Warum gibt es AUSSERHALB einer Batterie ein elektrisches Feld?

Anders gesagt: Die Spannung an den Kondensatorplatten ist gleich der Spannung an den Anschlussdrähten, aber der Abstand zwischen den Kondensatorplatten ist sehr klein. Dies bedeutet, dass das E-Feld zwischen den Platten (Volt/Meter) viel intensiver ist als das E-Feld zwischen den beiden Drähten.

Das E-Feld zwischen den Drähten kann jedoch niemals Null sein, außer wenn die Spannung zwischen ihnen ebenfalls Null ist. Oder wir können den Abstand zwischen den Kondensatorplatten verringern, um das externe E-Feld zu verringern, und wenn der Kondensatorabstand Null ist, wird das auch das externe E-Feld (und natürlich die Kondensatorspannung) entfernen.

Die Situation ist wie bei einem sehr kleinen Kondensator (die beiden separaten Drähte), der parallel zu einem viel größeren Kondensator (der Komponente mit den Mikrofarad) geschaltet ist. Das "Dielektrikum" des kleinen Kondensators ist der leere Raum, der die beiden Drähte umgibt. Wenn wir einen Widerstand über das andere Ende dieser Drähte anschließen, erzeugt das gleiche E-Feld die treibende Kraft, um einen Strom innerhalb des Widerstands zu erzeugen.

Beachten Sie, dass sich bei einem an einen Widerstand angeschlossenen Kondensator das E-Feld im Widerstand nicht in Längsrichtung durch die Drähte erstreckt. Das E-Feld in den Drähten ist nahezu null (und wäre bei Supraleiterdrähten genau null). Was ist also der Ursprung dieses starken E-Felds im Inneren des Widerstands? Es kommt von den Anschlussdrähten! Die Enden des Widerstands haben zwei entgegengesetzte Ladungsanhäufungen auf ihrer Oberfläche, gleiche Polarität wie die Oberflächenladungen auf den Drähten. Der Widerstand selbst ist auch wie ein Kondensator. Aber es ist ein Kondensator mit einem leitfähigen Dielektrikum. Das E-Feld innerhalb des Widerstandsmaterials ist mit den Ladungen am Ende des Widerstands verbunden. Der E-Feld-Fluss erstreckt sich nicht innerhalb der Drähte und zurück zum Kondensator. Mit anderen Worten, der Kondensator lädt die Drähte auf, und die Drähte laden die Endanschlüsse des Widerstands auf, wodurch ein internes E-Feld entsteht, um die mobilen Träger im Inneren des Widerstands zu beschleunigen.

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In einem Parallelplattenkondensator sammeln sich auf der einen Seite Elektronen an und auf der anderen Seite fehlen sie. Da sich eine Platte vor einer anderen befindet, sind die Felder auf jeder gleich groß und entgegengesetzt, und daher sind die Feldlinien gerade (von den Grenzen weg) und heben sich auf.

In einer Batterie wird das Feld chemisch innerhalb der Struktur des Objekts erzeugt. Aufgrund der Form der meisten Batterien ist es aufgrund der Geometrie unmöglich, den Plus- und den Minuspol voreinander zu platzieren, sodass sich die Feldlinien biegen und entweichen müssen.

Wenn Sie eine Batterie z. B. in Form eines Torus herstellen und dann eine sehr dünne Scheibe daraus nehmen könnten, dann wäre das Feld innerhalb dieser Scheibe sehr nahe am Feld eines Parallelplattenkondensators (d. h. Null außerhalb der Scheibe).

Nun, der Grund, warum im Stromkreis Strom fließt, hat nichts mit dem elektrischen Feld zu tun. Da sich auf der einen Seite Ladung ansammelt und auf der anderen Seite fehlt, besteht zwischen den Polen eine elektrische Potentialdifferenz. Die Form des Kondensators/der Batterie spielt hier keine Rolle: Wenn Sie etwas an die Pole/Platten anschließen, fließt ein Strom.

Es gibt auch elektrische Felder außerhalb eines echten Kondensators, eines Kondensators mit endlich großen Platten. Die Energie in einem Kondensator wird im elektrischen Feld gespeichert, und da sich ein Teil des elektrischen Felds außerhalb der Platten befindet, befindet sich ein Teil der Energie auch bereits außerhalb der Platten.

Stellen Sie sich überall im Raum eine Reihe von Oberflächen vor, die orthogonal zum elektrischen Feld sind. Elektromagnetische Energie wandert tatsächlich entlang dieser Oberflächen (in der Richtung, die auch orthogonal zum Magnetfeld ist). Energie kann wie Verkehr fließen, einige gehen nach rechts, während eine möglicherweise gleiche Menge von rechts hereinkommt, also gibt es wie elektrische Feldlinien in diesem Energiefluss Feldlinien beginnen oder enden dort, wo sich die Energiedichte ändert (entweder Wechsel zu elektromagnetischer Energie oder Wechsel von elektromagnetischer Energie). Dort, wo sie enden, beginnt und endet die Energie, so dass ein Widerstand beispielsweise elektromagnetische Energie in Wärme umwandelt, sodass die Feldlinien des elektromagnetischen Energieflusses an Stellen innerhalb eines Widerstands zusammenlaufen.

