Warum werden Schaltkreise als Schleifen betrachtet?

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Ich weiß also, dass ein Schaltkreis, der eine Batterie enthält, wie eine Schleife aussieht, aber nur deshalb, weil sich das Netzteil physisch in der Nähe des Ausgangs befindet.

Das muss aber nicht so sein, oder? Batterien sind nur in sich geschlossen, weil es praktisch ist, aber Sie können eine Stromquelle entladen, indem Sie sie an einen positiv geladenen Endpunkt anschließen, wenn ich das richtig verstehe.

Werden Schaltkreise daher als Schleifen betrachtet, nur weil es praktisch ist, dies so zu sehen? Da ein Fluss nicht im Kreis fließen kann, kann auch kein Strom fließen, da er sich auf ein Nettopotential von Null auswirken würde und somit keine Bewegung bedeutet!

Dudewad
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"Aber Sie könnten eine Stromquelle entladen, indem Sie sie an einen positiv geladenen Endpunkt anschließen" .... falsch!
Trevor_G
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Der Fluss fließt in einem Zyklus, es ist nur der Teil dieser Schleife, an dem das Meer, die Wolken und der Regen beteiligt sind.
Andrew Morton
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Ihr Problem besteht darin, Energie und Elektronen / Strom in dasselbe Modell zu integrieren. Current ist eine Kette, eine Kette, die Energie von der Stromquelle zur Last überträgt. Wie alle Ketten müssen sie zur Quelle zurückkehren, um weiterarbeiten zu können.
Trevor_G
4
Das Ohmsche Gesetz und alles in EE ist eine bequeme Abstraktion des wirklichen Chaos, das sich dort abspielt .
Eugene Sh.
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Keine technische Antwort, aber aus etymologischer Sicht bedeutet "Schaltung" "Schleife": etymonline.com/word/circuit
DukeZhou

Antworten:

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Die meisten Schaltkreise werden als Schleifen betrachtet, da Ladungen in leitenden Materialien dazu neigen, elektrostatische Potentialunterschiede relativ schnell auszugleichen. Nehmen Sie zum Beispiel einen langen Draht / Stab. Nehmen wir an, Sie können einer Seite Elektronen hinzufügen. Zuerst fängst du mit 0 Elektronen an. Wenn Sie das erste Elektron hinzufügen, ist nichts anderes in der Nähe, sodass es praktisch überall hingehen kann. Wenn Sie das zweite Elektron hinzufügen, drückt es das erste Elektron so weit wie möglich weg, um einen Ladungsausgleich im Stab herzustellen. Diese erste Elektronenbewegung ist eigentlich ein winziger Strom, und seine Bewegung könnte verwendet werden, um Arbeit daraus zu extrahieren (weil es Arbeit erforderte, das zweite Elektron zum System hinzuzufügen). Durch Hinzufügen eines dritten Elektrons wird das zweite Elektron in die Mitte verschoben. Das zweite Elektron s Bewegung ist die Hälfte der ersten, so dass Sie nur die Hälfte der Arbeit daraus extrahieren können. Das erste Elektron befindet sich am anderen Ende und hat sich zu diesem Zeitpunkt nicht bewegt. Wenn Sie dem Stab an einem Ende weiterhin Elektronen hinzufügen, wird die Bewegung der anderen Elektronen immer geringer. Bald haben Sie Tausende von Volt und können keine Arbeit mehr daraus gewinnen, weil die Elektronen einfach nirgendwo hingehen können.

Was wäre stattdessen, wenn wir Elektronen von einer Seite entfernen und auf die andere Seite addieren würden? Jedes Elektron, für das Sie dies tun, bewirkt, dass sich alle anderen Elektronen als Reaktion in eine Richtung um den gleichen Betrag bewegen. Jetzt können Sie für jedes Elektron, das Sie bewegen, eine einheitliche Menge an Arbeit aus dem System extrahieren. Aber was hast du getan? Sie haben eine Schleife erstellt, in der Ihre Hand jeweils einzelne Elektronen bewegt. Aus diesem Grund verwenden die meisten Schaltungen eine Schleife. Es gibt etwas, das Elektronen in eine (oder vielleicht beide) Richtung drückt. In Ihrem Fall ist es eine Batterie, aber Generatoren und verschiedene andere Methoden können verwendet werden, um Elektronen zu "pumpen", um Arbeit von ihnen an einem anderen Ort zu extrahieren.

