simulieren Sie diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab
Eine Batterie pumpt Elektronen, indem sie ein elektrisches Feld erzeugt und elektrische potentielle Energie in kinetische umwandelt. In der Nähe des positiven Anschlusses haben die Elektronen mehr kinetische Energie. Sollte der Strom also nicht höher sein?
Eine Analogie könnte meine Frage klären: Wenn Sie einen Ball aus einem Gebäude fallen lassen, beschleunigt sich der Ball, wenn er den Boden erreicht, da mehr potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt wurde. Sollten sich die Elektronen nicht schneller bewegen, wenn sie sich dem positiven Anschluss nähern, da sie mehr kinetische Energie haben? Und folglich sollte der Strom nicht höher sein?
Antworten:
In Stromkreisen ist die Geschwindigkeit so ziemlich der Strom (Coulomb / Sek.). Die kinetische Energie ist proportional zum Geschwindigkeitsquadrat (1/2 * m * v ^ 2). Wenn Sie einen konstanten Strom haben, haben Sie im Durchschnitt eine konstante kinetische Energie.
Daher, da der gesamte Draht mit Elektronen gefüllt ist (praktisch lückenlos); Alle Elektronen müssen die gleiche Geschwindigkeit (den gleichen Strom) haben, daher ist die kinetische Energie überall gleich.
Analogie, bei der Wassermoleküle = Elektronen sind. Sie können sehen, dass die Moleküle am Anfang der Pumpe keine größere Geschwindigkeit (Strom) haben.
Eine andere schwächere Analogie ist, dass ein Zug. Stellen Sie sich den Motor (Batterie) als den Mechanismus vor, der die Kraft (Spannung / EMK) auf den Rest der Wagen (Elektronen) ausübt. Alle Wagen im Zug haben die gleiche Geschwindigkeit.
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Hier gibt es einige gute, theoretisch fundierte Antworten. Lassen Sie mich versuchen, aus einem anderen Blickwinkel zu erklären:
Ich neige dazu, nicht an Elektronen zu denken, die durch Drähte fließen, da dies impliziert, dass ihre Masse und ihr Impuls die Übertragung von Energie verursachen. Sie hören oft, dass Sie sich eine Röhre mit Tischtennisbällen vorstellen sollten. Das kann aber auch irreführend sein! Stellen Sie sich stattdessen ein mit Sand gefülltes Rohr mit einem Durchmesser von 8 Fuß vor. Sie zwingen etwas Sand an einem Ende und einige kommen am anderen Ende heraus, aber Geschwindigkeit, Masse und Impuls spielen nicht viel hinein.
Die Energieübertragung erfolgt aufgrund einer Wellenfront angeregter Elektronen, die (über elektrische Felder) alle anderen Elektronen um sie herum drücken. Nicht wegen der Elektronenmasse, die den Newtonschen Impuls verleiht. Die tatsächliche Elektronendrift in einem 1 mm dicken Kupferleiter liegt in der Größenordnung von einem Millimeter pro Sekunde!
Tatsächlich ist dies einer der großen Orte, an denen die Wasseranalogie zusammenbricht. Es gibt keinen elektrischen Impuls basierend auf der Masse! (Das ist eine starke Aussage und nicht absolut richtig, aber es wird Ihnen gut dienen)
Wenn Sie Ihrem Schaltkreis einen Impuls hinzufügen möchten, verwenden Sie einen Induktor. Dies macht die Wasseranalogie wieder nützlich :)
Es gibt ein hervorragendes Beispiel für dieses Analogon. Schauen Sie sich dieses Youtube einer Ram Pump an: http://www.youtube.com/watch?v=qWqDurunnK8 . Es ist eine ordentliche, alte Technologie, die viele Menschen noch nie gesehen haben. Es stellt sich heraus, dass es genau das gleiche ist wie ein Aufwärtswandler! Wenn Sie noch keine Aufwärtswandler gesehen haben, werden Sie es bald tun. Sie werden überall in Stromkreisen verwendet.
Die Ram-Pumpe arbeitet basierend auf dem Impuls. Damit es in der Elektronik funktioniert, verwenden Sie einen Induktor, um ein Impulsanalog zu verleihen! Es ist toll! Verwenden Sie eine Diode für das Einwegventil und einen Kondensator für die Druckkammer.
Du machst ein lustiges Abenteuer, diese ganze Sache mit Technik / Physik :)
Viel Glück.
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Warum ist die Stromkonstante überall?
Nun, das ist es nicht wirklich. Folgendes fehlt in Ihrer Analogie: Wenn der Unterschied im Gravitationspotential von oben nach unten dem Gebäude analog zum Unterschied im elektrischen Potential (Spannung) der Batterie ist und die Kugel eine elektrische Ladung darstellt (z. B. ein Elektron) Was Ihnen fehlt, ist die gesamte andere Ladung im Kabel.
Alle Leiter sind voller beweglicher elektrischer Ladung, wie ein Rohr voller Wasser. Wenn Sie eine Ladung an einem Ende anbringen, erzeugen Sie an diesem Ende einen höheren "Druck". Dann breitet sich eine Kraftwelle durch die Flüssigkeit aus, mit dem Ergebnis, dass der Druck überall ausgeglichen wird. Im Wasser bewegen sich diese Wellen mit Schallgeschwindigkeit. In einem Draht bewegen sie sich mit Lichtgeschwindigkeit. 1
Da sich diese Wellen schließlich im gesamten Stromkreis ausbreiten und Ihre Batteriespannung nicht ändert, erreicht sie schließlich ein Gleichgewicht und der Strom ist überall gleich. Wenn die Größe der Schaltung klein ist, ist das Licht so schnell, dass es eine vernünftige vereinfachende Annahme ist, dass sich diese Wellen "sofort" ausbreiten, und daher ist der Strom überall in der Schleife gleich.
