Leuchtet eine Glühbirne aufgrund der Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen oder aufgrund der Wechselwirkung zwischen ihren Atomen und den sich bewegenden Elektronen?

Heute habe ich gelernt, dass Energie durch elektromagnetische Wellen, die durch die Bewegung von Elektronen erzeugt werden, auf eine Glühbirne übertragen wird und gemäß dem Gesetz von Poynting die Richtung dieser Energie senkrecht zum elektrischen Feld ist.

Andererseits wird nach dem, was ich bisher weiß, Licht aufgrund der Wechselwirkung zwischen den Atomen der Glühbirne und den sich bewegenden Elektronen erzeugt, was bedeutet, dass Energie von den sich bewegenden Elektronen getragen wird und nicht von den von den Elektronen erzeugten elektromagnetischen Wellen .

Ich bin neu in diesem Thema, also bin ich verwirrt. Schalten die elektromagnetischen Wellen die Glühbirne oder die sich bewegenden Elektronen in den Drähten ein?

Von was für einer Glühbirne reden wir? Halbleiter-, Bogenentladungs- und Wärmelampen erzeugen Licht auf sehr unterschiedliche Weise.

Antworten (3)

Sie verwechseln zwei verschiedene elektromagnetische Wellen, die hier involviert sind. Ich werde daher ausführlicher darauf eingehen.

  • Die Kabel zwischen dem Kraftwerk in Ihrer Provinz und der Glühbirne in Ihrem Haus sind von einem elektromagnetischen Feld niedriger Frequenz umgeben ( 50 oder 60 Hz, je nach Land). Es ist der Poynting-Vektor dieses niederfrequenten elektromagnetischen Feldes, der Energie in den Glühfaden der Glühbirne liefert (die blauen Pfeile im Bild unten). Bild basierend auf dem von Poynting-Vektoren des Gleichstromkreises , das das elektrische Feld (gelesene Pfeile), das Magnetfeld (grüne Pfeile) und den Poynting-Vektor (blaue Pfeile) zeigt
    Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein
  • Aufgrund dieses elektromagnetischen Feldes bewegen sich die Elektronen im Filament hin und her (mit Frequenz 50 Hertz). Wenn sie sich bewegen, kollidieren sie mit den Metallatomen und übertragen so kinetische Energie auf die Atome, sodass ihre ungeordnete Bewegung zunimmt. Dh die Temperatur steigt sehr stark an ( ≈ 2400 ° C).
  • Entsprechend dieser Temperatur emittiert das Filament elektromagnetische Strahlung mit einem weiten Bereich sehr hoher Frequenzen (ca 10 14 Zu 10 15 Hz), also infrarotes und sichtbares Licht. Siehe auch Schwarzkörperstrahlung für die Physik dahinter.

Also bin ich verwirrt, schalten die elektromagnetischen Wellen die Glühbirne oder die sich bewegenden Elektronen in den Drähten ein?

Wie oben zu sehen ist es beides: Die niederfrequenten elektromagnetischen Wellen schalten die Elektronen in der Glühbirne ein. Und die sich bewegenden Elektronen im Filament schalten die Lichtwellen ein.

Hübsch. Kurze Frage, das em-Feld, das die Elektronen erzeugt, die im Draht hin und her gehen, erzeugt ein em-Feld im Draht, richtig?
@unbehandelte_paramediensis_karnik Ja, es gibt auch ein elektrisches Feld im Draht (ohne dieses würden sich die Elektronen nicht bewegen). Der größte Teil der Feldenergie befindet sich jedoch außerhalb des Drahtes.
Ihre Antwort ist richtig (und ich habe positiv gestimmt), aber es ist selten, dass Leute an 60-Hz-Strom und -Spannung in Bezug auf E & M-Wellen denken, da sich das System im Wesentlichen im Leitungs- (eher als im Strahlungs-) Regime befindet.
Wenn die Feldenergie relevant ist und Strom außerhalb des Kabels fließt, sollte ich in der Lage sein, ihn zu blockieren, indem ich eine unendliche, dünne Schicht aus Supraleiter zwischen Batterie und Licht platziere. Kein Magnetfeld = keine mögliche Energieübertragung.
Ich sehe Thomas, also wenn ich es gut verstehe, wandert die Kraft außerhalb des Drahtes, tritt aber radial nach innen ein, weil sie innerhalb des Drahtes als Joulesche Wärme abgeführt wird. Wenn ich das richtig verstanden habe, dann verstehe ich, was los ist, obwohl ich die Richtung des Poynting-Vektors im Draht nicht überprüft habe.
electrons inside the filament move back and forth- "Hin und Her" ist nicht der Grund, warum sich das Filament erwärmt. Eine Gleichspannung würde keine EM-Wellen erzeugen, aber die Glühbirne wird trotzdem leuchten. Vielleicht können Sie das der Antwort hinzufügen. Es könnte die Verwirrung von OP klären.
@ArchismanPanigrahi Ja, natürlich erwärmt sich das Filament auch, wenn es mit Gleichstrom anstelle von Wechselstrom betrieben wird. Ich habe die Antwort aktualisiert, um sie klarer zu machen.
Nur ein kleiner Teil der Leistung wandert „außerhalb des Drahtes“. Wenn das meiste davon täte, würde in den DC-Fällen nichts aufleuchten. Sofern man nicht mit hohen Frequenzen arbeitet ( > 10 6 Hz) wird die vom Draht abgestrahlte Leistung von der vom Draht geleiteten Leistung in den Schatten gestellt.
Vielen Dank für die Antwort, aber ich bin immer noch etwas verwirrt. Soweit ich verstanden habe, spielen die sich bewegenden Elektronen im Stromkreisdraht KEINE direkte Rolle beim Erhitzen der Glühbirne und interagieren nicht mit den Atomen der Glühbirne, sondern mit der von ihr erzeugten EM-Welle Diese Elektronen übertragen Energie auf die Atome, die die Glühbirne aufheizen, klingt mein Verständnis richtig?

