Почему электроны не кончаются а провода не портятся?

Что электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, вызванное воздействием электрического поля.

Заряженные частицы — это электроны. Если рассматривать проводники из металла, то в металлах существует так называемый электронный газ. Когда цепь не замкнута и электрического поля нет, электронный газ движется хаотически. Когда появляется электрическое поле оно начинает «толкать» свободные частицы в одном направлении. Получается упорядоченное направленное движение заряженных частиц, что и есть уже электрический ток.

При такой схеме работы у любопытного человека возникают очевидные вопросы, среди которых:

«Почему эти свободные электроны в итоге не кончаются?» Или «Если электроны покинули своё местоположение, то почему не происходят разные процессы, типа деградации механических свойств?»

Для ответа на эти вопросы нужно разобраться со следующими моментами.

Откуда берутся свободные электроны и что такое электронный газ?

Поскольку мы сейчас говорим про металлы, то на их примере и рассмотрим ситуацию. У каждого металла есть некоторая структура. Она образована молекулами, а молекулы состоят из атомов.

Атомы состоят из ядра и электронов, которые находятся вокруг ядер на орбиталях. Орбиталью принято называть наиболее вероятное положение электрона.

Электроны находятся на разном расстоянии от ядра атома и логично предположить, что чем дальше электрон от атома, тем хуже он к этому ядру прикреплен. Электроны, которые наиболее удалены от ядра атома как раз-таки и образуют те самые свободные электроны или электронный газ.

Получается, что электронный газ — это не какие-то абстрактные электроны, которые мотаются внутри кристаллической решетки, а электроны, которые имеют наименьшую связь с ядром атома и могут легко перемещаться от атома к атому в результате воздействия электрического поля.

В условиях же его отсутствия они тоже постоянно отрываются и перемещаются, но происходит это хаотически. Поле же упорядочивает движение таких электронов и делает их направленным. Выходит электрический ток.

Почему электронный газ не кончается

Сразу возникает вопрос как возобновляется этот электронный газ. Ведь если все электроны выпихнуло полем из проводника, то новых вроде как и быть-то не должно!

Если речь про переменный ток, который имеет специфику менять своё направление, то там ещё можно предположить, что электроны попросту не успевают покинуть проводник. Но если ток постоянный, то эти частицы должны разом слиться и взять их негде.

На помощь придут знания о том, что электрический ток может существовать только в случае, если цепь замкнута (правильнее сказать — в большинстве случаев так). Поэтому, когда мы подключаем проводник к потребителю и источнику энергии, то свободные электроны начинают перемещаться в этой замкнутой цепи, как в кольце. Преодолеть зону контакта для электрона не проблема!

Ну а источник тока или генератор (не батарейка, там иной процесс) не создает новые электроны, а превращает механическую энергию в электрическую, которая формирует электрическое поле. Это поле как насос качает имеющиеся в цепи свободные электроны.

Часто этот процесс на генераторе путают с процессом электронизации при потирании стеклянной палочки о шерстяной платок. Это процессы с разной физикой и в одном случае мы и правда отделяем новые электроны, а в другом гоняем по кругу что имеем.

Но не портятся ли провода от прохождения тока

Следующий логичный вопрос — это сохранность проводов. Ведь по логике, даже если провода и получают свои электроны обратно, то постоянный процесс обмена влияет на химию проводов и рушит их структуру.

Да, с точки зрения материаловедения это действительно так. Но при всём при этом, скорость такой деградации и химических превращений весьма мала и исчисляется сотнями лет, а эффект минимальный. Но процесс всё же оказывает своё влияние и видавший виды монтёр сразу же сможет отличить использованный провод (после длительной эксплуатации) от нового. Да и алюминиевые провода охрупчиваются за 20-30 лет эксплуатации, но опять же, всё это не такой процесс, каким он кажется на первый взгляд.

Заметьте, что процессы эти связаны ни с тем, что «электроны кончаются», а с тем, что происходит постоянное их движение.

Кроме того, влияние электрического тока прекрасно заметно на полупроводниках. Там происходит буквально механическое разрушение. Которые, кстати говоря, могут «кончиться» в отличие от обычного провода.