Wie schnell fließt Strom?

Ich bin von Zeit zu Zeit verwirrt über die Physik der Elektrizität auf niedriger Ebene. Es kam auf " Wie treibt Elektrizität einen Stromkreis an? " Und ich verstehe es nicht ganz.

Wie schnell fließt Strom? Ist die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem Widerstand anders als in einem Draht? Ist das wichtig? Oder sind die Wirkungen des Elektrons das einzig Wichtige, wenn niedrigere Abstraktionsebenen in der Praxis nicht nützlich sind?

Ich weiß, dass es bereits Materialien zu diesem Thema gibt, und ich habe einige davon gelesen. Ich denke, die Frage auf dieser Seite könnte einige interessante Antworten auf die uralte Frage liefern.

Bonuspunkte für:

• Häufige Missverständnisse erkennen und aufklären
• Erklären auf eine Weise, die jemand mit einem Abitur verstehen kann, ohne es so sehr zu vereinfachen, dass es falsch ist

Wie schnell fließt Strom? Dies ist eine gute Frage, da sie recht einfach zu sein scheint, aber normalerweise auf einige grundlegende Missverständnisse hinweist. Die erste Schwierigkeit bei der Beantwortung der Frage ist zu wissen, was Elektrizität ist. Meinst du:

1. Wie schnell breiten sich Änderungen in elektrischen Feldern aus? oder...
2. Wie schnell bewegen sich elektrische Ladungsträger?

Normalerweise interessieren sich die Leute, die diese Frage stellen, tatsächlich für die ersteren, denken aber über die letzteren nach. Da sie jedoch kein klares Verständnis für den Unterschied haben, können ihre zugrunde liegenden Bedenken nicht angegangen werden, ohne zurückzutreten und die zugrunde liegenden Missverständnisse zu beseitigen, die zu der Frage geführt haben.

Verstehen ist das: Es gibt Kräfte, und es gibt Dinge, die Kräfte übertragen, und sie sind nicht dasselbe. Hier ist ein Beispiel: Ich halte ein Ende eines Seils und Sie halten das andere Ende. Wenn ich deine Aufmerksamkeit erregen will, ziehe ich am Seil. Da ist das Seil und da ist der Schlepper. Der Schlepper bewegt sich als Kraftwelle mit der Schallgeschwindigkeit des Seils über das Seil. Das Seil selbst bewegt sich mit einer anderen Geschwindigkeit.

Angenommen, ich habe zwei Aussichtstürme, und wenn ich die sich nähernden Eindringlinge sehe, rufe ich zum anderen Turm. Schall bewegt sich als Wellen in der Luft mit Schallgeschwindigkeit. Wie schnell bewegen sich die Moleküle in der Luft? Kümmert es dich?

Manche Menschen lassen dies erst dann los, wenn die Bewegung der Moleküle tatsächlich erklärt wurde, obwohl dies normalerweise für ihre Anliegen nicht relevant ist. Hier ist die Antwort: Die Moleküle fliegen die ganze Zeit in alle zufälligen Richtungen. Sie fliegen herum, weil sie eine Temperatur ungleich Null haben. Einige sind sehr schnell. Einige sind sehr langsam. Sie stoßen die ganze Zeit aufeinander. Es ist sehr zufällig.

Wenn Sie schreien, komprimiert (und verdünnt, wenn Ihre Stimmbänder vibrieren) Ihr Stimmapparat einen Teil der Luft. Die Moleküle in dieser komprimierten Region wollen sich in eine Region mit weniger Druck bewegen, also tun sie es. Aber jetzt hat diese nahe gelegene Region zu viel Luft und ist etwas komprimierter als die Luft um sie herum, sodass sich die komprimierte Region etwas stärker nach außen ausdehnt. Diese Kompressionswelle bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit durch die Luft.

All dies geschieht überlagert mit der zufälligen Bewegung der zuvor erwähnten Moleküle. Es ist unwahrscheinlich, dass die gleichen Moleküle, die sich in Ihrem Stimmapparat befanden, auch im Ohr des Hörers vibrieren. Wenn Sie einzelne Moleküle beobachten, werden Sie beobachten, wie sie sich in alle Richtungen bewegen. Nur wenn Sie viele von ihnen beobachten, werden Sie feststellen, dass etwas mehr in eine Richtung als in eine andere ging. Für alle Dinge, die wir als "Schall" bezeichnen würden, ist die zufällige Bewegung der Moleküle aufgrund von thermischem Rauschen viel mehr als ihre Bewegung aufgrund von Schall. Wenn der "Ton" die relevantere Bewegung wird, neigen wir dazu, ihn nicht "Ton", sondern eine "Explosion" zu nennen.

