Fließen beim Anlegen einer Spannung tatsächlich Elektronen?

In Büchern heißt es, ein Stromkreis sei ein geschlossener Pfad und daher kämen Elektronen zur Quelle zurück. Wenn dies der Fall ist, was würde passieren, wenn ein Stromkreis einen Erdschluss aufweist? Wie würden die Elektronen zu ihrer Quelle zurückkehren?

Bewegen sich die Elektronen tatsächlich aus ihren Atomen heraus oder vibrieren sie nur und übertragen die Energie auf diese Weise, wenn wir eine Spannung anlegen?

Das Nachdenken über Strom in Form von sich bewegenden Elektronen ist der Beginn eines schlechten mentalen Modells der Funktionsweise von Elektrizität. Hier sind nur ein paar Dinge, die daran falsch sind:

• Elektronen sind nur einer von vielen Ladungsträgern. Jedes Ion ist auch ein Ladungsträger.

• Die Protonen, die die Elektronen ausgleichen, sind ebenso wichtig. Wenn Sie nur Elektronen hätten, würden alle Elektronen im Universum voneinander abgestoßen und in das Universum hinausschießen.

• Elektronen sind negativ geladen, und Sie werden sich ohne triftigen Grund verwirren, wenn Sie darüber nachdenken, wie sie von negativ nach positiv übergehen. Es ist eigentlich überhaupt nicht wichtig.

• Elektronen schwärmen tatsächlich die ganze Zeit in alle zufälligen Richtungen, und ihre Bewegung aufgrund des Stroms ist im Vergleich dazu winzig.

Wichtig ist: Ladungsträger (zu denen auch Elektronen gehören) können zur Übertragung einer elektromotorischen Kraft verwendet werden (üblicherweise nur Spannung genannt). Das ist wirklich ein ziemlich gewöhnliches Konzept. Sie können ein Ende einer Stange drücken und eine mechanische Kraft auf das andere Ende der Stange übertragen. Bewegt sich die Stange, wann machst du das? Nun, vielleicht, aber hier passieren zwei Dinge:

1. Die Kraft wird durch die Stange als Wellen übertragen, die sich mit der Schallgeschwindigkeit in diesem Material ausbreiten
2. genau dann, wenn wir auch Kraft übertragen, bewegt sich die Stange, meistens mit einer viel langsameren Geschwindigkeit

Der Unterschied ist für einen Stab offensichtlich, aber da wir keine elektrische Ladung sehen können, ist der Unterschied nicht offensichtlich.

Ihre Frage war also: Fließen Elektronen tatsächlich, wenn eine Spannung angelegt wird? Genau genommen lautet die Antwort vielleicht und hängt davon ab, was Sie unter Flow verstehen . Es ist ähnlich wie bei der Frage: Bewegt sich ein Seil, wenn Sie daran ziehen? Nun, wenn es an einem Ballon befestigt ist, kann es sich sehr bewegen. Wenn es an einer Mauer befestigt ist, bewegt es sich möglicherweise überhaupt nicht.

Die Bewegung von Ladungsträgern (wie Elektronen) ist Strom . Wenn wir einen Strom haben, gibt es eine Nettobewegung von Ladungsträgern. Sie schwärmen wirklich überall, so wie die einzelnen Wassermoleküle in einem Rohr herumschwirren, auch wenn es keinen Nettofluss gibt. Die Strömung beschreibt die durchschnittliche Bewegung. Bei Gleichstrom liegt die durchschnittliche Bewegung in einem Kreis.

Wie die einzelnen Ladungsträger interagieren, um dies zu erreichen, ist kompliziert, und es ist wirklich eine physikalische Frage, keine elektronische Frage. Ich empfehle Ihnen jedoch, dieses MIT-Tutorial zu Feldern zu lesen .

Elektronen bewegen sich physikalisch, wenn eine Spannung angelegt wird - extrem langsam .

Ein Stromkreis, der mit 100 V Gleichstrom betrieben wird und eine 1A-Last (wie eine Glühbirne) über einen Kupferdraht mit 2 mm Durchmesser versorgt, kann Elektronen mit folgender Geschwindigkeit bewegen:

$\dfrac{I}{Q \cdot e \cdot R^2 \cdot \pi}$

wo

• Q ist die Anzahl der Elektronen pro Kubikzentimeter Kupfer (ungefähr )$8.5 \times 10^{22}$
• R ist der Radius des Drahtes
• $1.6 \times 10^{-19}$

Dies ergibt 8,4 cm / Stunde . Nicht gerade schnell.

Der Schlüssel ist die Tatsache, dass es die Energie ist , die fast augenblicklich durch den Stromkreis rast - nicht die Elektronen selbst. (Die Elektronen bilden eine bequeme "Autobahn", damit die Energie schnell fließen kann.)

Es ist bedauerlich, dass die langsame Abwanderung von Elektronen unter einer Spannung denselben Namen hat wie der Energiefluss, der tatsächlich in einem Stromkreis funktioniert.