Horta
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Das ist eine wirklich gute Erklärung, danke. Eine Batterie ist also im Grunde genommen eine "Pumpe" und auch ein "Fänger", um Elektronen in das System zu drücken und sie dann aufzufangen, wenn sie am anderen Ende herausfallen?
Dudewad
Ich möchte jedoch den Punkt meiner Frage klarstellen: Die "Pump" -Seite der Batterie und die "Catcher" -Seite der Batterie sind nicht verbunden, außer durch die Schaltung selbst, dh dies ist keine vollständig geschlossene Schleife im Literal definiton. Habe ich recht damit?
Dudewad
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@dudewad sie sind tatsächlich eng miteinander verbunden. Wenn Sie in eine Batterie schauen, werden Sie feststellen, dass der einzige Grund, warum sie überhaupt funktioniert, darin besteht, dass Ionen (geladene Atome) den Ladungsunterschied ausgleichen können, den bewegte Elektronen verursachen. Für jedes Elektron (-), das sich bewegt, muss sich ein positives Ion intern zur anderen Platte der Batterie bewegen, um dies auszugleichen.
Horta
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@dudewad Wenn Sie eine Batterie zerlegen und die Elektrolytverbindung zwischen den beiden entfernen (verhindern, dass sich Ionen bewegen), funktioniert Ihre Batterie schnell nicht mehr.
Horta
1
@dudewad Die Batterie enthält "magische chemische Substanzen", die die Elektronen von der positiven Seite zur negativen Seite bewegen.
user253751
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Man kann sich eine Batterie als eine Elektronenpumpe vorstellen, die chemisch Elektronen vom positiven zum negativen Pol befördert, um einen bestimmten "elektrischen Druck" aufrechtzuerhalten kein schlechtes Modell).

Damit dieses Ding wirklich irgendetwas Nützliches tut, muss ein Pfad für den Elektronenfluss angegeben werden, der die sich bewegenden Elektronen für eine interessante Aufgabe verwendet [1]. Dies kann sein, dass ein dünner Draht erhitzt wird, um Licht zu erzeugen, oder dass eine andere elektrochemische Reaktion ausgelöst wird, um eine andere Batterie aufzuladen, oder dass ein Magnetfeld in einem Motor oder was auch immer erzeugt wird. Dieser Pfad muss eindeutig eine Schleife sein, wenn das System nur sehr kurz ausgeführt werden soll (denken Sie an Nanosekunden).

Beachten Sie, dass an keinem Punkt eine Erdung oder eine solche erwähnt wird. Alle Spannungen werden in Bezug auf einen beliebigen Punkt in Ihrem Tun gemessen, und damit diese Spannung etwas Nützliches bewirkt, muss eine Schleife vorhanden sein, damit Strom fließt [2].

Ground ist eines dieser wirklich beschissenen Wörter, die mindestens drei verschiedene Dinge in einer stark kontextabhängigen Weise bedeuten.

[1] Elektronen in einem Kupferleiter bewegen sich bei jeder Art von Strom, mit der Sie spielen möchten, im Durchschnitt sehr langsam, denken Sie weniger als 1 mm pro Sekunde, aber ein Draht ist wie eine Röhre voller Kugellager, Sie drücken einen nach dem anderen ein Am Ende springt eine weit schneller aus der anderen heraus, als sich ein Ball tatsächlich durch die Röhre bewegt.

[2] Ja, ich weiß, Flash-Speicher-Gates, elektrostatische Linsen, Laserdrucker, alle möglichen kleinen Ausnahmen.

Dan Mills
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Es ist beruhigend, dass Sie das über Boden sagen ... weil es mich verwirrt, da es eine bewegende Definition zu sein scheint. Es ist erstaunlich, dass mein Haus noch nicht niedergebrannt ist. Vielen Dank!
Dudewad
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Entschuldige Nein. Eine Batterie oder ein Netzteil muss auf lange Sicht elektrisch neutral bleiben. Die Rückstellkräfte auf die getrennte Ladung sind sehr groß, und eine dauerhafte Ladungstrennung auf einer Schaltungsskala wird einfach nicht stattfinden. Das heißt, wenn Strom aus einem Anschluss fließt, muss er durch einen anderen einfließen. Etwa die nächste Ausnahme ist ein Elektretmikrofon, das permanent getrennte Ladungen enthält - nur nicht viel.

