηλεκτρόνια στη μέση ωθούνται προς τα εμπρός από τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται πίσω τους και ωθούνται προς τα πίσω από τα ηλεκτρόνια μπροστά.
• Το καθαρό αποτέλεσμα των παραπάνω είναι ότι μια οργανωμένη, κατευθυντική ροή ηλεκτρονίων ξεκινά από το αρνητικό άκρο στο θετικό άκρο.
• Το εμπόδιο που προσφέρεται σε αυτήν τη ροή είναι η αντίσταση του σύρματος.

Παράλληλο κύκλωμα (Φωτογραφία:Drp8/Shutterstock)

Αφήστε δύο καλώδια, A και B , να συνδεθεί στην ίδια μπαταρία. Επίσης, αφήστε το Ra είναι η αντίσταση του A και Rb είναι η αντίσταση του B και υποθέστε ότι το Ra> Rb .

Μπορείτε να μαντέψετε ποιο σύρμα θα επιτρέψει σε μεγαλύτερο αριθμό ηλεκτρονίων να ρέει, δεδομένου ότι και οι δύο φυσικές διαστάσεις (μήκος και πλάτος) των συρμάτων είναι ίδιες;

Η απάντηση είναι B, αλλά ας προσπαθήσουμε να κατανοήσουμε τον μηχανισμό για μεγαλύτερη σαφήνεια.

Μηχανισμός

Όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος, τα ηλεκτρόνια και στα δύο καλώδια που συνδέονται με τον αρνητικό ακροδέκτη ρέουν μακριά από τον ακροδέκτη στα καλώδια, αλλά A προσφέρει μεγαλύτερη αντίθεση στη ροή των ηλεκτρονίων από το B . Έτσι, τα ηλεκτρόνια στο B ρέει πιο εύκολα από ό,τι στο A . Αυτό είναι ανάλογο με τη γραμμή McDonalds με ταχύτερη εξυπηρέτηση. Σταδιακά, περισσότεροι άνθρωποι θα παρατηρήσουν ότι το B έχει ταχύτερο χρόνο σέρβις από το A και επομένως θα εισαγάγει τη γραμμή B .

Ομοίως, στο θετικό τερματικό, τα ηλεκτρόνια στο B μετακινηθείτε πιο εύκολα μέσα στην μπαταρία και μακριά από το καλώδιο από ότι στο A .

Τα ηλεκτρόνια μέσα στην μπαταρία στον αρνητικό πόλο έχουν την επιλογή να εισαγάγουν είτε το A ή B . Δεδομένου ότι η αντίθεση στη ροή είναι μικρότερη στο B παρά στο A , περισσότερα ηλεκτρόνια ρέουν μέσω του B από το A για καθορισμένη διάρκεια. Αυτή η συσσώρευση ροής ηλεκτρονίων μέσα στο B συνεχίζει έως ότου δεν μπορεί να φιλοξενήσει άλλα ελεύθερα ηλεκτρόνια. Έτσι, δημιουργείται μια σταθερή κατάσταση (που ονομάζεται ισορροπία ). Αυτή η ισορροπία διατηρείται μέχρι να συνδεθεί η παροχή ρεύματος. Μόλις αφαιρεθεί η παροχή, τα ηλεκτρόνια επιστρέφουν στην άσκοπη περιπλάνησή τους (οι άνθρωποι απομακρύνονται προς διαφορετικές κατευθύνσεις μόλις κλείσει το εστιατόριο).

Συμπέρασμα

Είναι συναρπαστικό ότι τα ηλεκτρόνια περιέχονται σε όλη την ύλη γύρω μας. Φαίνεται επίσης λίγο πιο εύλογο ότι υπάρχουν ομοιότητες μεταξύ ανθρώπων και ηλεκτρονίων που ήταν προηγουμένως άγνωστες. Η επιλογή του μονοπατιού της ελάχιστης αντίστασης μπορεί να προέρχεται φυσικά από τα ηλεκτρόνια, αλλά είναι επίσης μια πρακτική που θα πρέπει να υιοθετήσουν και οι άνθρωποι!