Warum bleibt der Strom in einem Stromkreis gleich?

Elektronen sind überall in einem Stromkreis vorhanden. Wenn eine Potentialdifferenz an den Stromkreis angelegt wird, baut sich im gesamten Stromkreis fast mit Lichtgeschwindigkeit ein elektrisches Feld auf. Elektronen in jedem Teil des Stromkreises beginnen unter dem Einfluss dieses elektrischen Feldes zu driften und ein Strom beginnt sofort im Stromkreis zu fließen.

Dabei ist zu beachten, dass bei konstant angelegter Potentialdifferenz wie bei einer DC-Batterie das elektrische Feld konstant bleibt und damit auch der Strom konstant bleibt.

Okay, das lässt sich eigentlich ganz einfach erklären, ohne zu viele Gleichungen und nur eines zu beachten: In einem Metall kann sich keine Ladung ansammeln .

Mit anderen Worten, Elektronen werden sich niemals in einem Draht ansammeln. Wenn sie es täten, auch nur für eine winzige Zeitspanne, dann würden sie sich gegenseitig sehr stark abstoßen$1/r^2$Abhängigkeit der elektrischen Kraft, die Elektronen aufeinander ausüben, bis sie wieder ziemlich gleichmäßig über das Metall verteilt waren.

Nun, was bedeutet das? Wenn sich die Elektronen nicht ansammeln können, bedeutet dies, dass, wenn wir die Geschwindigkeit der Elektronen messen würden, die durch eine beliebige Querschnittsfläche eines Drahtes oder eines Widerstands in einer Schaltung fließen (ich gehe hier von einer Reihenschaltung aus), dies der Fall sein muss für alle Querschnittsflächen gleich sein !

Aber per Definition von Strom (die Menge an Ladung, die pro Sekunde durch eine Querschnittsfläche eines Metalls fließt) bedeutet das, dass der Strom in der (Reihen-) Schaltung überall gleich sein muss ! Sonst würden sich Elektronen anhäufen.

Jetzt werde ich Ihre Verwirrung direkter ansprechen: der Strom durch eine Glühbirne.

Was passiert an der Glühbirne?

Also zuerst, ja, Sie haben Recht, wie Glühbirnen funktionieren. In einem Glaskolben befindet sich ein sehr dünner Wolframfaden, und wenn ein Strom durch ihn fließt, emittiert er Licht. Ich erkläre warum:

Wolfram hat zwei Eigenschaften, die es zum perfekten Material für die Zusammensetzung des Glühfadens einer Glühbirne machen:

1. Es hat einen extrem hohen Schmelzpunkt.
2. Es ist ziemlich leitfähig.

Genauso wie Wasser in einem einzelnen Rohr mit zwei Abschnitten mit unterschiedlichen Radien mit einer höheren Geschwindigkeit durch die dünneren Abschnitte des Rohrs fließt, müssen Elektronen "fließen", wenn wir den Wolframfaden superdünn machen ( Drift) schneller durch das Filament, das dünner ist als der Rest der Schaltung, damit sich nirgendwo auf der Schaltung Ladung aufbaut. Je dünner wir es machen, desto größer ist die Geschwindigkeit, die Elektronen haben, wenn sie es durchqueren!

Sidetrack, aber deshalb gibt es einen größeren Spannungsabfall durch dünnere Widerstände. Damit sich Elektronen nicht innerhalb des Schaltkreises aufbauen, müssen sie schneller durch die dünnen Teile fließen, und damit sie schneller durch die dünneren Teile fließen (driften), muss ein größeres elektrisches Feld sie durch die dünnen Widerstände drücken . Ein größeres elektrisches Feld bedeutet einen größeren Spannungsabfall!

Da sich Elektronen jetzt superschnell durch den dünnen Wolframfaden bewegen, prallen sie auch häufiger auf die Atome des Wolframfadens als auf die Atome anderer Teile des Stromkreises. Dadurch beginnen die Wolframatome sehr schnell zu vibrieren, was den Wolframfaden auf extrem hohe Temperaturen erhitzt (daher war es wichtig, darauf zu achten, Wolfram oder ein anderes Metall mit einem hohen Schmelzpunkt zu verwenden) .

