Warum gibt es in einem Draht ein elektrisches Feld, obwohl es ein Leiter ist?

Das elektrische Feld in einem Leiter ist Null, wenn sich die Ladungen nicht bewegen. Die Elektronen ordnen sich neu an, um das elektrische Feld aufzuheben (zu versuchen). Das passiert in einem elektrischen Kabel; es gibt keinen widerspruch.

Der Unterschied zwischen einem elektrischen Kabel, das Teil eines Stromkreises ist, und demselben Kabel, das im Raum isoliert ist (wenn kein statisches elektrisches Feld darin vorhanden wäre), besteht darin, dass im ersteren Fall eine EMF-Quelle vorhanden ist, die von einem geladen wird Ende des Kabels und stecke es am anderen Ende ein.

Hier gibt es bereits viele großartige Antworten, aber ich werde versuchen, direkt auf ein Missverständnis einzugehen.

Es ist nicht so, dass es im Inneren des Leiters kein elektrisches Feld geben kann. Tatsächlich muss im gesamten Draht ein konstantes elektrisches Feld vorhanden sein, um einen konstanten Strom zu treiben (es sei denn, wir betrachten Supraleiter, in diesem Fall können die Elektronen dem Stromkreis ohne elektrisches Feld für immer folgen, aber wir sind es nicht 't).

Elektronen werden von Atom zu Atom geschleudert, verlieren all ihre Geschwindigkeit und müssen erneut beschleunigt werden, um den Strom anzutreiben, und damit dies geschieht, brauchen wir ein elektrisches Feld!

Ich meine, stellen Sie sich für eine Sekunde vor, Sie bräuchten kein elektrisches Feld. Das heißt, sobald Sie eine Batterie abgeklemmt und nur zwei Enden des Kabels zusammengesteckt haben, könnten Sie den Strom für immer fließen lassen! (Wieder perfekte Supraleiter, aber normalerweise nicht)

Das Besondere an Leitern ist jedoch nicht, dass im Inneren kein elektrisches Feld vorhanden sein kann, sondern dass das elektrische Feld nicht durch Ladungen im Inneren des Drahtes verursacht werden kann.

Mit anderen Worten, es sind keine Elektronen im Draht, die andere Elektronen in den Draht schieben.

Überlegen Sie, was passieren würde, wenn dies sogar für eine Millisekunde wahr wäre (was der Fall ist, sobald Sie einen Stromkreis anschließen). Stellen Sie sich zunächst vor, wir haben nur ein Stück Draht und möchten, dass Strom fließt, ohne dass es an eine Batterie angeschlossen ist. Um aufgrund der Elektronen INNERHALB des Drahtes ein elektrisches Feld zu haben, müssten sich in einem Teil des Drahtes mehr Elektronen befinden als in einem anderen, denn wenn sie gleichmäßig verteilt wären, gäbe es kein elektrisches Nettofeld. Sicher, die Elektronen, die näher beieinander liegen, würden die vorderen nach vorne schieben, aber sie würden sich auch gegenseitig in eine Reihe zufälliger Richtungen schieben. Und sie werden sich gegenseitig in zufällige Richtungen schieben, bis entweder überhaupt kein Ladungsungleichgewicht mehr besteht oder sie sich nicht mehr schieben können, sie so weit wie möglich voneinander entfernt sind,

Es kann also kein Ungleichgewicht in einem Stück Draht geben. Jetzt verbinden wir beide Enden mit jedem Ende einer Batterie und vervollständigen einen Stromkreis. Was geschieht?

Die Batterie verursacht offensichtlich an beiden Enden ein elektrisches Feld, wodurch sich für eine Millisekunde mehr Elektronen auf dem Drahtstück aufbauen, das mit dem Minuspol der Batterie verbunden ist, und Elektronen aus dem Draht in Richtung der positiven Seite der Batterie fliehen. Erzeugen eines Ladungsungleichgewichts innerhalb des leitenden Drahts. Die Elektronen mögen es jedoch nicht, so dicht aneinander geschoben zu werden, also schießen sie in willkürliche Richtungen ab: Manche bleiben stehen und lassen die anderen fliehen, manche nach vorne, manche vielleicht sogar nach hinten und manche an die Oberfläche des Drahts . Betrachten wir jeden von ihnen im Detail:

1. Diejenigen, die nach hinten geschoben wurden (zurück zum Minuspol der Batterie), wurden zu einem Ort geschoben, an dem noch mehr Elektronen zusammengeschoben wurden. Sie wollen wirklich nicht dort sein, also werden sie auch noch einmal in eine zufällige Richtung geschoben.

