为什么在电源的影响下，开路时电子不从导体中推出？

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通常，将电流与水流进行比较。例如，如果我在水箱上打洞，水会流到水箱压力和大气压不相等或水箱变空为止。为什么用电不会发生这种情况？

basic physics

— 用户3131972
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如果电压高到足以破坏露天的绝缘效果，它就会起作用。那就是闪电；）

— Majenko 2014年

因为那是开路的定义。

— user207421 2014年

考虑这一点的一种方法是考虑能量。当水流从开放的管道中推出时，它“朝着”一个较低的能量方向运动。另一方面，与自由电子相比，电路中的电子处于较低的能量状态。因此，当从管道上滴下的水失去能量（重力势能）时，电子将需要获得能量才能被释放-想象水流向山顶推。事实是，在“断路”情况下，这座山是巨大的：)

— Luaan 2014年

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您正在想象一个开路看起来像这样：

漏水的坦克

一个更好的类比是：

密封罐

回路中的管道没有被水流过的自由空间所包围-它们被凿穿了岩石。在没有管道的地方，只有岩石，水不流动。

— 欧文
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良好的可视化。更罗word：电子“泄漏”的能垒极高，仅在“压力”（电压）过高或当它们（通过拉伸现在隐喻）被入射光子通过光电效应 “煮沸”时发生。

— 尼克T

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如果您使用水可视化电的工作原理，则记住“电路”（管道）要么是平坦的，要么是没有重力的空间，这一点也很重要。

— 罗曼·斯塔科夫

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水的类比非常有限，不能模拟电子在导线中的移动方式。应始终谨慎使用它。

电子从一个原子跳到另一个原子就非常缓慢地漂移（约1m /小时）。电流似乎在一个完整的电路中瞬间流动，但不会在一个不完整的电路中流动（没有电场移动电子）。

导线内部的电导率很高（许多“自由”电子随机嗡嗡作响），而小的电场（导线两端的电压差）可以产生电流。导线外部的电导率非常低，如果电子离开导线表面，则没有电场可以克服导线中带正电的金属离子的吸引力。

另一方面，水（分子）将仅从管道末端流出，因为在开放端将水推入的力（由于气压）小于将水从系统推出的力（气压） +重力+泵？）。

水可以逸出，因为管子的内部和外部基本上是相同的介质，并且分子受压力（空气和泵），重力（管子内部）和重力（管子外部）的作用。

电子有可能逸出导线吗？

是。

为了使电子逃离其“金属容器”，必须提供足够的能量以破坏将其与金属离子结合的键。这可以通过高能光子（请参见光电效应和功函数）或加热金属（热电子发射）来完成。当然，如果这是在空气中完成的，则电子在被吸收之前不会走得很远，因此需要在真空中完成。

如果电场很高（如在带电的云中），则产生的火花是闪电。

— 吉姆·迪尔登
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嗨，吉姆，您需要弄清楚，由于外部电场，电子在金属中的漂移可能很慢。但是热运动非常快。（类似1 / 2mv ^ 2 = 3/2 kT，说v ^ 2 = kT / m，假设有效质量为1，我得到〜2x10 ^ 5 m / s。）

— George Herold 2014年

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@GeorgeHerold绝对正确，感谢您澄清（+1）。我试图避免在热运动（在所有方向上快速，随机运动，但总体上基本上是净零运动）与漂移速度（在所应用领域的总体方向上，跃点中的缓慢迁移）之间陷入数学细节。

— 吉姆·迪尔登

我有一个问题-如果电子移动得这么慢，那么有多少电子（每秒6241,509,324,000,000,000每安培？）移动以产生电流？

— asawyer 2014年

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@asawyer您需要考虑波浪，而不仅仅是单个粒子。当您推杆时，（几乎）推杆的全部能量将转移到另一侧，即使一侧的原子没有一直移动到另一侧-能量以波的形式传播覆盖电子和原子，而不必移动太多。一个糟糕但恰当的类比将是牛顿的摇篮。

— a安2014年

@Luaan嗯，这很合理。

— asawyer 2014年

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在水箱上打孔以使水可以逸出与电子设备中的短路相同。堵塞水管与断开连接相同。

请记住，水箱是“水流绝缘体”，与堵塞的管道相同。

— 安迪（aka）
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这都是压力均衡的问题。

用水平衡的不是水的压力，而是作用在水上的大气压。空气向下推动水并将其推出孔中，直到内部和外部压力相等为止。

在电池的两极之间连接一根导线，两极之间的压力可以相等。

将塞子塞在水箱的孔中，水将不再流动-内部和外部之间的压力差现在已固定。在电池的两极之间增加一个非常高的电阻，电流将不再流动（或流动非常缓慢-塞子有滴漏）。阻力越高，流动越慢。