WhatRoughBeast
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Aber könnten die negativ geladenen Teilchen beispielsweise an einem Ende eines Flurs gespeichert und das Empfangsmedium am anderen Ende platziert werden? Dies wäre keine Schleife, sondern sozusagen nur eine Art "Ausgleich". Ist das sinnvoll? Ich denke, ich versuche zu klären, ob "Schleifen" wörtlich genommen werden sollen oder nicht.
Dudewad
@dudewad, die Schleifen werden SEHR wörtlich genommen. Alle Schaltungsanalysen basieren auf der Schleife. Menschen lieben es, auf Ausnahmen hinzuweisen, die in extremen Situationen auftreten. Eine Schaltungsanalyse ist jedoch buchstäblich unmöglich, wenn Sie sich selbst davon überzeugen, dass Ladungen in ein Schaltungselement fließen und dort verbleiben können. Die makroskopische physische Welt passt gut zu diesem Verhalten, sodass Sie sich wahrscheinlich keine Gedanken über Ausnahmen machen müssen.
mkeith
Nicht nur auf lange Sicht, sondern auch augenblicklich. Ich werde nicht über ein paar zusätzliche Elektronen streiten, die von einer Elektronenkanone oder etwas anderem abgefeuert werden, aber aus der Sicht der Schaltungsanalyse muss jedes Schaltungselement augenblicklich und auf lange Sicht elektrisch neutral bleiben.
mkeith
@mkeith - Ich habe den Ausdruck speziell hinzugefügt, um Elektronenkanonen und ähnliche Ionenquellen zu berücksichtigen. Und da Elektronenkanonen früher Teil elektronischer Schaltkreise waren (obwohl sie nicht für die Herstellung von nicht neutralen Bauteilen konfiguriert waren), verstehe ich nicht, wie Sie sie verwerfen können.
WhatRoughBeast
@dudewad Wenn Sie gerade erst anfangen, Schaltkreise zu studieren, nehmen Sie die Idee der "Schleifen" absolut wörtlich. Aber denken Sie daran, dass "Schleifen" und nur einen Teil der Geschichte erzählen. Wenn Sie erklären möchten, was auf atomarer Ebene passiert, wenn ein Strom durch ein Kabel fließt, was bei hohen Frequenzen passiert oder wenn elektromagnetische Strahlung (z. B. Funkübertragung) beteiligt ist, oder wie irgendeine Art von Halbleiterbauelement (auch das grundlegendste) ) funktioniert, brauchen Sie viel mehr Theorie als nur "Schleifen". Aber man muss mit einfachen Ideen beginnen und darauf aufbauen ...
alephzero
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Eine Schaltung MUSS eine Schleife sein. Wenn der Regelkreis geschlossen ist, fließt Strom durch die Last. Wenn die Schleife offen ist, ist der Stromkreis ausgeschaltet.

Vielleicht können Sie annehmen, dass die Spannung die "Kraft" ist, die die Ladungen dazu bringt, in der Schleife zu fließen. Der Strom ist der Fluss pro Zeiteinheit.

Ohne Schleife gibt es keinen Strom.

... aber Sie könnten eine Stromquelle entladen, indem Sie sie an einen positiv geladenen Endpunkt anschließen, wenn ich das richtig verstehe.

Schauen Sie sich die Energieeinsparung und Ladungserhaltung an . Wenn wir Ladungen von einem positiven Potentialpunkt ableiten, MÜSSEN die Ladungen durch einen Bezugspunkt (negativer Anschluss der Batterie, GND usw.) zurückkehren, dh in einem geschlossenen Kreislauf fließen.