2. Diejenigen, die nach vorne geschoben wurden, erzeugen ein Ladungsungleichgewicht in dem Bereich direkt vor ihnen, dorthin, wo sie geschoben wurden, und das mögen sie nicht, also werden Elektronen in diesem neuen Bereich wieder in eine zufällige Richtung geschossen. Beachten Sie jedoch, dass das Ladungsungleichgewicht, das in diesem Bereich für die Millisekunde erzeugt wurde, geringer war als das Ladungsungleichgewicht, das dort erzeugt wurde, wo diese Elektronen herkamen (näher am negativen Pol), da nur einige der Elektronen in diese Richtung geschossen wurden.

3. Es gibt auch diejenigen, die genau dort geblieben sind, wo sie waren, froh, dass es nicht mehr so ​​voll ist

4. Und diejenigen, die zu den Rändern gingen: Diese gelangen an die Oberfläche des Drahtes und stellen plötzlich fest, dass sie in die Richtung, in die sie sich bewegten, nirgendwo hingehen konnten, nicht weil es ein Ladungsungleichgewicht gab, wohin sie gingen, sie entkamen einer Ladung Ungleichgewicht in erster Linie, aber weil sie buchstäblich an der Oberfläche des Drahtes sind, und wenn sie weiter nach außen gehen, werden sie buchstäblich nicht mehr auf dem Draht sein. Sie bleiben also an der Oberfläche. Warum?

Sie erkennen 3 Dinge:

1. Wenn einer von ihnen zurück in die Mitte des Drahtes geht, wird er erneut das Ladungsungleichgewicht erzeugen und somit zurückgedrängt werden. Wenn dies auch nur für eine Millisekunde geschieht, hat das eingedrungene Elektron ein lokales elektrisches Feld erzeugt und wird daher wieder herausgedrückt.

2. Sie haben das Gefühl, dass vor ihnen ein Ladungsungleichgewicht besteht, da einige der Elektronen auf diese Weise abgestoßen wurden, aber ...

3. Der Minuspol der Batterie ist direkt dahinter, wo das elektrische Feld entstand (ich weiß, positiv ist, wo elektrische Felder entstehen, aber ich ignoriere das vorerst) und das Ladungsungleichgewicht dort hinten (elektrische Kraft, die von dort hinten zu spüren ist ) ist stärker als die, die sie von vorne spüren.

Also bleiben sie, weil sie sonst nichts zu tun haben, am Rand und bewegen sich langsam nach vorne, wo die Elektronendichte geringer ist als die von hinten.

Jetzt, im Inneren des Drahtes, nahe der Mitte, wo ursprünglich die Anhäufung von zu vielen Elektronen war, gibt es kein Ladungsungleichgewicht mehr, aber diese Elektronen, die dort geblieben sind, fühlen dasselbe wie der Ring um sie herum: Sie fühlen den Ring die sich direkt vor ihnen gebildet haben, ist der Ring um sie herum weniger überfüllt, also fangen sie auch an, nach vorne zu gehen.

Dies setzt sich den ganzen Weg entlang des Stromkreises bis zur positiven Seite der Batterie fort, wobei jeder Ring etwas weniger Elektronen enthält als der Ring dahinter, bis Sie zur positiven Seite gelangen, wo sich fast keine Elektronen am Rand befinden, aber auch ein gleiche Menge an Elektronen und Protonen im Inneren des Drahtes, wobei die Elektronen ihren Weg nach vorne zu dem Teil finden, der noch weniger mit Elektronen überfüllt zu sein scheint. Wenn es nicht die gleiche Menge gäbe, würden diese Elektronen lokale elektrische Felder spüren und in zufällige Richtungen abgeschossen werden, und wir haben bereits gesehen, wie das ausging, mit Elektronen nur auf der Oberfläche des Drahtes.

