Elektronenfluss in einem Draht

In einem Metall wie Kupfer sind einige der Elektronen nicht an einzelne Atome gebunden. Wird an einen Kupferdraht eine Spannung angelegt, fließen diese freien Elektronen von einem Atom zum nächsten. Dieser Elektronenfluss ist ein elektrischer Strom, aber die Kupferatome selbst bewegen sich nicht, sodass der Kupferdraht nicht verschwindet. Natürlich muss die Spannungsquelle zusätzliche Elektronen liefern, damit der Fluss weitergeht.

Stellen Sie sich als Analogie einen Wasserfall vor – der elektrische Strom ist wie das Fallen von Wassermolekülen, und die Wassermoleküle fallen aufgrund der Schwerkraft (was analog zur Spannung ist). Der Wasserfall muss mit mehr Wassermolekülen versorgt werden, damit der Wasserfall weiter bestehen kann, aber das Flussbett, über das die Wassermoleküle fließen (analog zu den Kupferatomen), bewegt sich nicht oder verschwindet.

Um weitere 2 Cent hinzuzufügen und ein eher vereinfachtes Verständnis, finde ich es oft einfacher, den Stromfluss durch einen Draht als Röhre aus Murmeln (kleine Glaskugeln, wenn das nicht gut übersetzt werden kann) zu visualisieren.

Der Draht enthält bereits Elektronen, also ist unsere Röhre voller Murmeln. Durch Anlegen einer Spannung (einer elektromotorischen Kraft ) können Sie eine neue Murmel hineinschieben. Wenn Sie dies tun, springt eine Murmel heraus. Nehmen Sie den, der herausgesprungen ist, und schieben Sie ihn in das andere Ende. In einem echten Stromkreis hat es keine Enden, um Elektronen hinein- und herauszudrücken, aber es fließt rundherum (also wäre unsere Röhre an beiden Enden miteinander verbunden).

In der Elektronik erzeugen oder zerstören wir keine Elektronen, fügen sie hinzu oder entfernen sie* – sie sind bereits da. Alles, was wir tun, ist, sie voranzutreiben. Es ist auch wichtig zu verstehen, dass es nicht ein Elektron ist, das herumgeschoben wird, es ist der Fluss. Sie drücken ein Ende und das andere Ende bewegt sich. Das Drücken von Elektronen an einem Ende bedeutet nicht, dass dasselbe Elektron am anderen Ende drückt, genau wie beim Drücken von Murmeln kommt am Ende eine andere heraus.

Wenn Sie immer weiter nach unten tauchen, können Sie beginnen, Löcher und Ladungsträger und Elektronen zu schätzen, die auf und ab Energieniveaus springen; Aber es vereinfacht gesagt, stellen Sie sich vor, Murmeln in eine Röhre zu schieben.

* Ja, es gibt wahrscheinlich Ausnahmen, aber sie sind nicht relevant.

Die einfachste Antwort, die Sie geben können, ist, dass für jedes Elektron, das aus einem Ende des Drahtes herauskommt, ein weiteres Elektron am anderen Ende des Drahtes "eingeschoben" wird. Daher verliert der Draht trotz eines "Flusses" von Elektronen keine Elektronen (kein Nettoverlust)!

Ich bin ein Elektroingenieur. Und natürlich stimme ich den obigen Antworten zu, dass Elektronen sowohl in den Draht hinein als auch aus ihm heraus fließen. Aber es ist interessant, ein Beispiel dafür zu sehen, wie langsam dieser Fluss bei normalen Strömen wirklich ist. Machen wir der Einfachheit halber ein Gleichstrombeispiel.

Stellen wir uns einen 10-Gauge-Kupferdraht (mit einem Durchmesser von etwa 0,1 Zoll) vor, durch den ein Strom von 10 Ampere fließt (ziemlich typische Haushaltsnummer). Nehmen wir weiter an, dass alle „freien Elektronen“ der Kupferatome (also 1 pro Atom) am Stromfluss teilnehmen. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit der fließenden Elektronen alle 2,5 Minuten etwa 2,5 cm beträgt. Langsamer als die meisten von uns vermuten würden.