Hilfe beim Verständnis von Strom, Spannung und Widerstand

Deine Analogie ist ganz gut. Es zeigt jedoch ein leichtes Missverständnis über die Elektronenbewegung in Leitern.

Elektronen in Leitern fahren nicht wie Autos auf einer Straße. Es ist eher wie Autoscooter: Sie beschleunigen kontinuierlich, treffen auf ein Hindernis, werden gestoppt & abgelenkt und beginnen wieder zu beschleunigen. Auch die Elektronendichte ist immer gleich.

Ein besseres Bild wäre dieses: Stellen Sie sich eine Autobahn mit Mauern an den Seiten vor, damit Autos nicht entkommen können. Das Problem ist, dass überall auf der Straße ein Wald mit Bäumen (dh Atomen) wächst. Die Autos werden durch Bungee-Seile, die am anderen Ende der Batterie befestigt sind, durch den Wald gezogen und stoßen immer wieder gegen die Bäume.

1. Dirigent: die Autobahn mit Mauern und einem Wald, der auf der Straße wächst. Es ist immer bis zum Rand mit Autos gefüllt.
2. Spannung: die Spannung im Bungee-Seil. Es wird die Autos nicht wirklich schneller durch den Wald fahren lassen, da sie immer noch gegen Bäume stoßen. Es macht diese Kollisionen jedoch viel stärker.
3. Widerstand: das Gegenteil der Breite der Autobahn. Die Breite selbst wäre die Leitfähigkeit.
4. aktuell: die Anzahl der Autos, die in einer bestimmten Zeit über die Autobahn fahren. Breitere Autobahn (dh weniger Widerstand) -> mehr Autos.

Davon abgesehen kann es keine genaue Analogie geben. Sogar meiner hat Probleme. Wie Sie die Analogie am besten aufbauen, hängt davon ab, welchen Aspekt der Elektrizität Sie veranschaulichen möchten. Es ist unvermeidlich, dass andere Aspekte leicht verzerrt dargestellt werden.

Um zu überprüfen, ob es sich um eine gute Analogie handelt, verwenden Sie die Beziehung zwischen den Größen, wie sie durch das Ohmsche Gesetz gegeben ist:

$V = I \cdot R$

Bei einem festen Widerstand ist der Strom proportional zur Spannung. Bei einer bestimmten Anzahl von Fahrspuren sollte die Anzahl der vorbeifahrenden Autos pro Stunde also proportional zur Geschwindigkeitsbegrenzung sein. Das ist in Ordnung: Wenn Sie die doppelte Geschwindigkeit zulassen, können doppelt so viele Autos pro Stunde passieren.

Bei fester Spannung sind Strom und Widerstand umgekehrt proportional. Für eine bestimmte Geschwindigkeitsbegrenzung sollte sich die Kapazität also verdoppeln, wenn sich die Anzahl der Fahrspuren (Widerstand) halbiert. Das stimmt nicht, ist aber vielleicht eine Frage der Definition. Wenn wir den Widerstand als 1/(Anzahl der Bahnen) definieren, ist es wieder in Ordnung.

Schließlich ist für einen festen Strom der Widerstand proportional zur Spannung. Wenn wir also bei einer gegebenen Kapazität die Geschwindigkeitsbegrenzung verdoppeln, brauchen wir nur die Hälfte der Fahrspuren.

Es ist also ein gutes Modell, wenn man bedenkt, dass der Widerstand mit abnehmender Anzahl der Bahnen zunimmt.

Das Wasser durch ein Rohr in schräger oder vertikaler Ausrichtung scheint im Vergleich zu Ihrem eine bessere Analogie zu sein. Aufgrund der Steigung oder des Gefälles hat das Rohr zwei Ebenen (höher und niedriger), sodass Wasser oder etwas anderes von einer höheren zu einer niedrigeren Ebene fließen würde. Diese Ebenen können als potenzielle Ebenen in einem Kreislauf angesehen werden. Aufgrund der unterschiedlichen Potentialniveaus wird eine Potentialdifferenz eingeführt, die wir besser als Spannung bezeichnen. Elektronen würden also nur dann zwischen zwei Punkten fließen, wenn zwischen diesen beiden Punkten eine Potentialdifferenz besteht, genau wie Wasser in der Leitung. Als nächstes ist Strom: Es könnte als Wasserfluss durch das Rohr angenommen werden. Je mehr Wassermoleküle durch das Rohr fließen, desto mehr Wasser fließt, desto größer ist die Anzahl der Elektronen durch den Stromkreis oder zwei Punkte die jetzige. Schließlich kann der Widerstand als die Reibung visualisiert werden, die das Rohr dem Wasserfluss entgegensetzt (wie oben von Sandun Dhammika erwähnt). Wenn das Rohr mehrere Verstopfungen oder eine raue oder raue Oberfläche aufweist, würde es dem Wasserfluss eine größere Reibung bieten. Ähnlich würde ein größerer Widerstandswert in Verbindung mit einem Stromkreis den Stromfluss stärker behindern. Ich nehme an, das würde den Zweck gut sortieren.

Die meisten Analogien versagen aufgrund der Vorstellung von physischen Objekten, die mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten entlang eines Pfades fließen. Elektronen ändern ihre Geschwindigkeit nicht! Aber die Analogien sind noch auf andere Weise nützlich. Meiner Erfahrung nach probiert man eine Reihe verschiedener aus und entdeckt schließlich eine, die für einen am sinnvollsten ist.

Hier ist eine weitere „Analogie“. Es beinhaltet Wasser, einen Feuerwehrschlauch (oder ein Rohr) und eine Druckquelle.

Der Druck, der das Wasser drückt, die Schwerkraft bei einem geneigten Rohr/Wasserturm oder einer mechanischen Pumpe.

Druck ist Spannung oder Potentialdifferenz (oberes/unteres Ende des Rohrs/Schlauchs oder Höhe des Wasserturms).

Die Größe des Feuer- (bzw. Garten-) Schlauchs oder eines Rohrs ist mit dem Widerstand vergleichbar. Ein kleinerer Schlauch hat einen höheren Widerstand. GRÖßERER Schlauch/Rohr ist geringer-weniger Widerstand.

Das Wasservolumen, das durch den Schlauch/das Rohr fließen kann, ist vergleichbar mit dem Strom. Stellen Sie sich das Wasservolumen als Fähigkeit vor, Arbeit zu verrichten. B. Tröge eines Wasserrads füllen = Gewicht dreht das Rad oder Wassermenge, die zum Löschen eines Feuers zur Verfügung steht. dh ein Gartenschlauch (unabhängig vom Druck) im Vergleich zu einem 2-Zoll-Feuerwehrschlauch. Elektrischer Strom ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten, Heizung, Motor, ......... und zu brennen, zu schocken, zu töten.

ERINNERUNG, je größer der verfügbare Strom (mit einer ausreichenden Spannung, um den Hautwiderstand zu überwinden), desto gefährlicher, aber sobald die Spannung hoch genug ist (70 V +/-), um den Hautwiderstand zu überwinden, KANN weniger als ein Ampere TÖTEN!

Ich vermute, die Fahrzeuganalogie sollte den Lesern helfen, die Elektronenbewegung zu visualisieren, aber wie sich Elektronen bewegen, hat meiner Meinung nach wenig mit Strom, Spannung und/oder Widerstand zu tun.