Die Situation mit Elektrizität ist nicht viel anders. Ein Metallleiter ist voll von Elektronen, die sich frei in zufälligen Richtungen um den gesamten Stromkreis bewegen können, und das tun sie, einfach weil sie warm sind. Dinge in unseren Schaltkreisen erzeugen Wellen in diesem Elektronenmeer, und diese Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus ¹ . Bei den Strömen, denen wir normalerweise in Schaltkreisen begegnen, ist der größte Teil der Elektronenbewegung auf thermisches Rauschen zurückzuführen.

Nun können wir die Fragen beantworten:

Wie schnell breiten sich Änderungen in elektrischen Feldern aus? Mit Lichtgeschwindigkeit in dem Medium, in dem sie sich ausbreiten. Bei den meisten Kabeln liegt dies in der Nähe von 60% bis 90% der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Wie schnell bewegen sich elektrische Ladungsträger? Die Geschwindigkeiten der einzelnen Ladungsträger sind zufällig. Wenn Sie den Durchschnitt aller dieser Geschwindigkeiten nehmen, können Sie eine Geschwindigkeit erhalten, die von der Ladungsträgerdichte und dem Strom sowie der Leiterquerschnittsfläche abhängt und in einem Kupferdraht typischerweise weniger als einige Millimeter pro Sekunde beträgt. Darüber hinaus werden die Widerstandsverluste bei gewöhnlichen Metallen hoch und Menschen neigen dazu, die Drähte zu vergrößern, anstatt die Ladungen zu zwingen, sich schneller zu bewegen.

Weiterführende Literatur: Speed ​​of Electricity Flow von Bill Beaty

^{1: Die Lichtgeschwindigkeit hängt von dem Material ab, in dem sich das Licht ausbreitet, genau wie beim Schall. Siehe Wellenausbreitungsgeschwindigkeit .}

Dies ist mehr eine physikalische als eine elektronische Frage ... Der Grund dafür ist, dass Elektro- und Elektronikingenieure selten (wenn überhaupt) solche subatomaren Berechnungen in Betracht ziehen. Die Tatsache, dass sich Elektronen überhaupt bewegen, ist wirklich wichtig, und wie schnell sie sich bewegen, ist für die Schaltung von geringer Bedeutung. Für den Ingenieur kann es nützlich sein zu wissen, wie schnell sich ein elektrisches Potential (Spannung) ändern kann, da dies die maximale Datenübertragung auf einem Draht (Drahtgeschwindigkeit) bestimmt, die mit dem Widerstand, der Kapazität und der Induktivität des Ladungsträgers zusammenhängt. unter anderem. Dies hängt auch mit der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit zusammen, die in einigen der anderen Antworten erörtert wurde. Das sind zwei völlig unterschiedliche Themen ...

Strom Übersicht

Zu Beginn fließt "Strom" nicht. Elektrizität ist die physikalische Manifestation des Flusses elektrischer Ladung. Obwohl dieser Begriff für ein breites Spektrum von Phänomenen gilt, ist er am typischsten mit der Bewegung (Anregung) von Elektronen verbunden - negativ geladenen subatomaren Partikeln. Wenn bestimmte Elemente zusammengesetzt werden, können sich die Elektronen frei durch die äußerste Schicht der Elektronenwolke von einem Atom zum nächsten bewegen. Ein Leiter lässt leicht Elektronen fließen, während ein Isolator ihn einschränkt. Halbleiter (wie Silizium) weisen eine steuerbare Leitfähigkeit auf, wodurch sie sich ideal für den Einsatz in der modernen Elektronik eignen.

Wie Sie vielleicht wissen, wird elektrischer Strom in Ampere (Ampere) gemessen. Dies ist wirklich ein Maß dafür, wie viele Elektronen sich in einer Sekunde durch einen einzelnen Punkt bewegen:

1 A = 1 Coulomb pro Sekunde = 6,241509324 × 10 18 Elektronen pro Sekunde

Solange an einem Leiter eine Spannung (ein Potential) anliegt (ein Draht, ein Widerstand, ein Motor usw.), fließt Strom. Die Spannung ist ein Maß für das elektrische Potential zwischen zwei Punkten. Eine höhere Spannung ermöglicht also einen höheren Stromfluss, dh die Bewegung von mehr Elektronen durch einen Punkt pro Sekunde.

Elektronengeschwindigkeit

Natürlich ist die bekannte Geschwindigkeit, mit der gefastet wird, die Lichtgeschwindigkeit: 3 · 10 & supmin; & sup8; m / s. Elektronen bewegen sich jedoch normalerweise nicht in der Nähe dieser Geschwindigkeit. Tatsächlich wären Sie überrascht, wie langsam sie sich tatsächlich bewegen.

