電源の影響下で、開回路の導体から電子が押し出されないのはなぜですか？

多くの場合、電流は水の流れと比較されます。たとえば、水タンクに穴を開けると、タンクの圧力と大気圧が等しくならないか、タンクが空になるまで水が流れます。なぜこれは電気では起こらないのですか？

開回路が次のようになることを想像しています。

より良い類推はこれでしょう：

回路内のパイプは、水が流れるための空きスペースに囲まれていません-岩にトンネルが通っています。パイプがないところには岩だけがあり、水は流れません。

水のアナロジーは非常に限られており、電子がワイヤ内を移動する方法をモデル化していません。常に細心の注意を払って使用する必要があります。

電子は、原子から原子にジャンプすることにより非常にゆっくり（約1 m /時間）ドリフトします。電流は完全な回路で瞬時に流れるように見えますが、、不完全な回路には流れません（電子を移動するための無電界）。

ワイヤ内部では導電率が高く（「自由な」電子がランダムに多く鳴ります）、小さな電界（ワイヤの両端の電圧差）が電流を生成します。ワイヤの外側では導電率が非常に低く、電子がワイヤの表面を離れた場合、ワイヤ内の正に帯電した金属イオンの引力に打ち勝つ電界はありません。

一方、水（分子）は、パイプの端から単純に流出します。これは、開放端で水を押し込む力（空気圧による）が、水をシステムから押し出す力（空気圧）より小さいためです。 +重力+ポンプ？）。

パイプの内側と外側は本質的に同じ媒体であり、分子は圧力（空気とポンプ）と重力（パイプの内側）および重力（パイプの外側）の影響を受けるため、水は逃げることができます。

電子がワイヤから逃げることは可能ですか？

はい。

電子が「金属容器」から​​逃れるには、それらを金属イオンに結び付ける結合を破壊するのに十分なエネルギーが必要です。これは、高エネルギーの光子（光電効果と仕事関数を参照）または金属の加熱（熱電子放出）で行うことができます。もちろん、これが空気中で行われた場合、電子は吸収される前に非常に遠くまで到達できないため、真空で行われる必要があります。

電界が非常に高い場合（帯電した雲のように）、結果として生じる火花は稲妻です。

水を逃がすために水タンクに穴を開けることは、電子機器の短絡と同じです。水道管をブロックすることは、接続を開回路することと同じです。

覚えておいて、水タンクは「水流絶縁体」であり、ブロックされたパイプと同じです。

それはすべて圧力均等化の問題です。

水の場合、均等化するのは水の圧力ではなく、水に作用する大気圧です。空気は水を押し下げ、内部と外部の圧力が等しくなるまで穴から押し出します。

バッテリーの2つの極間にワイヤを接続すると、2つの極間の圧力が均等になります。

タンクの穴に栓を刺すと、水は流れなくなります。内側と外側の圧力差は修正されました。バッテリーの2つの極の間に非常に高い抵抗を追加すると、電流は流れなくなります（または非常にゆっくりと流れます-栓に滴りがあります）。抵抗が大きいほど、流れは遅くなります。

$1.30×10^{16}\Omega/m$$3.30×10^{16}\Omega/m$

水と電気は同じようには働きません。パイプ内の水はワイヤの電流の類推として使用されることもありますが、あなたが尋ねている場合にはその類推が崩れます。

空気は電気を通さないが、空気は水流を容易に通すことを覚えていれば、実際には類似性はまだ有効です。水流の類推をより正確にするためには、パイプの内部を除くすべてのものを固体材料で作成する必要があります。たとえば、空気であるすべてのものが実際にはいくつかの硬質ゴムであることを想像してください。それはどこにも行けないので、水はオープンエンドのパイプから流れ出ません。

エネルギーレベル

この効果は通常、エネルギーレベルの概念によって説明されます。材料は、絶縁体、導体、半導体の3つのグループに分けられます。

導体用...

エネルギーレベル（原子）の観点から、導体については、価電子帯と伝導帯の間にエネルギーギャップはありません。。その後、非常に少ないエネルギーで、電子を動かすことができます。

がいし用...

絶縁体の場合、価電子帯と伝導帯の間のエネルギーギャップははるかに大きくなります。つまり、伝導帯に電子を配置するには多くのエネルギーが必要です。

次に、開回路で...

開回路では、導体を囲む絶縁体はこれらよりもはるかに高いレベルのエネルギーを持っています。通常の状態では、絶縁導体からの電子には、絶縁体の伝導帯に到達するのに十分なエネルギーがありません。

しかし...

ただし、導体に加えられるエネルギーが大幅に増加すると、絶縁材料へのジャンプを実現できます。この影響は、放電または誘電破壊です。

電子は、その金属の仕事関数のために金属に閉じ込められます。仕事関数は、自由空間でのエネルギーに対する金属の電子のエネルギーの尺度です。（または真空中。空気の存在は、さらに複雑な問題です。）金属中の電子は、常に真空状態よりも低いエネルギー状態にあります。十分に強い電界が金属に印加されると、電子は仕事関数を超えて金属を離れることができます。（真空管の陰極について考えてください。）水の例えはかなり簡単です。水は背の高いバケツまたはトラフに入っています。（しかし、本当の電子について考える方が良い。）

特定の領域内の電子の数とその領域内の陽子の数との差があると、必要に応じて近くの電子が引き寄せられたり、反発されたりして、数が均等になります。電子が領域から出ようとする唯一の理由は、電子の数に対して領域内の電子が多すぎるか、近くの領域に電子が不足していることです（陽子に対して）。「完璧な」1アンペアの電源は、1クーロンの電子（かなり大きなバケット負荷）を1秒ごとに1つの端末から他の端末に移動します。電子が電源からすべての電子を受け取っている端子を離れない場合、電子が非常に混雑して、それが彼らの場所を意味するとしても、それらが離れ始める前に、間もなくそうなりません。再行くのはいくぶん混雑するでしょう（彼らが去る場所より混雑が少ないので）。同様に、電源が電子を受け取っている端末に端末が入らない場合、その電子不足はすぐに深刻になり、近くの電子不足を引き起こすとしても、近くの何かから電子をつかみ始めます電子をつかんでいる端末のそれよりも悲惨です）。

電子が一方の端子を出てもう一方の端子に入ると、これらの端子が電子を放出または取得する必要のある緊急性が低下します。相対的な観点では、本質的に抵抗できない力を生み出すには、驚くほど小さな電子の過剰または不足が必要であることに注意してください。導体内の電子の質量は、非圧縮性と見なすことはできませんが、非常に近いものです。非常に大雑把に言えば、典型的な素材にプールの電子があれば、深刻な不足と深刻な過密状態との差は一滴未満になります。

これを想像してください：

電気の場合、パイプは自然に治癒します。壁の厚さは、最も近い他の導体までの距離です。空中を通るワイヤのような固体のパイプ壁を介して物事を移動することを考えるのはちょっと奇妙に思えるかもしれませんが、物理学のその部分を無視すると、類推は機能します。

「壁」が薄すぎて圧力を保持できない場合は、パンチスルーします。これをアークと呼びます。これは非常に小さなスケールでも機能します。12Vで電力を供給したときに内部で5Vチップがアーク放電するようなものです。