Elektrisches Potential und Driftgeschwindigkeit von Elektronen durch den Stromkreis

A1. Ein idealer Leiter zwischen a und b hat keinen Widerstand. Die Potentialdifferenz zwischen den Punkten ist die Arbeit, die pro Ladungseinheit erforderlich ist, um die Ladung zwischen den beiden Punkten zu bewegen. Ohne Widerstand ist keine Arbeit erforderlich, um den Widerstand zu überwinden. So wie sich eine Kiste auf einer reibungsfreien Oberfläche mit konstanter Geschwindigkeit bewegen kann, ohne dass Kraft und daher keine mechanische Arbeit erforderlich ist. So können sich Elektronen mit konstanter Driftgeschwindigkeit zwischen Punkten ohne Widerstand bewegen, ohne elektrische Arbeit zu leisten

A2. Denken Sie nun an die Box auf einer Oberfläche mit Reibung. Um die Kiste auf der Oberfläche mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen, müssen Sie eine konstante Kraft gleich der kinetischen Reibungskraft aufbringen. Es ist Arbeit erforderlich, um die Box zwischen zwei Punkten zu bewegen. In ähnlicher Weise ist elektrische Arbeit (Spannung mal bewegte Ladung) erforderlich, um die Ladung durch den Widerstand zu bewegen.

Obwohl Elektronen im Mittel beschleunigen und abbremsen, ist ihre Geschwindigkeit konstant (Driftgeschwindigkeit). Aber es erfordert immer noch Arbeit, sie weiterzubewegen, genau wie unsere Kiste, die sich mit konstanter Geschwindigkeit auf einer Oberfläche mit Reibung bewegt. Die elektrische Arbeit pro Ladungseinheit ist der Verlust an potentieller Energie in Form von Widerstandserwärmung, ebenso wie die Arbeit beim Bewegen des Kastens zu einer Reibungserwärmung führt.

A4. Die Antwort A3 sollte diese Frage beantworten. Die von den Elektronen aufgenommene kinetische Energie wird im Widerstand als Wärme abgeführt.

Hoffe das hilft

Q1: Da sich Punkt a und Punkt b im elektrischen Feld an unterschiedlichen Positionen befinden

Die (idealen) Drahtverbindungspunkte a & b sind eine Äquipotential -'Oberfläche', dh es gibt kein elektrisches Feld innerhalb eines idealen Drahtes. Somit befinden sich die Punkte a und b im elektrischen Feld effektiv "am selben Punkt".

F2: Wie ich bereits erwähnt habe, wandelt sich die potentielle Energie des Elektrons in kinetische Energie um. Warum gibt es nun einen Spannungsabfall, wenn Elektronen durch einen Widerstand fließen?

Es gibt einen Spannungsabfall (Potenzialdifferenz) über dem Widerstand, weil die Ladungsdichte an einem Anschluss sich von der Ladungsdichte am anderen Anschluss unterscheidet. Das muss so sein, weil sonst der Ladungsfluss in den Widerstand nicht gleich dem Ladungsfluss aus dem Widerstand wäre.

Q3: Meine letzte Frage zur Driftgeschwindigkeit. Da sich Elektronen in einem elektrischen Feld befinden, übt das elektrische Feld eine Kraft auf sie aus, sodass sie beschleunigen (F = ma).

Stimmt, aber es ist auch wahr, dass sie mit dem Gitter des Widerstandsmaterials kollidieren und etwas KE abgeben. Deshalb erwärmt sich ein Widerstand, wenn ein Strom durchfließt.

Ich sage, es gibt keinen Spannungsabfall, denn wenn Elektronen im Widerstand fließen

Empirisch gesehen gibt es jedoch einen Spannungsabfall, unabhängig davon, was Sie sagen .

Einige Kollisionen treten im Widerstand auf, also verlieren Elektronen einen Teil ihrer kinetischen Energie, aber aufgrund des elektrischen Felds beschleunigen Elektronen wieder und stellen ihre verlorene kinetische Energie wieder her. Warum gibt es also einen Abfall des elektrischen Potentials oder einen Spannungsabfall?