Die tatsächliche Geschwindigkeit des Elektrons wird als Driftgeschwindigkeit bezeichnet . Wenn ein Strom fließt, bewegen sich die Elektronen nicht geradlinig durch einen Draht, sondern wackeln durch die Atome. Die tatsächliche Durchschnittsgeschwindigkeit des Elektronenflusses ist proportional zum Strom unter Verwendung der folgenden Formel:

v = I / (nAq) = Strom / (Trägerdichte * Trägerquerschnittsfläche * Ladungsträger)

Dieses Beispiel stammt aus Wikepedia , weil ich die Zahlen nicht selbst nachschlagen wollte ...

Stellen Sie sich einen 3A-Strom vor, der durch einen Kupferdraht mit 1 mm Durchmesser fließt. Kupfer hat eine Dichte von 8,5 * 10 ^ 25 Elektronen / m ^ 3 und die Ladung eines Elektrons beträgt -1,6 * 10 ^ (- 19) Coulombs. Der Draht hat eine Querschnittsfläche von 7,85 × 10 ^ (–7) m ^ 2. Daher wäre die Driftgeschwindigkeit:

v = (3 Coulombs / s) / (8,5 × 10 25 Elektronen / m × 3 × 7,85 × 10 × (–7) m × 2 × –1,6 × 10 × (–19) Coulombs)

v = -0,00028 m / s

Beachten Sie die negative Geschwindigkeit, die impliziert, dass der Strom tatsächlich in die entgegengesetzte Richtung fließt, wie es normalerweise angenommen wird. Abgesehen davon ist nur zu bemerken, wie langsam dies tatsächlich ist. Ein Strom von 3 Ampere ist nicht so klein und Kupferdraht ist ein ausgezeichneter Leiter! Tatsächlich ist die Geschwindigkeit umso höher, je höher der Widerstand im Ladungsträger ist. Dies ist vergleichbar damit, wie unterschiedliche Einstellungen an einem Duschkopf dazu führen, dass der gleiche Wasserdruck mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus dem Wasserhahn austritt. Je kleiner das Loch ist, desto schneller muss das Wasser austreten!

Daraus einen Sinn machen

Wenn Elektronen sich so langsam bewegen, wie ist es dann möglich, Daten so schnell zu übertragen? Oder sogar, wie kann ein Lichtschalter ein Licht von so weit weg augenblicklich steuern? Dies liegt daran, dass es kein einziges Elektron gibt, das von einem Punkt in der Schaltung zum anderen fließen muss, damit etwas funktioniert. Tatsächlich gibt es an jedem Punkt der Schaltung zu jeder Zeit viele freie Elektronen (die Menge hängt vom elementaren Aufbau des Trägermaterials ab), die sich bewegen, sobald ein ausreichend großes Potential (Spannung) angelegt wird.

Denken Sie an Wasser in einer Pfeife. Befindet sich zu Beginn kein Wasser in der Leitung, dauert es einige Zeit, bis das Wasser den Wasserhahn erreicht, wenn ein Auslauf eingeschaltet wird. In einem Haushalt sollte sich jedoch bereits an jeder Stelle der Leitung Wasser befinden, damit das Wasser aus dem Wasserhahn fließt, sobald er eingeschaltet wird. Es muss nicht von der Wasserquelle zum Wasserhahn transportiert werden, da es sich bereits in der Leitung befindet und nur darauf wartet, dass es durchgeschoben werden kann. Ähnlich verhält es sich mit einem Draht: Es sind bereits so viele Elektronen im Draht, die nur darauf warten, durch das Vorhandensein des Spannungspotentials durchgeschoben zu werden. Die Geschwindigkeit, die ein Elektron benötigt, um sich von einem Punkt im Draht zu einem anderen zu bewegen, spielt keine Rolle.

Andererseits ist die Geschwindigkeit der Datenübertragung durch ein physikalisches Medium wichtig und hat ein theoretisches Maximum, wie in dieser wunderbaren Frage und Antwort besprochen, so dass ich hier nicht darauf eingehen werde.

Die Elektronen führen dich in die Irre. Ignoriere sie. Sie gehen sowieso in die falsche Richtung. Die Leute lieben es, kleine animierte Modelle zu bauen, die zeigen, wie sie sich bewegen - was wahr ist, und beobachten, dass die elektronische Kommunikation nahezu augenblicklich stattfindet - wahr ist und schließen, dass sich Elektronen nahezu augenblicklich bewegen - was falsch ist.

