Zum Beispiel werden Leute manchmal fragen, ob es wichtig ist, auf welcher Seite einer Komponente Sie einen Widerstand platzieren. Überraschenderweise spielt das keine Rolle, denn Elektronen verhalten sich, als wären sie alle auf einem Förderband miteinander verbunden – stoßen sie an einer Stelle auf Widerstand, verlangsamen sie sich überall sonst. Es ist nicht so, dass es auf der einen Seite sehr schnell und auf der anderen dann langsamer ist.
Warum ist das so? Woher "wissen" die Elektronen, dass sie langsamer werden sollen, bevor sie tatsächlich auf einen Widerstand treffen, der sich möglicherweise auf der anderen Seite einer Komponente befindet?
Woher "wissen" die Elektronen, dass sie langsamer werden sollen, bevor sie tatsächlich auf einen Widerstand treffen, der sich möglicherweise auf der anderen Seite einer Komponente befindet?
Das tun sie eigentlich nicht. Wissen Sie, das ist.
Es gibt drei Teile dieser Antwort. Erstens treffen sie möglicherweise niemals auf einen Widerstand auf der anderen Seite einer Komponente. Wenn man bedenkt, dass die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem Kupfer irgendwo im Bereich von Mikron/s liegt, ist es wahrscheinlich, dass Ihr bestimmtes Elektron diesen Widerstand niemals erreicht, bevor Sie Ihren Stromkreis ausschalten.
Zweitens ist das, was Sie als "Förderband" bezeichnen, eigentlich ein Energiefluss , nicht die Bewegung von Elektronen. Und die Energieübertragung findet nahe der Lichtgeschwindigkeit statt, die schnell, aber nicht augenblicklich ist. Folglich treten Änderungen oder Unterbrechungen in einem Stromkreis nicht sofort auf , es sieht aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Wellenausbreitung nur so aus.
Und schließlich, wenn Sie eins und zwei zusammenzählen, „verlangsamt“ der in einem Stromkreis platzierte Widerstand die Elektronen auf einem Förderband nicht. Es erschwert die Energieübertragung, sodass der gesamte Energiefluss im Kreislauf reduziert wird.
Die Analogie mit Wasser in Rohren, obwohl es nützlich ist, ist technisch falsch, da die Geschwindigkeit des Wasserflusses gemäß dem Bernoulli-Prinzip vom Rohrdurchmesser abhängt. Außerdem ist die Menge an Elektronen in einem Leiter enorm . Wenn Sie Strom wirklich mit Wasser vergleichen wollen, sollten Sie mindestens einen Fluss heranziehen.
Jetzt muss der Fluss nicht schnell fließen, um verschwendete Energiemengen zu transportieren. Stellen Sie sich die Kraft des Wassers vor, das auf das in den Fluss gesenkte Wasserrad drückt. Je größer das Rad, desto mehr Leistung wird erzeugt. Mit einem ausreichend großen Rad kann sogar ein langsamer Fluss eine enorme Kraft erzeugen.
Was passiert also, wenn es Ihnen irgendwie gelingt, einen Fluss flussaufwärts zu blockieren? Die Fließgeschwindigkeit wird ziemlich gleich bleiben, aber der Pegel würde sinken, und damit auch der Druck auf unser hypothetisches riesiges Wasserrad. So funktioniert ein Widerstand in einer Schaltung. Es ist auch wichtig zu beachten, dass es eine gewisse Verzögerung zwischen dem Blockieren des Upstreams und dem Reduzieren der Leistung des Downstreams geben wird, genau wie es bei Elektrizität der Fall ist, nur auf unterschiedlichen Zeitskalen.
Für eine ausgezeichnete eingehende Diskussion dieses Teils der Schaltkreisphysik siehe Lehrbuchmaterialien "Matter and Interactions", Chabay und Sherwood, insbesondere diesen Artikel über Elektronen und Schaltkreise (pdf)
Woher wissen die Elektronen das? Sie kommunizieren über E-Felder miteinander; über Spannungsänderungen. Aus technischer Sicht dreht sich alles um Spannungsteiler und winzige Kondensatoren.
Anstatt eine Schaltung mit Drähten aufzubauen, verwenden Sie 1-Ohm-Widerstände für Ihre Leiter und schließen Sie 1-pF-Kondensatoren zwischen jedem Teil Ihrer Schaltung an. Diese Kondensatoren stellen die Spannungsfelder dar, die im Raum um die Leiter herum vorhanden sind.
Anfänglich haben alle Kondensatoren Null Volt an sich. Wenn nun plötzlich die Stromversorgung angeschlossen wird, wie schnell verschieben sich die Kondensatorspannungen? Sie alle passen sich mit RC von weniger als Nanosekunden an. Eine „Spannungswelle“ breitet sich im Wesentlichen mit Lichtgeschwindigkeit über den Stromkreis aus. (Das passiert tatsächlich. Alle Leiter, Elektronen und Komponenten kommunizieren miteinander, im Wesentlichen sofort: Nanosekunden.)
Nachdem sich die Kondensatorladungen nicht mehr ändern, haben alle Ihre 1-Ohm-Leiter eine (kleine) Spannung entlang ihnen, daher existiert im Inneren ein längsgerichtetes E-Feld. Dieses Feld übt eine Kraft auf die Elektronen des Kupfers aus, und sie alle bewegen sich als Reaktion darauf und erzeugen einen bestimmten Strom. (In einem einzelnen Draht bewegen sich alle Elektronen gemeinsam, als würde man an einer Kette ziehen oder einen Stab schieben. Drähte enthalten unsichtbare Elektronensäulen.) Der Strom in jedem Widerstandsdraht ist proportional zu V/R: der Spannung entlang jeder "Draht", geteilt durch den kleinen Drahtwiderstand.
Die Spannungen in Ihrem Netzwerk aus 1-Ohm-Widerständen passen sich selbst an, genau wie jeder Spannungsteiler. Diese Spannungen bestimmen dann die Ströme. Die Spannungen sagen den Elektronen, wie sie fließen sollen.
Hier ist die Schlüsselfrage: Was passiert, wenn wir einen langen Draht entfernen (entfernen oder sogar seinen Widerstand kurzschließen?) Alle Kondensatorspannungen werden sich sofort neu einstellen. Eine „Nachjustierungswelle“ breitet sich über den gesamten Kreislauf aus. Die Knotenspannungen sind jetzt alle unterschiedlich. Dies informiert alle Elektronen in den 1-Ohm-Widerständen, ihre Geschwindigkeit (ihren Strom) zu ändern.
Kernpunkt: Wie bei Rohrleitungen ist der elektrische Strom proportional zur Geschwindigkeit der Teilchen. Hochstrom sind schnelle Elektronen. Nullstrom ist nur angehaltene Elektronen. Und Wechselstrom ist wie ein schwingender Antriebsriemen, bei dem die Ladungen wackeln, wenn sich die Energiewellen ausbreiten. In Schaltkreisen ist Energie immer EM-Welle, und die Elektronen in Leitern sind das "Medium" für die Wellenausbreitung. Die langen Elektronensäulen sind nicht wie ein Antriebsriemen. Sie sind eigentlich ein Antriebsriemen, keine Analogie. Sie werden dazu getrieben, sich sehr langsam im Kreis zu bewegen. Gleichzeitig liefern sie sofort Energie an alle Teile dieses Kreises. Das ist die Funktion von Antriebsriemen, ob aus sichtbarem Gummi oder aus dem unsichtbaren „Elektronenmeer“ in einer Metallschlaufe.
W5VO