Richtig, die Elektronen verlassen den Widerstand (im Durchschnitt) mit der gleichen kinetischen Energie, mit der sie eintreten. Aber warum erkennen Sie (1) die Existenz des elektrischen Feldes durch den Widerstand an, fragen aber (2) warum es einen Potentialunterschied gibt?

Ist die Potentialdifferenz nicht durch das Linienintegral des elektrischen Feldes durch den Widerstand gegeben?

Okay, ich werde versuchen, etwas Licht in Ihre Fragen zu bringen. Ich weiß jedoch nicht, was Sie wissen, also werde ich versuchen, einfache Antworten zu geben.

F1: Da sich Punkt a und Punkt b an unterschiedlichen Positionen im elektrischen Feld befinden (erzeugt durch die Spannung der Batterie), warum haben sie das gleiche elektrische Potential, warum gibt es keinen Spannungsabfall?

Der Grund ist, dass wir sie für ideale Drähte halten . Das heißt, sie sind perfekte Leiter mit 0 Widerstand.

Wenn es echte Drähte wären, würde es einen winzigen Spannungsabfall geben. Sie könnten seinen Wert berechnen:

$V=I\cdot R$.

Aber da ihr Widerstand 0 ist, ist der Spannungsabfall auch 0. Deshalb ist es gut, mit idealen Drähten zu arbeiten.

Tatsächlich bedeutet dies, dass es keine Rolle spielt, wie lang der Draht ist, sodass Sie längere Drähte, kürzere Drähte verwenden oder sie biegen usw. können. Dies hat keinen Einfluss auf die Schaltung (solange sie ideal sind).

Wenn Sie jedoch eine echte Schaltung aufbauen, handelt es sich um echte Drähte. Je länger sie sind, desto mehr Spannungsabfall erfahren sie. Verwenden Sie kurze Drähte.

Echte Drähte sind schwieriger zu handhaben. Aus diesem Grund modellieren wir reale Drähte normalerweise als ideale Drähte + einen Widerstand, und dieser zusätzliche Widerstand erklärt die Verluste des realen Drahts.

F2: Wie ich bereits erwähnt habe, wandelt sich die potentielle Energie des Elektrons in kinetische Energie um. Wenn nun Elektronen durch einen Widerstand fließen, warum gibt es einen Spannungsabfall?

Wenn also die Batterie eine Spannungsdifferenz einfügt und die Drähte sie nicht fallen lassen, muss der Abfall im Widerstand auftreten.

Zu Q2: Ich sage, es gibt keinen Spannungsabfall, denn wenn Elektronen im Widerstand fließen, treten einige Kollisionen im Widerstand auf, sodass Elektronen einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren, aber aufgrund des elektrischen Felds beschleunigen Elektronen wieder und stellen ihre verlorene Kinetik wieder her Energie ,Warum gibt es also einen Abfall des elektrischen Potentials oder Spannungsabfalls?

Sie haben recht: Bewegungsenergie geht nicht durch Stöße verloren, deshalb erhitzen sich Widerstände.

Dies bedeutet nicht, dass es keinen Spannungsabfall geben kann. Es gibt.

Grob gesagt wird die potentielle Energie zu kinetischer Energie. Aufgrund von Kollisionen werden sie jedoch nicht stark beschleunigt, sondern langsamer, bis sie eine "konstante" Geschwindigkeit erreichen, die eine gleichmäßige Strömung definiert. Dies ist das Produkt des Gleichgewichts zwischen beschleunigender Kraft und Stößen.

Überprüfen Sie, ob dies auch mit der Erhaltung von Masse und Ladung vereinbar ist: Es kann nicht mehr herauskommen als hineinkommt.

Dies beantwortet auch Ihre$Q3$, Ich finde. Ich hoffe, das hat geholfen. Du kannst mir alles in den Kommentaren sagen.