Verwechseln Sie keine bequeme Abstraktion mit der physischen Realität

• "Schaltkreise" sind ein abstraktes Konzept, das uns helfen soll, die Welt besser zu verstehen.
• Elektronen sind eine physikalische Einheit.

Ein Hinweis zu "geschlossenen" Pfaden

Geschlossene Stromkreise bedeuten nicht, dass Elektronen zur Quelle zurückkehren. Außerdem sind die Elektronen, die die Quelle verlassen, äußerst selten dieselben Elektronen, die zum anderen Pol der Quelle zurückkehren (siehe die Antwort von @ madmanguruman für die Erklärung der Geschwindigkeit).

Mechanische Analogien

Es ist wie Dominosteine, die fallen. Die Energiewelle breitet sich durch die fallenden Dominosteine ​​aus, aber die Dominosteine ​​übersetzen nicht viel.

Denken Sie daran, dass Energie die Ladung des Elektrons ist, multipliziert mit der Kraft, die darauf ausgeübt wird (Spannung). Es sind (überwiegend) die Kräfte, die sich durch das Metallgitter bewegen, nicht die Ladungen (Elektronen).

Genau wie auf diesem Bild:

Die Kräfte werden auf die Kugeln übertragen, die Kugeln bleiben jedoch weitgehend an Ort und Stelle. Im Gegensatz zu den mechanischen Kugeln, die durch die Schwerkraft ausbalanciert sind und Elektronen in Metalldrähten aus galvanischen Zellen (Batterien) enthalten, driften die Elektronen (wie Autos, die im Verkehr stecken) nur langsam zum anderen Ende.

Weitere Lektüre

Sie könnten diese Antwort in Betracht ziehen , die ich auf eine ähnliche physikalische Frage gegeben habe.

Wir reden hier über Metalle. Typischerweise besteht ein Metallgegenstand nicht aus Molekülen. Es besteht aus Metallatomen, die alle zusammen gruppiert sind. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die roten Kreise sind Elektronen. Wie Sie sehen, können Sie nicht genau sagen, zu welchem ​​Atom ein Elektron gehört. Diese Elektronen bilden die Verbindungen zwischen den Atomen - sie gehören also zu zwei Atomen.

Wenn nun ein Strom fließt, bewegen sich diese Elektronen tatsächlich. Wenn ein Strom fließt, wird Energie übertragen. Da sich die Atome nicht leicht bewegen können, müssen sich die Elektronen bewegen.

Sie können dies auch in der Einheit Ampere des Stroms sehen: 1 Ampere entspricht 1 Coulomb pro Sekunde. Das Coulomb (C) ist die Einheit der Ladung (Q). 1 Ampere bedeutet 1 Coulomb Ladung passiert einen bestimmten Punkt in 1 Sekunde. Diese Ladung wird von den Elektronen erzeugt, die tatsächlich von Objekt eins zu Objekt zwei fließen.

Wenn es sich um Gleichstrom handelt (z. B. bei einer normalen batteriebetriebenen Anwendung), kehren diese Elektronen nicht zu ihrer Quelle zurück. Betrachten Sie diese Schaltung:

Am Anfang gibt es einen Ladungsunterschied zwischen dem negativen und dem positiven Pol: Der negative Pol hat einen Überschuss an Elektronen. Dies erzeugt eine Kraft (Spannung) und da es eine Verbindung zwischen den beiden Polen (dem Draht und der Glühbirne) gibt, beginnen die Elektronen zu fließen. Die Elektronen wandern vom Minuspol durch die Glühbirne zum Pluspol, bis kein Ladungsunterschied mehr besteht (oder es ist so wenig, dass kein Strom fließt).

Sie können jetzt sehen, dass diese Elektronen nicht zu ihrer Quelle zurückgekehrt sind: Sie begannen am negativen Pol und endeten am positiven Pol.

Wir nennen dies einen geschlossenen Pfad, weil es einen Kreis gibt: Strom beginnt an der Batterie und endet an der Batterie. Es gibt Verwirrung, weil die Batterie tatsächlich aus zwei Objekten besteht: dem positiven und dem negativen Pol.

Schauen Sie sich diese Schaltung an (die im Grunde die gleiche ist, aber mit einem Kondensator anstelle einer Batterie und einem Widerstand anstelle einer Glühbirne):

Strom fließt von der rechten Seite des Kondensators (negativ geladen, Elektronenüberschuss) durch den Widerstand zur linken Seite des Kondensators (positiv geladen, Elektronenmangel). Hier sind die Kondensatorplatten getrennt, sodass Sie leicht erkennen können, dass es sich tatsächlich nicht um einen geschlossenen Pfad handelt.

Wir nennen es einfach einen geschlossenen Pfad, weil der Strom am Kondensator beginnt und endet.

Da die Elektronen nicht wirklich zu ihrer Basis zurückkehren müssen, können Sie jetzt verstehen, dass Elektronen auch in die Erde fließen können. Das passiert auch beim Blitz. Elektronen fließen von den Wolken zur Erde (oder andersherum, ich würde es nicht wissen), nur um den Ladungsunterschied auszugleichen.