Wenn dies nicht der Fall ist und die Zeit, die die Änderungen für die Ausbreitung benötigen, erheblich wird, wird die Schaltung wahrscheinlich mit einer Übertragungsleitung modelliert , und Sie treten wahrscheinlich in die Disziplin der HF-Technik ein .
Sie sollten wahrscheinlich auch nicht an Elektronen denken, die sich vom negativen zum positiven Anschluss bewegen. Sie werden sich verwirren, weil alles rückwärts ist (weil Elektronen eine negative Ladung sind), und Sie werden auch ungefähr die Hälfte der Ladung im Universum vergessen: Protonen und andere positive Ladungen. Selten ist die Bewegung einzelner Elektronen relevant, und in vielen Schaltkreisen (und sicherlich in jedem Schaltkreis mit einer Batterie) sind Elektronen nicht die einzigen Ladungsträger. Normalerweise kümmern wir uns um die Kräfte, die von Ladungsträgern übertragen werden, nicht um die Ladungsträger. Sehen:
In Ihrem speziellen Fall werden beim ersten Anschließen der Batterie Elektronen vom positiven Anschluss angezogen und vom negativen Anschluss abgestoßen . An beiden Anschlüssen der Batterie beginnt Strom zu fließen , und dann breitet sich die Kraftwelle durch den Draht aus, bis der Strom überall fließt und der Stromkreis das Gleichgewicht erreicht.
Sie würden dies wahrscheinlich auch aufschlussreich finden: Woher weiß der Strom, wie viel er fließen muss, bevor er den Widerstand gesehen hat?
1: Die Lichtgeschwindigkeit in bestimmten Materialien unterscheidet sich ebenso wie die Schallgeschwindigkeit. Sehen Sie den Geschwindigkeitsfaktor und die sehr kühle Cherenkov-Strahlung , so etwas wie das Lichtanalog eines Schallknalls.
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Die kinetische Energie aus der Elektronendrift ist minimal. Wir können die Wirkung in supraleitenden Schaltkreisen und bei Frequenzen sehen, die sich dem Tageslicht nähern, wo es als eine Art Induktivität erscheint , aber in gewöhnlichen Schaltkreisen nicht signifikant ist.
Elektronen in einem Draht driften sehr langsam, Meter pro Stunde. Das ist eine erhebliche Strömung, weil es viele davon gibt.
Denken Sie daran, dass Strom ein Ladungsfluss (quantisiert als so viel Ladung pro Elektron) pro Zeiteinheit ist, der nichts mit kinetischer Energie zu tun hat, sondern nur, wie viele Elektronen einen bestimmten "Teiler" pro Sekunde passieren.
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Elektronen, die sich in einem Draht bewegen, sind nicht wie Kugeln, die fallen gelassen werden.
Wenn Sie einen Ball aus einem Gebäude fallen lassen, wird er nicht viel gestoppt, bis er auf dem Boden aufschlägt. Es ist nur Luft im Weg, was einen sehr geringen Einfluss auf den Ball auf die Bedingungen darstellt, die man sich in diesem Gedankenexperiment vorstellen kann.
Stromkreise sind nicht so. Die Masse der Elektronen im Vergleich zur Masse von allem anderen (Protonen, Neutronen) im Draht ist sehr klein. Noch wichtiger ist jedoch, dass der Draht voller Elektronen ist. Sie können ein Elektron nicht "fallen lassen": Es trifft nur andere Elektronen. Denken Sie nicht an einen Ball: Denken Sie an ein Meer von Bällen. Die einzelnen Bälle sind nicht wirklich so relevant: Normalerweise geht es uns darum, wie wir diese unsichtbare "Flüssigkeit" für die Arbeit nutzen können.
Die Schaltung, die Sie gezeichnet haben, kann übrigens nicht existieren. In einem Schema stellen die Linien ideale "Drähte" dar, die unendlich leitend sind, was bedeutet, dass die Spannung überall in ihnen gleich ist. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu erklären, aber hier ist eine: Nehmen Sie das Ohmsche Gesetz:
Unser "unendlich leitfähiger" idealer Draht bedeutet "Null Widerstand". Damit:
Das schematische Kabel, das die Anschlüsse der Batterie verbindet, teilt sich auch die gleichen Anschlüsse der Batterie, und wie oben muss die Spannung an diesem Kabel per Definition 0 V betragen. Wir haben also dieses Gleichungssystem:
Gibt es eine Lösung für dieses Gleichungssystem? Da ist nicht. Diese Schaltung kann nicht existieren.
Jetzt ist klar, dass der Strom 9A betragen wird.
Dies sollte Ihr Gedankenexperiment klarer machen: In jedem realen Stromkreis muss zwischen den Batterieklemmen ein gewisser Widerstand 1 vorhanden sein . Wenn Sie eine Analogie zu bekannteren physikalischen Phänomenen ziehen möchten, ist Widerstand wie eine Reibung, die auf elektrische Ladung wirkt. Hier geht die Energie aus der Bewegung der Ladung von einem hohen Potential (positiver Anschluss) zu einem niedrigeren Potential (negativer Anschluss): Sie wird im Widerstand in Wärme umgewandelt.
1: Supraleiter haben keinen Widerstand, aber sie haben Induktivität. Vorausgesetzt, die Batterie kann weiterhin Energie liefern, gibt es keine Begrenzung, wie hoch der Strom werden kann, aber der Strom wächst mit einer endlichen Geschwindigkeit, so dass ein unendlicher Strom eine unendliche Energiequelle erfordern würde.
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