Martin Petrei
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okay, das ist hilfreich ... bedeutet das, dass es eine Beziehung zwischen der Quelle und der Last gibt, die etwas mit Nähe zu tun hat?
Dudewad
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... Ich sage das, denn wenn man einen "Boden" haben kann, wo buchstäblich der Strom aus der Schleife zur Erde fließt, dann ... wird die Erde irgendwie Teil der "Schleife"? Das ist das bisschen, das für mich ein bisschen mysteriös ist.
Dudewad
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Das ist nicht richtig. Ladung kann und fließt von höherem Potential zu niedrigerem Potential. Eine Schleife ist nicht notwendig.
Horta
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Betrachten Sie "die Erde" als "Rückweg"
Martin Petrei
Okay, meine Frage ist also nicht ganz verrückt? Ich möchte nur klarstellen, dass dies eher wie ein Ladungsausgleich und keine echte Schleife ist, in der sich Elektronen auf magische Weise in einem Kreis bewegen (weil sie es nicht tun).
Dudewad
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Ich glaube, es gibt eine allgemeinere Antwort und wir sollten an Strom und nicht an Spannung denken.

Alle Schaltkreise müssen dem Kirchoffschen Gesetz folgen - basierend auf Maxwells Grundgleichungen, die beschreiben, wie Strom in einem beliebigen Medium fließt.

Wenn ein Knoten nicht verbunden ist (über ein Medium mit einer beliebigen Frequenz), kann er nicht Teil der Schaltkreise sein. Umgekehrt bildet jeder Knoten, der auf irgendeine Weise verbunden ist, einen Teil der Schaltung.

Das Kirchoffsche Gesetz kann einfach ausgedrückt werden als "Die Summe der Ströme in jedem Stromkreis ist Null", dh für jeden Strom, der aus einem Knoten austritt (in diesem Fall nennen wir dies einen positiven Strom), eine identische und entgegengesetzte (negative) kombinatorische Summe der Ströme muss den gleichen Knoten eingeben.

Wenn Sie dies zu einer logischen Schlussfolgerung führen, müssen alle Knoten in einer oder mehreren Schleifen verbunden sein, damit die Summe in der Schaltung Null ist. Alle Negative und Positive müssen genau aufheben.

Jason Morgan
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Dies ist zu stark vereinfacht. Zum Beispiel fließt bei einem Funksender definitiv ein "Strom" zur Antenne - Sie können ihn mit einem normalen Messgerät messen - aber die Antenne selbst ist kein "geschlossener Stromkreis". Physikalisch handelt es sich nur um eine Ansammlung von Teilen aus leitendem Material, die in einer bestimmten geometrischen Konfiguration aufgebaut sind. Wenn Sie den Gleichstromwiderstand zwischen den "Klemmen" der Antenne messen, liegt ein offener Stromkreis vor!
Alephzero
Eine Antenne ist ein geschlossener Stromkreis. Eine herkömmliche Antenne hat zwei "Platten", zwischen denen sich eine abwechselnd kollabierende Ladung bewegt. Wegen des Groundplane-Effekts hat sogar eine vereinfachte Antenne einen realen Leiter und einen imaginären Leiter, siehe en.wikipedia.org/wiki/Monopole_antenna .
Jason Morgan
Einfach ist gut. Die Kirchoff / Maxwell-Vereinfachung ist richtig. Vielleicht haben Sie die ausgesendete HF aus heutiger Sicht als Teil des Stromkreises betrachtet? Dies ist nicht wahrer als die Wärme, die in einem Widerstand abgegeben wird, der Teil ist. Denken Sie daran, dass Maxwells Gleichungen allgemein sind und nicht nur freie Wellen im Raum beschreiben.
Jason Morgan
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Sie haben teilweise recht, dass sich Elektronen von einem Potential zu einem höheren Potential bewegen. Sie können sich also vorstellen, dass an einem Punkt im Raum A, an dem ein Draht zu einem anderen Punkt im Raum B verläuft , Elektronen durch den Draht fließen.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Spannung allein bedeutet jedoch nichts. Eine Spannung ist eine Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten.

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung

Das heißt, Sie benötigen einen gemeinsamen Bezugspunkt, um die Spannungen überhaupt zu aktivieren. Sie haben also eine Schleife mit einem gewissen Widerstand, ob Sie wollen oder nicht.

Dies bringt jedoch auch einen anderen Punkt zur Sprache. In der obigen Schaltung gibt es auch ohne den Referenzdraht noch einen gewissen Widerstand zwischen den negativen Seiten der Spannungsquellen, auch wenn dieser sehr groß ist. Als solches haben Sie eine Schleife und ein winziger Strom fließt durch den Draht, obwohl er möglicherweise zu klein ist, um gemessen zu werden.