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

— 马延科
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水和电的工作方式不同。有时将管道中的水用作电线中电流的类比，但是在您要问的情况下，这种类比会失效。

实际上，如果您还记得空气不导电，但空气很容易导水，该类比仍然有效。为了使水流模拟更加准确，您必须设想除管道内部之外的所有其他部件，这些内部部件均由某种固体材料制成。想象一下，空气中的所有东西实际上都是某种硬橡胶。水不会从开放式管道中流出，因为它不会流到任何地方。

— 奥林·拉斯罗普（Olin Lathrop）
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能量水平

通常用能级的概念来解释这种影响。这些材料分为三类：绝缘体，导体和半导体。

对于导体...

从能级（原子）的角度来看，对于导体，在价带和导带之间没有能隙。然后，只需很少的能量，电子就可以运动。

用于绝缘子...

对于绝缘体，价带和导带之间的能隙要大得多，这意味着需要大量能量才能将电子定位在导带中。

然后，开路...

在开路中，导体周围的绝缘层比这些绝缘层具有更高的能量。在正常情况下，来自绝缘导体的电子没有足够的能量到达绝缘体的导带。

但...

但是，如果显着增加施加到导体上的能量，则可能会跳到绝缘材料上。这种影响是放电或电介质破裂。

— 马丁·彼得雷
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谢谢。好答案。但是，它没有帮助我。我了解为什么电介质中没有电流。根据我对电流的想法，必须将电子推到导体的外部世界。但是它们像障碍一样紧靠电线的末端。当电动势作用在导体上时，电子如何保持材料内部？

— user3131972 2014年

@ user3131972想一想：电子如何从一种导体移动到另一种导体，例如从铜到铝？它们可以移动是因为铜中电子的能级与铝（近似值）匹配。从导体到绝缘体，能级相差很大，然后电子进入绝缘体时，我们必须提供非常多的能量。

— Martin Petrei 2014年

@ user3131972：本质上没有“外部世界”，只有“其他”。在这种情况下，“其他”是称为“空气”的绝缘子。

— 伊格纳西奥·巴斯克斯

2

电子因金属的功函而被捕获在金属中。功函数是金属中电子相对于自由空间中电子的能量的量度。（或在真空中。空气的存在只是增加了复杂性。）金属中的电子始终处于比真空状态低的能量状态。如果将足够强的电场施加到金属上，电子将克服功函数并离开金属。（想想一个真空管阴极。）比喻水很容易。水放在高边的水桶或水槽中。（但是最好考虑一下真正的电子。）

— 乔治·赫罗德
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特定区域中的电子数量与该区域中的质子数量之间的任何差异都会导致附近的电子根据需要被吸引或排斥，以使这些数量相等。电子要离开一个区域的唯一原因可能是该区域中的电子数量相对于电子数量而言过多，或者附近区域的电子短缺（相对于质子）。一个“完美”的1安培电源每秒将一个库仑电子（一个相当大的桶负载）从一个端子移动到另一个端子。如果没有电子离开接收来自电源的所有电子的端子，不久之后电子就会变得过于拥挤，以至于它们开始离开，即使那将意味着它们的位置。再走会有些人满为患（因为这比他们要离开的地方少了人满为患）。同样，如果没有端子进入电源从其接收电子的端子，则其电子短缺将迅速变得严重到足以使其开始从附近的任何物体抓取电子，即使那会导致附近的电子短缺（因为比捕获电子的终端更可怕）。

当电子离开一个端子进入另一个端子时，这将减少这些端子需要排出或获取电子的紧迫性。请注意，相对而言，要产生实质上不可抗拒的力，需要令人惊讶的少量电子过剩或电子短缺。导体中的电子质量不能完全视为不可压缩的，但非常接近。用非常粗略的相对术语来说，如果一种典型的材料具有游泳池的电子价值，那么严重短缺和过度拥挤之间的差将小于跌幅。

— 超级猫
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想象一下：

对于电力，管道可以自我修复。壁厚是到最近导体的距离。想像通过空气中的电线穿过固体管道壁那样移动物体似乎有点奇怪，但是如果您忽略了物理的那一部分，这个类比是可行的。

如果“壁”太薄而无法承受压力，则它会打穿，我们称其为电弧。这也可以在很小的规模上工作，例如在以12V供电时内部会产生5V芯片电弧。

— 亚伦
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