Verringert eine Spannungsabnahme die Geschwindigkeit von Elektronen in einer Reihenschaltung?

Neils Erklärung ist gut, aber ich dachte, ich gebe nur eine andere Betrachtungsweise.

Sie hatten völlig Recht, als Sie sagten, dass der Strom im gesamten Stromkreis konstant ist. Angenommen, wir haben eine 5-V-Quelle und verwenden Drähte, um sie mit einem Widerstand zu verbinden.

Ich denke, Sie könnten verwirrt sein, wenn Sie denken, dass die gesamte Energie, die der Strom enthält, in seiner Bewegung steckt (kinetische Energie), während es sich fast ausschließlich um potenzielle Energie handelt (Sie bemerken sie nicht wirklich, bis Sie mit einem Ort mit einem anderen Potenzial verbunden sind). Deshalb gibt es viele Hinweise auf die Schwerkraft. Hier noch ein Bild des Problems:

Sie halten die Murmeln auf der Spitze eines Hügels – sie haben eine potenzielle Energie von 5 V. Sie lassen sie auf dieses -fast- perfekt glatte Eis mit einem sehr kleinen Gradienten - das sind die Elektronen, die durch den Draht gehen - sie verlieren ein wenig potentielle Energie. Dann kommen Sie zu einem Widerstand – dies ist ein extrem rauer Grasfleck, aber auf einem sehr steilen Stück des Hügels. Die Murmeln behalten ihre Bewegung bei, aber es erfordert einen Verlust eines Großteils ihrer potenziellen Energie, wenn sie sich gegen das Gras bewegen. Schließlich gibt es auf der anderen Seite einen weiteren Abschnitt mit einem kleinen Gefälle aus leicht rauem Eis des Drahtes. Insgesamt behielten die Murmeln ihre Bewegung durchgehend bei, jedoch auf Kosten unterschiedlicher potentieller Energien an verschiedenen Orten.

Eine andere Bemerkung darüber, wie Elektronen tatsächlich in den Metallen wirken, die Sie meiner Meinung nach interessant finden könnten. Ohne angelegte Spannung fliegen Elektronen in beide Richtungen des Drahtes herum - mit etwa einer Million km pro Stunde - sehr schnell, aber in beide Richtungen, sodass kein Gesamtstrom fließt! Wenn eine Spannung angelegt wird, fliegen sie immer noch extrem schnell in beide Richtungen, aber jetzt gibt es auch einen kleinen Gesamttrend der Bewegung (dies wird Driftgeschwindigkeit genannt). Und wenn ich klein sage, meine ich nur etwa ein paar Meter pro Stunde – wirklich klein! Diese Massenbewegung bezeichnen wir als Stromfluss.

Stellen Sie diese Art von Fragen aber weiter, es ist eine gute Überlegung!

Stellen Sie sich eine Reihenschaltung wie eine Kaskade kleiner Wasserfälle vor.

Das Wasser kommt oben mit der gleichen Strömungsgeschwindigkeit an, die es unten verlässt, die Strömungsgeschwindigkeit entspricht der Strömung. Platzieren Sie einen Querschnitt an einem beliebigen Punkt dazwischen, und Sie haben immer noch das gleiche Wasservolumen, das diese Ebene durchquert. Sie können die Durchschnittsgeschwindigkeit von Ladungsträgern mit der Geschwindigkeit des Wassers gleichsetzen, höher durch ein dünnes Rohr, langsamer in einem breiten Leiter.

Die Höhe des Wassers entspricht der Spannung. Es ist die potenzielle Energie, die das Wasser an diesem Punkt hat, seine Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Der Gesamtabfall von oben nach unten ist gleich der Summe der einzelnen Tropfen auf dem Weg nach unten. Es spielt keine Rolle, ob es zuerst einen großen Tropfen und dann einen kleinen Tropfen gibt, die Höhen summieren sich zur Gesamthöhe.

