Ich habe einige Zweifel in Bezug auf elektrische Felder und Stromfluss. Nehmen wir also einen Stromkreis an, der eine Batterie und einen Draht enthält, der den positiven und den negativen Pol der Batterie verbindet. Ich habe gelesen, dass an seinem negativen Anschluss viele negative Ladungen / Elektronen vorhanden sind und dass Elektronen aufgrund der Abstoßungskraft versuchen, sich voneinander wegzubewegen, und so versuchen sie, sich zum positiven Anschluss zu bewegen. Also meine erste Frage:
Wenn sich Elektronen durch den Draht zum Pluspol bewegen, bewegen sie sich dann alle gleichzeitig? Weil sie sonst, während sie sich bewegen, immer noch abstoßende Kräfte aufeinander ausüben? Beeinflusst diese abstoßende Kraft ihre Bewegung?
Nehmen wir also an, sie bewegen sich nicht nacheinander. Einige von ihnen fließen also durch den Draht, und weil sie sich voneinander entfernen, verringert sich auch die Abstoßungskraft. Also meine zweite Frage:
Sollten nicht einige der Elektronen im Draht selbst bleiben? Wenn an einer Stelle des Drahtes nicht genügend Abstoßungskraft vorhanden ist, hören sie dann überhaupt auf oder erreichen sie den Pluspol?
Angenommen, es gibt viele Schaltkreise, in denen die Drahtform jeweils unterschiedlich ist (einige gerade, einige kreisförmig). Also meine dritte Frage:
Beeinflusst die Form die Bewegung des Stroms? Hat es einen Einfluss auf das elektrische Feld?
Und meine letzte Frage. Angenommen, wir haben einen sehr langen Draht. Nun, ich habe gelesen, dass wir, da wir eine Konzentration negativer Ladungen am negativen Anschluss haben, eine Konzentration positiver Ladungen am positiven Anschluss haben. Also, wenn der Draht sehr lang ist. Die Kraft zwischen negativer und positiver Ladung wird also geringer:
Beeinflusst die Länge des Drahtes die Geschwindigkeit des Ladungsflusses? Wenn wir einen unendlich langen Draht haben, fließen dann überhaupt Ladungen?
Du hast hier wirklich gute Fragen gestellt. Bevor ich beginne, möchte ich zunächst erwähnen, dass dem traditionellen Bild von Teilchen, die sich in der Elektrostatik durch einen Draht bewegen, etwas Physik fehlt; zum Beispiel ignoriert es die quantenmechanische Natur von Elektronen. Der Grund, warum wir dieses Modell immer noch lehren, ist, dass es die Haupteffekte (das Phänomen des Stroms) erfasst, ohne sich mit mikroskopischen Details zu befassen, aber ich wollte Sie warnen, dass einige der Antworten Physik beinhalten werden, die wahrscheinlich nicht in Ihren Messwerten zur Elektrostatik enthalten ist .
Um die Dinge ins rechte Licht zu rücken, wissen wir jetzt, dass die Newtonsche Physik „falsch“ (oder vielleicht genauer gesagt, unvollständig) ist und nicht die richtigen Antworten gibt, wenn beispielsweise ein Objekt sehr klein ist oder sich sehr schnell bewegt. Aber wir unterrichten immer noch Newtonsche Physik, weil sie „gut genug“ ist, um makroskopische Objekte wie Autos und Baseballs zu beschreiben.
Um nun Ihre Fragen zu beantworten,
Wenn sich Elektronen durch den Draht zum Pluspol bewegen, bewegen sie sich dann alle gleichzeitig? Weil sie sonst, während sie sich bewegen, immer noch abstoßende Kräfte aufeinander ausüben? Beeinflusst diese abstoßende Kraft ihre Bewegung?
Das mikroskopische Bild eines Metalls ist (grob gesagt) eine Ansammlung negativer Ladungen, auch bekannt als Elektronen, die sich durch ein Gitter aus positiven Ionen bewegen. Tatsächlich wird es zwischen diesen Ionen und den Elektronen eine Anziehung und zwischen zwei beliebigen Elektronen eine Abstoßung geben. Überraschenderweise gibt es auch eine anziehende Kraft zwischen den Elektronen. Der Ursprung dieser Anziehungskraft liegt darin, dass die Elektronen positive Ladungen um sich herum anziehen und in einigen Fällen zur Bildung eines gebundenen Zustands führen können, der als Cooper-Paar bezeichnet wird und für die Erklärung des Phänomens der Supraleitung relevant ist, einer Phase von Metallen wo der Widerstand genau null ist. Beachten Sie, dass dies die Quantenmechanik erfordert, um richtig zu funktionieren, und dass es äußerst subtil ist.