Es ist auch wichtig, den Begriff des Stroms vom Begriff der Elektronenbewegung zu trennen. Current ist eine abstrakte Darstellung, während die Elektronenbewegung ein physikalisches Phänomen ist. Wir sagen, dass Strom durch die Batterie oder den Kondensator fließt, in Wirklichkeit jedoch nicht durch die Elektronen. Vielmehr tritt eine gleiche Anzahl von Elektronen aus ihnen aus wie auf der anderen Seite. Dieser Unterschied ist subtil, aber wichtig.

Trevor_G
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Aha. Ja, verstehe diesen Strom! = Elektronenbewegung, das ist mir klar. Danke, dass du es für mich
verdummt
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@ Dudewad ha .. Ich dachte, ich würde es für mich selbst
dumm machen
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Strom ist ein Strom von elektrischen Ladungsträgern, üblicherweise Elektronen oder elektronenarmen Atomen.

Wenn wir eine Batterie nehmen: Der Stromfluss in einem geschlossenen Kreis, der ein elektrischer Strom ist

Bildbeschreibung hier eingeben

aber jemand sagt mir OK, aber was passiert, wenn Sie ein Positiv der Quellmolke berühren, die wir erstickt sind,

Bildbeschreibung hier eingeben

Nun, die Antwort ist sehr einfach: Der Mensch macht eine geschlossene Schleife mit der Erde, damit die Elektronen in seinem Körper fließen, aber der Vogel ist nicht schockiert, weil er keine enge Schleife bildet

m salim
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Das Batteriediagramm ist falsch. Der Strom durch die Mitte der Batterie wird nicht angezeigt. Befindet sich ein Ampere im Draht, so fließt ein Ampere durch den Elektrolyten. Stromkreise sind geschlossene Kreisläufe. (Eine Batterie ist eine Ladungspumpe, und der Pfad für den Strom verläuft durch die Batterie und wieder heraus, genau wie bei jeder anderen Komponente.)
Am
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Eine Schaltung, die eine Batterie enthält, ... Sieht aus wie eine Schleife

Es IST eine Schleife. Der Elektrolyt einer Batterie ist ein guter Leiter , ein Kurzschluss.

Vielleicht haben Sie die falsche Vorstellung, dass Batterien "Ladung liefern" oder dass der Strom durch den Elektrolyten null Ampere beträgt? Nein, so funktioniert das nicht. Batterien verhalten sich wie Kurzschlüsse, haben einen sehr geringen Innenwiderstand und ein einfacher Stromkreis mit einer Batterie ist eine geschlossene Schleife.

Batterien versorgen Stromkreise nicht mit Ladung. Die fließende Ladung kommt vom Kupfer selbst, vom Elektronenmeer des Metalls.

wbeaty
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Du meinst einen guten Ionenleiter, oder? Wenn es ein guter Elektronenleiter wäre, würde die Batterie kurzschließen und Feuer fangen. chemistry.stackexchange.com/questions/2644/…
horta
> Ionenleiter Ein guter Leiter, Periode (leitet hohe Ampere). Der Elektrolyt ist eine "Kurzschlussbrücke" zwischen den Platten. So funktionieren eigentlich alle Batterien
wbeaty 13.10.17
Wahr. Es ist eher ein Ionenkurzschluss als ein Metalldrahtkurzschluss, aber Sie haben Recht, dass ein Ionenleiter immer noch ein Leiter ist. Ich fühle mich verwirrt, wenn Sie diese Unterscheidung nicht treffen.
Horta
Weniger verwirrend: Erwähne überhaupt keine Elektronen. Erwähne auch keine Ionen. Der elektrische Strom hat die Form einer geschlossenen Schleife ohne Anfang oder Ende. Der Strompfad führt durch die Mitte der Batterie, ebenso wie bei Glühbirnen der Strompfad durch die Glühwendel. Oder bei Dynamos führt der Strompfad durch die Spule. Häufiges Missverständnis: Eine Platte der Batterie ist eine Ladungsquelle, während die andere Platte "verbrauchte Ladung" sammelt. Das ist falsch, da Ladung durch den Elektrolyten fließt, während die Batterie insgesamt als Ladungspumpe fungiert.
Wbeaty