„Warum“ ist etwas schwieriger zu beantworten, es kann nur im Zusammenhang mit dem beantwortet werden, was Sie für offensichtlich halten. Wir beobachten, dass es einfach so ist. Wenn Sie den Erklärungen den ganzen Weg nach unten nachjagen, landen Sie bei der Quantenmechanik, die für niemanden offensichtlich ist.

Aber wenn das Bauteil die Energie verbraucht und eine Potentialdifferenz von 5 V erzeugt, nimmt die Energie pro Ladungseinheit ab, also ändert sich der Strom in einer Reihenschaltung immer nach dem Bauteil?

Der Strom in einem Stromkreis ist konsistent. Was von der Quelle hineingeht, muss zur Quelle zurückkehren.

Oder ist die Kursänderung zu unbedeutend und wir ignorieren sie.

Nein, es gibt kein Fudge oder Betrug.

Natürlich ist der Strom in einer Reihenschaltung überall gleich, wenn nicht, würde es einen seltsamen "Stau" von Elektronen im Draht geben. Kann ich also wissen warum?

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Abbildung 1. Ersatzschaltungen.

Vielleicht hilft Bild 1 weiter. Hier versorgt Ihre 5-V-Versorgung eine Last R1 und es fließen 50 mA. Im Ersatzschaltbild haben wir die Last in fünf gleiche Teile aufgeteilt. Der Spannungsabfall über jedem Teil beträgt jetzt 1/5 × 5 V = 1 V durch 1/5 des Widerstands, sodass der Strom gleich bleibt, 50 mA. Sie können R1 so oft teilen, wie Sie möchten, und die Spannung an jedem Element nimmt proportional ab, aber der Strom bleibt im gesamten Stromkreis gleich.

Abbildung 2. Ein geschlossener Kreislauf einer Fahrradkette. Bildquelle: Student der Technik .

Es kann Ihnen helfen, sich den Ladungsfluss eher wie eine Fahrradkette vorzustellen. Das Pedalkettenrad ist die Kraftquelle und das hintere Kettenrad ist die Last. Beim Treten ist das Oberteil gespannt und das Unterteil locker, aber es werden keine Glieder verbraucht oder gehen während der Fahrt verloren. Die Kette fließt in einem geschlossenen Kreislauf und gliedert sich in den Antrieb ein = Glieder werden vom Antrieb zurückgeführt.

Ich beschloss, es noch einmal mit der Driftgeschwindigkeitsformel zu versuchen. I = nAvQ, wobei n die Anzahl der Elektronen/m^3 ist, A die Querschnittsfläche des Drahtes ist, v die Driftgeschwindigkeit der Elektronen ist, Q die Ladung eines Elektrons ist. Um den Strom in einer Reihenschaltung bei einem Spannungsabfall über dem Widerstand gleich zu halten, muss einer der Werte steigen, da die Driftgeschwindigkeit abnimmt. Dies sollte meiner Meinung nach dazu führen, dass das Material eine höhere Elektronendichte aufweist, um den gleichen Strom zu liefern. Aber dann ist die Elektronendichte eine Konstante. Korrigieren Sie mich, damit ich die Antwort löschen kann.

Ja, die Geschwindigkeit der physikalischen Elektronen nimmt ab, wenn die Spannung sinkt, weil es einen Stromabfall verursacht, wenn der Widerstand unverändert bleibt. Weniger Strom (Ampere) bedeutet, dass weniger Elektronen (Coulomb) durch den Draht wandern.

Wenn der Draht und die Pfade gleich bleiben, treten weniger Elektronen in den Draht und die Komponenten der Schaltung ein und verlassen ihn. Wenn also die Dichte der Elektronen und der Durchmesser des Drahtes unverändert bleiben, müssen sie sich langsamer bewegen und dieselbe Bahn zurücklegen.

Bitte werfen Sie einen Blick auf den Wikipedia-Artikel über Driftgeschwindigkeit ; Das Zahlenbeispiel gibt Ihnen zusätzliche Einblicke.