1. Wie schnell fließt Strom?

   Es gibt zwei mögliche Interpretationen: "Wie schnell bewegen sich Elektronen?" und "Wie schnell reist ein elektronisches Signal?"

   Kurt hat schon geantwortet "Wie schnell bewegen sich Elektronen?" mit Driftgeschwindigkeit . Elektronische Signale werden jedoch durch die elektromagnetische Welle definiert, die sich mit Hilfe der Ladungsträger durch das Material ausbreitet. Das Signal breitet sich mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit aus, die von den Eigenschaften der Übertragungsleitung beeinflusst wird .

   Dies führt zu echten Einschränkungen bei Hochgeschwindigkeitssystemen. In der Praxis dauert es ungefähr eine Nanosekunde, bis sich ein Signal über 30 cm PCB ausbreitet. Infolgedessen besteht eine minimale Latenz zwischen den Teilen eines Computers.

   Leitungsinduktivität und Kapazität begrenzen, wie "scharf" Sie eine Kante machen und diese entlang einer Leitung senden können. Es wird zu einer Sinusform verschmiert.

   Beachten Sie, dass die Datenmenge, die Sie über einen Träger übertragen können, immer noch unterschiedlich ist und vom Signal-Rausch-Verhältnis abhängt. Die Übertragungsgeschwindigkeit bestimmt die minimale Latenz, nicht die Bandbreite.

2. Ist die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem Widerstand anders als in einem Draht?

3. Ist das wichtig?

   Von oben wissen wir, dass die Antworten für Elektronengeschwindigkeiten "Ja" und "Nein" sind.

   Die Wellenausbreitungsgeschwindigkeit wird durch die Kapazität, die Induktivität und die Dielektrizitätskonstante sowohl des Materials, durch das Sie sich ausbreiten, als auch durch nahegelegene Isolatoren zu Masseebenen beeinflusst. Daher breitet sich ein Signal durch einen Widerstand mit einer geringfügig anderen Geschwindigkeit aus als ein Draht, da es aus einem anderen Material besteht und von der Platine absteht.

4. Oder sind die Wirkungen des Elektrons das einzig Wichtige, wenn niedrigere Abstraktionsebenen in der Praxis nicht nützlich sind?

Die meiste Zeit müssen Sie sich keine Sorgen um Elektronen machen. Sie befassen sich direkt mit Kathodenstrahlröhren, Vakuumfluoreszenzanzeigen und thermionischen "Ventilen".

Dies gilt auch für Halbleiter, bei denen die Physik schwierig und manchmal nicht intuitiv ist, die grundlegenden Kenntnisse über die Verwendung eines Transistors, FETs oder einer Diode in einer Schaltung jedoch viel einfacher sind.

Stellen Sie sich eine Reihe von Dominosteinen vor - schieben Sie einen an diesem Ende um und die Störung wandert zum anderen. Die Geschwindigkeiten der einzelnen Teile und die der Störung oder Wellenfront sind sehr unterschiedlich, und keine einzelnen Teile wandern von hier nach dort.

Es gibt eine Reihe von Ideen, die relevant sind

• Wie schnell bewegen sich Elektronen?
• Wie schnell driften Elektronen, wenn ein Strom fließt?
• Wie schnell breitet sich ein Signal entlang eines Kupferdrahtes aus?

Sie können dies mit der alten Water-in-Pipes-Analogie in Verbindung bringen

• H2O-Moleküle wackeln immer im flüssigen Zustand (oder in einem Zustand über 0 Kelvin?)
• H2O-Moleküle in einer Schlauchleitung wandern ebenfalls langsam vom Hahn zur Düse
• Wenn Sie den Wasserhahn aufdrehen, bewegt sich die Druckwelle viel schneller als die Driftgeschwindigkeit.

Die tatsächlichen Antworten für Elektronen sind

• Weiß nicht, ziemlich schnell. 2 x 10 & supmin; & sup6; m / s? ( ref †)
• Ein typischer Wert kann 1 Meter pro Stunde sein.
• Ein Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit. ( ref ‡)

_{† Für ein Elektron in einer bestimmten Umlaufbahn, wahrscheinlich für "freie" Elektronen in Kupfer :-).
‡ Bei einem Signal in Salzlake ist das bei Kupfer wahrscheinlich ganz anders :-)}

Ein weiterer Aspekt davon:

Bevor jemand die OP-Frage beantworten kann, muss zuerst das Wort "Elektrizität" definiert werden. Wenn Elektronen fließen, ist das ein "Stromfluss"? Nein und Ja! Verschiedene Lehrbücher widersprechen sich. Es gibt keine einfache Antwort, auf die sich die Experten einigen können.

