Warum fließen Elektronen von einer niedrigeren potentiellen Energie zu einer höheren potentiellen Energie?

Sie verwechseln (elektrostatisches) Potential (auch bekannt als Spannung) mit potentieller Energie.

Ein Elektron hat eine hohe potentielle Energie, wenn es sich an einem Ort befindet, der einem negativeren Potentialwert zugeordnet ist, und eine niedrige potentielle Energie, wenn es sich an einem Ort befindet, der einem positiveren Potential zugeordnet ist.

Der Grund dafür ist, dass es zwei Arten von elektrischer Ladung gibt: positive und negative, die anziehende Kräfte aufeinander, aber abstoßende Kräfte auf sich selbst ausüben. Ein positiveres Potential wird durch eine Ansammlung positiver Ladung (die negativ geladene Elektronen anzieht) erzeugt, und ein negativeres Potential wird durch eine Ansammlung negativer Ladung (die Elektronen abstößt) erzeugt.

Die Wahl, eine Ladungsart als negativ und die andere als positiv zu definieren, wurde willkürlich getroffen, bevor das Elektron (mit negativer Ladung) als primärer Stromträger in metallischen Leitern identifiziert wurde. Als dies entdeckt wurde, war es zu spät, um zurückzugehen und die Ladungspolaritäten für die Bequemlichkeit der Ingenieure neu zu definieren. In jedem Fall sollte Ihnen die "verwechselte" Polaritätsdefinition helfen, sich daran zu erinnern, dass Elektronen nicht die einzigen Ladungsträger sind und sich bei Vorhandensein anderer Ladungsträger möglicherweise anders als Elektronen verhalten.

Um Elektrizität zu verstehen, muss man auf die atomare Ebene heruntergehen.

Das vereinfachte Modell eines Atoms besagt, dass es einen Kern aus Protonen und Neutronen hat, der von Elektronen umgeben ist, die ihn umkreisen.

Die Protonen haben eine positive Ladung und die Elektronen eine negative Ladung. Welche Polarität wurde entdeckt, nachdem das Konzept / der Standard positiver und negativer Spannungen erstellt wurde.

Normalerweise gibt es genauso viele Elektronen wie Protonen. Dadurch heben sich die Ladungen auf und das Atom als Ganzes hat keine Nettoladung.

Allerdings sind die Elektronen nur lose an das Atom gebunden und es ist relativ einfach, ein Atom aus der Umlaufbahn zu zwingen. Wenn dies geschieht, hat das Atom eine positive Ladung und wird zu einem ION. Das freie Elektron hat natürlich eine negative Ladung. Als solches gibt es jetzt eine Kraft zwischen dem ION und dem freien Elektron, die sie wieder zusammenzieht. Diese Kraft ist das elektrische Potential zwischen den beiden.

Bei einer Batterie oder einer anderen Stromversorgung zwingt der Mechanismus der Stromversorgungsbatterie eine große Anzahl von Elektronen, ihre Atome zu verlassen und sich am negativen Pol anzusammeln, ähnlich wie das Teilen des Meeres. Dies bedeutet, dass zwischen den beiden eine Kraft besteht, die wir als Spannung an den Anschlüssen messen können. Der Aufbau einer Batterie oder Stromversorgung ist so, dass die Elektronen getrennt gehalten werden und nicht durch die Versorgung zurückkehren können.

Wenn Sie einen Draht oder eine Last über die Anschlüsse anschließen, bieten Sie den Elektronen einen Weg, um an den Ionen in ihren natürlichen Zustand zurückzukehren.

Ganz so einfach ist es jedoch nicht.

In dem Draht dazwischen befinden sich weitere Atome, die von ihren Elektronen umschwirrt werden. Wenn Strom fließt, hüpfen Elektronen in einer Art langer Kette von Atom zu Atom, ähnlich einer Eimerkette. Wenn jedes Elektron vorwärts springt, hinterlässt es ein Ion, das ein Elektron vom vorherigen Atom anzieht und immer weiter den Draht hinunter.

Wie schnell sich die Elektronen bewegen, hängt nur geringfügig von der Spannung an den Anschlüssen ab. Wie viele davon sich gleichzeitig bewegen, hängt von der Spannung ab. In Wirklichkeit bewegen sie sich einzeln ziemlich langsam.

Es ist, als würden diese Leute auf der Brücke laufen.

Sie gehen alle ungefähr gleich schnell, aber es drängeln so viel mehr Menschen, um die Spitze zu überqueren, dass der gesamte "Strom" von Körpern groß ist. Der arme weiße Kerl auf dem Träger ist ganz allein, die "Strömung" auf diesem Weg ist gering.

Der Elektronenfluss beruht hauptsächlich darauf, dass sich Gegensätze anziehen und Gleiches abstoßen.