Aus diesem Grund gibt es in einem Draht, der einen Stromkreis bildet, nicht, dass es kein elektrisches Feld gibt, sondern nur, dass das elektrische Feld nur auf Ladungsringe auf der Oberfläche des Drahtes selbst zurückzuführen ist. Es gibt tatsächlich ein konstantes elektrisches Feld im gesamten Draht (das Argument für Konstante ist ziemlich dasselbe: Wenn dies nicht der Fall wäre, würden einige Elektronen schneller geschoben als andere und Orte mit höherer Elektronendichte bilden, lokale elektrische Felder, die einige beschleunigen würden Elektronen nach oben und verlangsamen andere, bis das elektrische Feld wieder überall konstant war), während die Elektronen im Draht gleichmäßig mit den Protonen beabstandet sind und keine lokalen elektrischen Felder erzeugen.

Ich denke, diese 2 Bilder zeigen das ziemlich gut:

Wenn Sie einen perfekten Leiter nehmen, kann es kein Feld darüber geben, denn wenn dies der Fall wäre, würden sich die Partikel so anordnen, dass sie das Feld aufheben, richtig?

Richtig, für einen perfekten Leiter kann es innerhalb der Leiterperiode kein elektrisches Feld geben.

Aber warum gilt das nicht für einen Draht?

Im elektrostatischen Fall ist es wahr . Da sich Ladung innerhalb eines Leiters frei bewegen kann, beschleunigt sich die Ladung, wenn innerhalb des Leiters ein elektrisches Feld vorhanden ist. Wenn die Konfiguration also statisch ist, kann es innerhalb des Leiters kein elektrisches Feld geben. Anders ausgedrückt: Wenn die Konfiguration nicht statisch ist, gibt es ein elektrisches Feld innerhalb des Leiters.

Ein Draht ist im Wesentlichen ein langer, dünner Leiter, aber Elektronen fließen tatsächlich, also muss ein elektrisches Feld vorhanden sein.

Richtig. Wenn beispielsweise ein konstanter Strom durch einen (nicht idealen) Leiter fließt, gibt es innerhalb des Leiters ein konstantes elektrisches Feld.

Beachten Sie, dass für einen idealen Leiter kein elektrisches Feld erforderlich ist, um einen konstanten Strom aufrechtzuerhalten.

Obwohl ein Draht ein Leiter ist, gibt es in ihm kein elektrisches Feld, nur weil er Strom leiten kann! Damit ein elektrisches Feld "existiert", benötigen Sie eine Potentialdifferenz (Spannung).
Wenn Sie eine Batterie an die Enden des Kabels anschließen, erzeugt die Batteriespannung ein elektrisches Feld, das tatsächlich dazu führt, dass sich die Elektronen im Kabel bewegen und versuchen, das elektrische Feld zu "neutralisieren" . Dies wird erreicht, indem die Batterie entladen und dadurch das elektrische Feld entfernt wird.

Ich denke, es gibt einen Grund, warum Ladung in einem Draht fließt, obwohl es ein Leiter ist. Der Grund ist die Kontinuitätsgleichung. Es wird nicht gerecht, wenn man nur auf den Draht schaut. Wenn der Draht vom Stromkreis getrennt und so gebogen wird, dass er eine geschlossene Schleife bildet, fließt kein Strom. Die Ladungen bewegen sich fast augenblicklich dorthin und ordnen sich neu an, um das elektrische Feld aufzuheben. Aber wenn der Draht in einen Stromkreis gesteckt wird, kann die Aufhebung des Feldes einfach nie abgeschlossen werden. An einem bestimmten Punkt der Schaltung müssen die Ladungen auf irgendeine Weise abgeleitet werden. (z. B. in einer Glühbirne führt die Ladungsakkumulation zum Glühen der Glühbirne.) Die Ladungen können sich also nie wirklich neu anordnen, um das Feld aufzuheben, und daher bleibt das Feld bestehen und wirkt als EMF, das einen Ladungsfluss verursacht.