Die Glühbirne leuchtet durch einen mehrstufigen Prozess der Energieumwandlung:

  1. magnetisch zu elektrisch: In den Turbinen/Generatoren des Kraftwerks wird ein Magnetfeld in einer Spule durch Induktion in ein elektrisches Feld umgewandelt (na ja, die Spannung im Kraftwerk könnte auch photovoltaisch sein, aber betrachten wir die Wahrscheinlichkeit dafür Herkunft viel niedriger als heute)
  2. elektrisch zu kinetisch : Sobald Sie den Lichtschalter schließen, beschleunigt das elektrische Feld Elektronen relativ zu Atomkörpern in den Schaltkreisdrähten den ganzen Weg vom Kraftwerk durch die Glühbirne und zurück zum Kraftwerk; da dies nicht schneller als Licht passieren kann, wird dies durch elektromagnetische Wellen übertragen, und da die Elektronen keine hohe Geschwindigkeit aufrechterhalten können (siehe Stufe 3), kann die beteiligte elektromagnetische Energie im Vergleich zur kinetischen Energie der Elektronen beträchtlich sein
  3. kinetisch zu thermisch : die beschleunigten Elektronen stoßen nach der sogenannten mittleren freien Weglänge wieder mit Atomkörpern zusammen; dabei wird ihre gerichtete kinetische Energie (Strom) in die ungerichtete Bewegung der Atome (Wärme) umgewandelt; da der widerstand im draht der glühbirne höher ist als im öffentlichen stromnetz, findet diese umwandlung vorzugsweise in der glühbirne statt
  4. thermisch zu elektromagnetisch: Die ungerichtete Bewegung der Atome der Glühbirne lässt die Elektronen so unregelmäßig und schnell wackeln, dass sie sogenannte Schwarzkörperstrahlung aussenden, eine Mischung aus allen möglichen Frequenzen (dh Farben), die gebündelt ist um eine bestimmte Frequenz herum; die Lage dieser Verteilung der Lichtfarben im elektromagnetischen Frequenzspektrum wird durch die Temperatur des Glühlampendrahtes bestimmt, weshalb sie als Farbtemperatur des ausgestrahlten Lichts bezeichnet wird; je höher die Temperatur, desto höher die am meisten gewichtete Frequenz der Strahlung; Wenn die Temperatur unter ~ 400 ° C liegt, sehen Sie die Strahlung nicht, da sie im unsichtbaren Infrarot liegt. Wenn die Temperatur über 5800 °C steigen könnte, wäre das emittierte Licht blauer als das natürliche Sonnenlicht (aber natürlich sogar über 5800 °CWolframdrähte beginnen zu verdampfen, so dass es technisch nicht möglich ist, eine Glühbirne zum bläulichen Leuchten zu bringen)

In jedem Stadium gibt es eine Eingangsenergieform, eine Ausgangsenergieform und etwas, das die Umwandlung durchführt (ein technisches Gerät, Teil usw.). In der letzten Stufe ist der Input Wärme, der Output ein elektromagnetisches Feld und der Draht der Konverter.