Die Physik sagt, dass die Strommenge als Coulomb definiert ist; als Ladung. (Siehe zum Beispiel das CRC-Handbuch. Oder die NIST- oder MKS-SI-Standards für physikalische Einheiten.) Unter dieser Definition von "Elektrizität" würden wir sagen, dass das Elektron eine kleine Menge Elektrizität mit sich führt, während es sich fortbewegt. In Metallen ist die fließende Elektrizität, der elektrische Strom, langsam treibende Elektronen.

Warum ist das ein Problem? Einfach: Die meisten nicht-physischen Lehrbücher stimmen überhaupt nicht überein. Stattdessen heißt es, dass "Elektrizität" "Elektronenfluss" oder Strom bedeutet. Für sie sind "Elektrizität" nicht die Coulombs, sondern die Durchflussrate. die Ampere. Für sie ist die "Elektrizität" immer dann verschwunden, wenn der Fluss aufhört.

Aber für Physiker, wenn der Fluss stoppt, sitzt die Elektrizität einfach unbeweglich in den Drähten, da sich die Dichte der Ladungsträger nicht ändert, wenn sich die Stromstärke ändert. Für Physiker sind alle Drähte bereits mit Strom gefüllt. immer mit einem "Elektronenmeer"; die mobilen Träger aller Metalle. Für nicht-physikalische Lehrbücher sind Drähte jedoch wie leere Rohre, in denen "Elektrizität" nahezu mit Lichtgeschwindigkeit dahinzoomt.

Was ist dann Elektrizität? Die Physiknormen (MKS, SI-Normenkonvention) definieren Elektrizität eindeutig. Unsere Schulbücher ignorieren dies jedoch oder tun stillschweigend so, als könnten die physikalischen Standards nach Belieben geändert werden. Stattdessen stimmen alle Schulbücher darin überein, "Elektrizität" auf eine ganz andere Weise zu definieren: nicht als Ladungsmenge, sondern als fließende Bewegung der Ladungen.

Was ist dann Elektrizität? (Oder scherzhafter, ist Elektrizität ... der Fluss der Elektrizität? Und wann immer Elektrizität zu fließen beginnt, nennen wir diesen Fluss "... Elektrizität"?)

:)

Diese Verrücktheit infiziert sogar die Engineeringsprache. Physiker sagen, dass Elektronen die Ladungsträger in Metallen sind. Ingenieure nennen sie stattdessen ... Stromträger? Ja. Überprüfen Sie den technischen Text der Universität. Physiker wissen um Ladungserhaltung. Es ist ein Grundgesetz. Aber wir Ingenieure lernen über ... Die Erhaltung des Stroms ?! Uns wurde beigebracht, dass Strom das "Zeug" ist, das durch Drähte fließt. EE-Lehrbücher enthalten häufig den Ausdruck "Stromfluss", und selten, wenn überhaupt, wird die korrekte Version "Stromfluss" erwähnt.

Die traditionelle Lösung solcher Probleme ist bekannt: Entwickeln Sie Standards und definieren Sie Fachbegriffe eng. Halten Sie sich dann sorgfältig an diese Sprachstandards. Verwenden Sie keine gängigen Definitionen, sondern ausschließlich eine enge wissenschaftliche Terminologie. Dies durchschneidet den ganzen Nebel und die BS und Verwirrung. In diesem Fall gäbe es jedoch eine harte Schlacht, da die Verwendung von Physikstandards bedeuten würde, dass Tausende von Lehrbüchern und Expertengenerationen, die nicht aus den Bereichen Physik, Elektronik und Ingenieurwissenschaften stammen, in grundlegender Weise falsch liegen. Aufgrund ihres ständigen Missbrauchs der grundlegenden wissenschaftlichen Terminologie haben viele Generationen von Studenten keine Ahnung, was "Elektrizität" wirklich ist, und müssen sich daher ständig fragen, ob sie mit der Driftgeschwindigkeit (dem Ladungsfluss,

Mehr BS-Schnitt: Ströme fließen nicht, sondern breiten sich aus. Wenn wir auf ein Ende einer Stange drücken, fließt die Bewegung nicht. Stattdessen breitet es sich als Welle aus. Gleiches gilt für Ströme in Stromkreisen: Ladungsfluss ja, aber Wellenausbreitung von Strömen. Die Ausbreitung von Strömen in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit ist dasselbe wie bei einer EM-Welle.

Und schließlich stellen Sie sich die wichtige Frage: Fließt in Flüssen und Bächen "Strom"? Oder heißt das Zeug eigentlich "Wasser"?