Uuund, wenn das Wolfram auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird, fangen seine Atome an zu leuchten!! (Aaaand ich könnte mehr darauf eingehen, warum dies passiert, wenn Sie möchten, aber ich denke, es würde den Rahmen dieser Frage sprengen ...)

Hoffe das hat geholfen!

Das Originalplakat erklärte unmissverständlich, dass es um die Frage nach räumlicher Abhängigkeit gehe, nicht um zeitliche, also um einen Teilfall des Kirchhoffschen Stromgesetzes .

Winzige Elektronen sind keine Dinge, die elektrische Schaltkreise auf hohem Niveau intakt halten; sie sind nur Ladungsträger . Es ist eine gute Metapher: Wenn Sie eine Post versenden, kümmern Sie sich nicht um die Transportunternehmen und deren Geschwindigkeit; Sie kümmern sich um die Integrität der Post und die Lieferbedingungen. Für eine Erklärung , wie diese Integrität entlang einer nicht verzweigten Schaltung sichergestellt wird, lesen Sie Warum ist der Widerstand nicht proportional zum Quadrat der Entfernung

Sehen Sie sich Kirchhoffs aktuelles Gesetz an .

Es ist einfach Ladungserhaltung. Wenn ein Strom von 2 C/s hineinfließt, müssen 2 C/s herausfließen. Denn Ladung wird nirgendwo angesammelt. Der Zufluss muss an jedem einzelnen Punkt in einem stationären Kreislauf gleich dem Abfluss sein. Mathematisch:

• Wenn Sie in einer Reihenschaltung nur einen Pfad haben, muss der gesamte Strom auf diesem Pfad abfließen. Der Strom, der in den nächsten Punkt auf dem Pfad eintritt, ist also immer noch der ursprüngliche Strom. Durch den gesamten Stromkreis ist der Strom also an jedem Punkt gleich.
• In einer Parallelschaltung kann sich ein Pfad in zwei Teile aufteilen, sodass der eingehende Strom aufgeteilt werden kann und kleinere Teile jeden Pfad nehmen - insgesamt muss die Summe an jedem Punkt Null sein, sodass der Strom entlang jedes Pfads jetzt nicht unbedingt gleich ist. So kann der Stromfluss kontrolliert werden.

Der Strom fließt in den Drähten eines Stromkreises, getragen von der Bewegung der Elektronen. Wenn Sie zu einem bestimmten Zeitpunkt den Strom an zwei verschiedenen Stellen im selben Kabel messen, erhalten Sie denselben Messwert. Dies ist das aktuelle Gesetz von Kirchhoff in Aktion: Der gesamte Strom, der in einen Punkt in einem Stromkreis eintritt, muss diesen Punkt verlassen. Jeder Punkt auf Ihrem Draht kann als "Knoten" angesehen werden, von dem zwei Strompfade ausgehen.

Eine Möglichkeit, dies zu betrachten, besteht darin, sich den Stromfluss durch einen Draht vorzustellen, ähnlich wie Wasser, das in einem Rohr fließt. (Eigentlich verabscheue ich diese Analogie, aber sie ist einfach genug.) Wenn Sie den Durchfluss an zwei verschiedenen Punkten im selben Rohr messen, sind die Messwerte gleich, solange Sie das pro Zeiteinheit fließende Wasservolumen betrachten. in beliebigen Einheiten, zum Beispiel Kubikmeter pro Sekunde. Wenn es kein Leck gibt, muss das Wasser durch das Rohr fließen. Dasselbe gilt für die Elektronen: Wenn kein Fehler oder Kurzschluss vorliegt, müssen die Elektronen durch den Draht gehen.

Sowohl in der Energieerhaltung als auch im Kirchhoffschen Gesetz wird vorgeschlagen, dass jede Form von Energie, einschließlich Strom, nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Wenn dies der Fall ist, muss der Strom gleich bleiben, denn wenn er ansteigt, häufen sich Elektronen an, und wenn er abnimmt, entstehen große Lücken zwischen den verschiedenen Elektronen, wodurch der Stromkreis langsamer wird und der Stromkreis schließlich endet.

Dies wird in der wissenschaftlichen Gleichung bewiesen$\sum I_{IN} = \sum I_{OUT}$.

Dies liegt einfach an der Ladungserhaltung.