Danke für die Antwort, aber immer noch verwirrt, welche Rolle spielen die EM-Wellen, die von den sich bewegenden Elektronen in den Drähten und dem Poynting-Vektor beim Erhitzen der Glühbirne erzeugt werden?
Wenn Strom fließt, wird die Energie überwiegend in elektromagnetischen Wellen transportiert, die die Drähte umgeben. Die kinetische Energie der Elektronen ist völlig vernachlässigbar.
Jagerber48 Aber laut dieser Antwort wird die kinetische Energie der freien Elektronen in thermische Energie umgewandelt, und das geschieht, weil die Atome der Glühbirne mit den freien Elektronen kollidieren, und es wird nicht erwähnt, dass EM-Wellen mit Atomen der Glühbirne interagieren
@ Jägerber48: Was Sie meinen (Telegrapher-Gleichungen) wird hauptsächlich in Hochfrequenzanwendungen angewendet. Es wird auch relevant, wenn man den Vorgang des Einschaltens der Schaltung in all seinen hässlichen Details beschreiben möchte, aber sobald die anfängliche Störung abgeklungen ist (was bei DC oder nahe DC vergleichsweise schnell passiert, dh bei 50 / 60Hz) sind die elektromagnetischen Wellen völlig uninteressant. Übrigens. Die mittlere freie Pfadtheorie der Leitung in der Festkörperphysik ist kein Kaninchen, das ich aus dem Hut gezaubert habe, aber sie ist wirklich gut etabliert.
@oliver Es stimmt, dass die Leute oft im Zusammenhang mit höherfrequenten elektrischen Signalen über die Theorie der elektrischen Wellenleiter nachdenken. Ob EM-Wellen für Wellen mit niedrigerer Frequenz (wie 50/60 Hz) uninteressant sind, ist eine Meinung. Ob EM-Wellen den Großteil der Energie von der Quelle (Kraftwerk in Ihrem Beispiel) zur Last (Glühbirne) tragen, ist keine Ansichtssache. EM-Wellen transportieren den Großteil der Energie von der Quelle zur Last, selbst in Gleichstrom- und Niederfrequenzschaltungen. Die kinetische Energie der Elektronen, die den elektrischen Strom bilden, ist völlig vernachlässigbar.
AN DER GLÜHBIRNE Was passiert ist, dass die EM-Welle, die von der Quelle gewandert ist, Energie an die Elektronen im Glühfaden der Glühlampe abgibt, wodurch sie innerhalb des Glühfadenkörpers beschleunigt werden. Aufgrund von Kollisionen wird die (niederfrequente) EM-Energie durch die Elektronen in Phononen im Gitter des Filaments übertragen, was zu einer Erwärmung des Gitters führt. Diese Wärme regt dann Valenz- und Konduktanzelektronen im Filament an, die dann zerfallen und Licht emittieren (hochfrequente EM-Energie).
Ich würde also sagen, dass diese Antwort mit Ausnahme von Schritt 2 größtenteils richtig ist. Es sollte einen Schritt vor 2 geben, der erklärt, dass Energie vom Kraftwerk zur Glühbirne über niederfrequente EM-Wellen übertragen wird und nicht über kinetische Energie von Elektronen in den Drähten . Die EM-Wellen liefern dann kinetische Energie an die Elektronen an der Birne (dies ist im Wesentlichen der Schritt 2, wie er mit einigen Modifikationen geschrieben wurde). Der Rest der Antwort ist gut.
@Jagerber48: Vielen Dank für die Antwort, ich glaube, ich habe jetzt alles verstanden
@Jagerber48: Ich habe Schritt 2 erweitert. Da ich selbst keinen Vergleich zwischen der Menge an elektromagnetischer Energie und der kinetischen Energie durchgeführt habe, habe ich mich entschieden, Ihren Einwand in meine eigenen vorsichtigen Worte zu fassen. Ich hoffe du kannst damit leben.

Die freien Elektronen erhalten Energie (über ihre zufällige thermische Energie hinaus) durch ein elektrisches Feld, das sich als Welle ausbreitet. Deshalb erhalten sie diese zusätzliche Energie fast gleichzeitig durch den Glühfaden der Glühbirne, wenn Sie den Schalter schließen. Diese zusätzliche Energie wird durch Kollisionen zwischen den Elektronen und den (schwingenden) Atomen mit Atomen (oder Ionen) des Filaments geteilt. Das Filament wird also heiß.

Ich denke, dass das verwirrende Wort in Ihrer Frage "getragen" ist. Ich würde sagen, dass die Energie von EM-Wellen getragen wird , aber an freie Elektronen und von dort an das Filament selbst als thermische Energie abgegeben wird.

Danke für die Antwort, aber was ist mit den EM-Wellen, die von den sich bewegenden freien Elektronen erzeugt werden und sich in Richtung des Poynting-Vektors ausbreiten, der senkrecht zum elektrischen Feld steht? Sind sie es nicht, die den Atomen der Glühbirne die Energie geben, damit die Glühbirne zu heizen beginnt?
@NazareneChristianSoldier: Nein, direkte Kollisionen mit den sich bewegenden Elektronen sind das primäre Mittel zur Energieübertragung von ihnen auf Atome im Filament. Für den DC-Fall funktioniert alles im Grunde identisch, wo die durchschnittliche Geschwindigkeit der Elektronen im Filament als Ganzes mit der Zeit konstant bleibt. (Einzelne Elektronen beschleunigen immer noch und kollidieren dann, nachdem sie im Durchschnitt die mittlere freie Wegstrecke zurückgelegt haben.)
@ Peter Cordes: Welche Rolle spielen EM und der Poynting-Vektor?
Leuchtet eine Glühbirne aufgrund der Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen oder aufgrund der Wechselwirkung zwischen ihren Atomen und den sich bewegenden Elektronen?
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