Sollten nicht einige der Elektronen im Draht selbst bleiben? Wenn an einer Stelle des Drahtes nicht genügend Abstoßungskraft vorhanden ist, hören sie dann überhaupt auf oder erreichen sie den Pluspol?
Auch hier brauchen wir ein verfeinertes Modell, in diesem Fall die statistische Mechanik. Vor dem Verbinden der Anschlüsse haben alle Elektronen eine zufällige Energieverteilung, die sich als Temperatur manifestiert. Das Vorhandensein eines elektrostatischen Felds verursacht einen Nettoladungsfluss, aber auf der Mikroebene kollidieren Elektronen und bewegen sich in verschiedene Richtungen. Oft werden Sie Elektrostatik-Bücher sehen, die von der Driftgeschwindigkeit der Elektronen sprechen, die eine statistische Darstellung des Nettoflusses ist. Ein einzelnes Elektron bewegt sich aufgrund der zufälligen thermischen Energie und der Kollisionen zwischen Teilchen wahrscheinlich viel schneller als die Driftgeschwindigkeit, möglicherweise sogar in die entgegengesetzte Richtung des Stromflusses.
Beeinflusst die Form die Bewegung des Stroms? Hat es einen Einfluss auf das elektrische Feld?
In der Elektrostatik nein, aber in der Realität ja. In der Mechanik hat man Statik und Dynamik. Beim Elektromagnetismus hat man Elektrostatik und Elektrodynamik. Wenn Sie sich weiter mit Elektromagnetismus befassen, werden Sie bald auf ein anderes Feld stoßen, das magnetische Feld, und Sie werden lernen, dass elektrische Felder und magnetische Felder so miteinander verflochten sind, dass Sie die beiden Felder als Komponenten einer einzigen Einheit neu betrachten ( daher "Elektromagnetismus"). Insbesondere erfahren Sie, dass stromdurchflossene Leitungen Magnetfelder erzeugen (Ampèresches Gesetz) und dass wechselnde Magnetfelder EMF erzeugen können (Faradaysches Gesetz). Dies ist ein berechtigtes Anliegen beim Bau realer Schaltungen, und die mit diesem Effekt verbundene Größe wird als Impedanz bezeichnet. Die Impedanz wird wie der Widerstand in Ohm gemessen und hängt von der Geometrie der Schaltung ab.
Beeinflusst die Länge des Drahtes die Geschwindigkeit des Ladungsflusses? Wenn wir einen unendlich langen Draht haben, fließen dann überhaupt Ladungen?
Hier hast du definitiv was vor. Der Widerstand des Drahtes ist proportional zur Länge des Drahtes. Nach dem Ohmschen Gesetz ist der Strom umgekehrt proportional. Der Strom ist proportional zur Driftgeschwindigkeit, also ist der Strom umgekehrt proportional zur Länge des Drahtes . Siehe http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html#c1 für eine Ableitung.
1.) Beim erstmaligen Schließen eines Stromkreises gibt es eine sehr kurze Zeitspanne, in der sich die Elektronen sozusagen "eins nach dem anderen" nach vorne schieben. Diese sehr kurze Zeitspanne liegt wahrscheinlich in der Größenordnung von Nanosekunden, daher ignorieren wir sie normalerweise. Danach stellt sich ein stationärer Zustand ein, und die Elektronen bewegen sich auf einmal ... mehr oder weniger. Vergessen Sie nicht, dass die Elektronen ständig mit Verunreinigungen und Gitterschwingungen kollidieren.
2.) Ihre zweite Frage ist also strittig.
3.) Form kann wirken. Der Widerstand ist dort größer, wo es Biegungen im Draht gibt, und alle Schaltkreise haben Streukapazitäten und -induktivitäten, die den Betrieb beeinträchtigen können. Oft (normalerweise?) sind diese Effekte klein und vernachlässigbar. Manchmal werden sie absichtlich eingeführt.
4.) Die Länge beeinflusst die Geschwindigkeit. Bei einer gegebenen angelegten Spannung hat ein längerer Draht eine geringere Spannung pro Meter (elektrisches Feld) und der Widerstand des Drahtes nimmt zu. Schließlich wird eine Länge erreicht, bei der der erzeugte Strom unmessbar klein ist, niedriger als der Strom, der durch thermische Schwankungen erzeugt wird. An diesem Punkt hat man den Strom effektiv gestoppt.
anna v