Wenn Sie also mehr Elektronen als Protonen an einem Ort haben, neigen die Elektronen dazu, sich gegenseitig abzustoßen und von diesem Ort zu einem anderen Ort zu fließen, an dem mehr Protonen sind – idealerweise werden sie von einem Ort angezogen, an dem mehr Protonen sind als Elektronen, aber selbst wenn das nicht verfügbar ist, reicht ein Ort, an dem es weniger Überfluss an Elektronen gibt.

Was die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen betrifft: Es hängt davon ab, wovon genau Sie sprechen. Ein Elektron umkreist normalerweise den Kern eines Atoms mit einer ziemlich festen Geschwindigkeit. Die Spannung hat keinen nennenswerten Einfluss darauf.

Ein Signal, das sich durch einen Leiter ausbreitet, bewegt sich normalerweise mit etwa 2/3 ^der Lichtgeschwindigkeit. In diesem Fall kommt es nicht auf die Spannung oder den Leiter selbst an, sondern auf die Dielektrizitätskonstante des Isolators, der den Leiter umgibt (eine niedrigere Dielektrizitätskonstante führt zu einer schnelleren Ausbreitung).

Spannung ist die Fähigkeit, den elektrischen Widerstand zu überwinden – um trotz des höheren elektrischen Widerstands mehr Elektronen dazu zu bringen, durch einen Leiter zu fließen.

Stellen Sie sich für eine lockere Analogie eine Person vor, die ein schweres Gewicht drückt. Eine höhere Spannung entspricht einer Person, die stärker ist, sodass sie ein schwereres Gewicht bewegen kann. Ein schweres Gewicht schieben zu können bedeutet nicht unbedingt, dass er besonders schnell laufen kann.

Bei konservativen Feldern, wie dem elektrischen (elektrostatischen) Feld, die Kraft auf ein geladenes Teilchen mit Ladung$q$aufgrund des elektrischen Feldes ist gegeben durch:

$$F = -q\frac{dV}{dx}$$ Aus dem Newtonschen Gesetz wissen wir, dass sich jedes Teilchen in die Richtung der auf es ausgeübten Nettokraft bewegt. Wenn keine andere Kraft vorhanden ist, wird nur die elektrostatische Kraft auf das Partikel ausgeübt (gegeben durch die obige Gleichung). Und aus der Gleichung geht klar hervor, dass die Kraft in Richtung abnehmenden V wirkt (weil negativ $dV$macht die rechte Seite positiv). Somit bewegt sich jedes geladene Teilchen von einem Bereich mit höherem Potential zu einem niedrigeren, wenn nur die elektrostatische Kraft auf es einwirkt.

Alle haben sehr gut geantwortet. Lass es mich anders erklären:

Betrachten Sie zwei Punkte A und B. A sei auf höherem Potential (mehr positive Ladungen) und B auf niedrigerem Potential (weniger positive Ladungen). Die Richtung des elektrischen Nettofeldes verläuft immer vom höheren Potential zum niedrigeren Potential (dh von A nach B). Nun ist die Kraft F auf eine Ladung q in diesem elektrischen Feld E gegeben durch:

$$F = q.E$$ wobei F und E Vektoren sind.

jetzt wissen wir, dass hier q für ein Elektron negativ ist. Aus der Gleichung ist also ersichtlich, dass die Kraft auf Elektronen in die entgegengesetzte Richtung zum elektrischen Feld wirkt. Daher bewegen sich Elektronen von B nach A, dh von einem niedrigeren Potential zu einem höheren Potential.

Du hast es falsch herum.

Wenn wir eine Batterie haben und einen Leiter zwischen den Anschlüssen anschließen, bemerken wir, dass ein Strom fließt. Wir stellen fest, dass dieser Strom Wärme im Leiter ablagert.

Wenn wir sorgfältig experimentieren, den Strom messen, die Leistung messen, stellen wir fest, dass ihr Verhältnis gut ist, und wir können es mit der Spannung der Batterie identifizieren. Wenn wir Batterien in Reihe schalten, addieren sich ihre Spannungen und alles funktioniert.

Warum das alles passiert, weiß niemand .

Es gibt alle Arten von „Erklärungen“, die wirklich Möglichkeiten sind, auf verschiedenen Ebenen zu rechnen, um vorherzusagen, was passiert. Mit Volt und Ampere rechnen wir mit der Schaltungstheorie. Mit Elektronenladung und -feldern ist es elektronische Physik. Bei Photonen und QED ist es die Quantenmechanik.

Sie können jede von ihnen verwenden, um zu erklären, was vor sich geht, wenn Sie die Gültigkeit der zugrunde liegenden Annahmen für selbstverständlich halten. Wenn Sie fragen, warum , dann tauchen Sie immer tiefer in den Kaninchenbau ein, und die ultimative Antwort lautet: „Weil das Universum so funktioniert“.