Wenn Sie also einen Parallelplattenkondensator haben, können Sie sich eine Reihe von Oberflächen vorstellen, die zwischen den Platten geschichtet sind. Wenn Sie beispielsweise einen Widerstand in Ihrem Schaltkreis hätten, gibt es ein elektrisches Feld innerhalb des Widerstands, das den Strom antreibt, sodass die zum elektrischen Feld orthogonalen Oberflächen den Widerstand durchqueren und die Energie von der Batterie (oder dem Kondensator) tatsächlich fließt entlang dieser Flächen. Der Raum außerhalb und zwischen den Drähten ist also für den Energietransport von einer Batterie oder einem Kondensator zu einem Widerstand unerlässlich.

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Wenn sich Ihr Kondensator entlädt, wird die elektrische Feldstärke kleiner und diese Energie ist in den Widerstand geflossen, aber die Energie, die in einem kleinen Moment in den Widerstand fließt, ist Energie aus unmittelbarer Nähe, und kurz vor dem Widerstand gibt es eine hohe Leitfähigkeit Material mit sehr niedrigen elektrischen Feldern, also nicht viel elektromagnetische Energie, so dass die Energie, die der Widerstand in Wärme umwandelt, tatsächlich von den Seiten aus dem "leeren" Raum zwischen den Drähten hereinkommt.

bearbeiten, um auf die Frage zu Feldern in Drähten zu antworten

Wenn Sie sich Abbildung 4 des Links ansehen, sehen Sie, dass nicht nur die obere Platte des Kondensators geladen ist, sondern der gesamte Draht bis zum Widerstand, ebenso der gesamte Draht auf der Unterseite der Weg zur Bodenplatte ist negativ geladen. Weil sie im Grunde ein riesiger Leiter sind, bei dem die Ladung nach außen verteilt ist. Wenn Sie also einen Draht an einen Kondensator anschließen, wird er im Grunde Teil des Kondensators und ist daher nicht mehr wirklich "nur" ein Parallelplattenkondensator.

Das passiert auch bei/mit einer Batterie, wenn man Vollleiter an die Klemmen anschließt. Wenn keiner der Leiter perfekt ist, dann ähneln sie eher Widerständen mit einem wirklich sehr niedrigen Widerstandswert. Sprechen wir also über den Widerstand.

In einem Widerstand haben Sie eine Äquipotentialfläche an einem Ende des Widerstands und dann viele Äquipotentialflächen, die den Widerstand durchqueren, und dann eine letzte Äquipotentialfläche am Ende. Das elektrische Feld ist orthogonal zu den Oberflächen, geht also von einem Ende des Widerstands zum anderen.

Wenn Sie sehen möchten, wie es dorthin gekommen ist, stellen Sie sich einen Schaltkreis mit einem Kondensator (oder einer Batterie) links, einem Schalter oben und einem Widerstand rechts vor. Wenn der Schalter geöffnet ist, liegt der gesamte mit der positiven Klemme/Platte verbundene Draht auf Hochspannung und der gesamte Rest des Stromkreises auf Niederspannung. Zwischen den Platten (oder innerhalb der Batterie) gibt es viele Äquipotentialflächen. Stellen Sie sich diesen oberen Draht vor dem Schalter als eine Burgmauer vor, ganz oben, zwischen den Platten (oder innerhalb der Batterie) gibt es einen Aufstieg vom Boden bis in die Höhe. Aber wenn man den Draht in irgendeiner Richtung verlässt, würde dies zu einem Sturz führen. Insbesondere gibt es viele Äquipotentialflächen zwischen den beiden Enden des Schalters. Wenn Sie beginnen, den Schalter zu schließen, Die Metallenden kommen sich sehr nahe und der Bereich dazwischen wirkt ähnlich wie ein Widerstand mit einem sehr hohen Widerstand, und ein winziger Strom beginnt zu fließen, und diese Äquipotentialflächen fließen mit dem Strom zum eigentlichen Widerstand, wo sie sich ansammeln (da Sie mehr Strom benötigen). um eine Äquipotentialfläche durch einen Widerstand mit endlichem Widerstand zu schieben). Je näher der Schalter der vollständigen Verbindung kommt, desto mehr Strom fließt und je mehr Äquipotentialflächen an den Widerstand gedrückt werden, schließlich wirkt der Schalter wie kein Widerstand und der Strom steigt genug an, um alle Äquipotentialflächen in den Widerstand zu schieben wo sie bleiben (bis die Batterie oder der Kondensator Spannung verliert, und wenn dies beginnt, werden die Oberflächen in die Batterie / den Kondensator zurückgezogen).

Es gab also immer Äquipotentialflächen außerhalb der Drähte, und wenn Sie den letzten Draht in einem Stromkreis anschlossen, gerieten diese Oberflächen in den Draht und damit in den Stromkreis. Diese Äquipotentialflächen, die in die Drähte gelangen, sind dort, wo und wann das elektrische Feld in die Drähte eintritt.