Warum leiten Metalle Strom schneller als Wärme?

Bei Wärmeübertragung bleibt der Draht elektrisch neutral, so dass ein Elektron nur durch Stöße mit anderen Elektronen in seiner näheren Umgebung wechselwirken kann, aber keine Wirkung auf weit entfernte Elektronen hat. Das Signal über die erhöhte Temperatur (dh höhere thermische Geschwindigkeit) wandert also durch Stöße von einem Elektron zum nächsten. Im besten Fall laufen die zufälligen Kollisionen so ab, dass das nächste Elektron immer in die richtige Richtung fliegt. Dann kann sich die Information über die erhöhte Temperatur höchstens mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die der thermischen Geschwindigkeit der Elektronen entspricht, was etwa 100 km/s oder 0,3 % der Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Bei Strom schiebt man zusätzliche Elektronen in eine Seite des Drahtes. Dieser Ladungsüberschuss bewirkt, dass sich ein elektrisches Feld bildet, das sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. Dieses elektrische Feld kann also fast augenblicklich alle Elektronen im Draht beeinflussen, sogar weit entfernte Elektronen am anderen Ende des Drahts. Alle Elektronen beginnen sich in die gleiche Richtung zu bewegen, angetrieben durch dieses elektrische Feld.

Kurz gesagt, die Wärmeübertragung entspricht dem Senden einer Nachricht durch einen Staffellauf, während die Stromübertragung dem Schummeln bei diesem Rennen entspricht, indem Sie die Person am Ende der Leitung mit Ihrem Telefon anrufen und ihr die Nachricht mitteilen.

Warum leiten Metalle Strom schneller als Wärme?

Wenn Sie mit Elektrizität den Stromfluss meinen, dann ist die Frage (zumindest für mich) nur unter vorübergehenden Bedingungen sinnvoll, in Bezug darauf, wie schnell ein konstanter Wärmefluss hergestellt wird und wie schnell ein konstanter Stromfluss hergestellt wird, wie unten erläutert. Unter stationären Bedingungen ist es ein Vergleich zwischen Äpfeln und Birnen, da Strom die Geschwindigkeit des Ladungstransports und Wärme die Geschwindigkeit der Energieübertragung ist.

Übergangsbedingungen:

Nehmen Sie einen Metallleiter, einen Draht. Zum Zeitpunkt t = 0 legen Sie eine Spannungsdifferenz zwischen den Enden des Drahtes an. Ein elektrisches Feld wird fast augenblicklich aufgebaut und Elektronen beginnen sich fast augenblicklich mit einer gewissen durchschnittlichen Driftgeschwindigkeit durch den Leiter zu bewegen. Der Strom ist also fast augenblicklich im gesamten Leiter.

Nehmen Sie den gleichen Draht zunächst bei Raumtemperatur durch. Die beweglichen Elektronen im Draht haben die gleiche zufällige thermische Bewegung im gesamten Draht, die ungefähr proportional zur Temperatur ist. Stellen Sie nun zum Zeitpunkt t = 0 einen Kontakt zwischen einem Ende des Drahtes mit einer konstanten Temperaturquelle mit hoher Temperatur und dem anderen Ende in Kontakt mit einer konstanten niedrigeren Temperatur her, die gleich der Raumtemperatur ist. Isolieren Sie den Umfang des Drahtes thermisch, um eine Wärmeübertragung an die Umgebungsluft zu verhindern.

Die Temperaturdifferenz zwischen den Enden ist analog zur Potentialdifferenz. Die zufällige thermische Bewegung der Elektronen in der Nähe des Hochtemperaturendes nimmt zu. Durch Kollisionen mit den Elektronen, die weiter vom heißen Ende entfernt sind, schreitet eine erhöhte Wärmebewegung zum Ende mit niedrigerer Temperatur fort, bis sich theoretisch ein linearer Temperaturgradient entlang der Länge des Leiters einstellt. Anders als beim Strom erfolgt dieser Fortschritt der thermischen Bewegung jedoch nicht augenblicklich wie im Fall der kollektiven Ladungsbewegung. Es wird Zeit brauchen.

Steady-State-Bedingungen:

Die anwendbare stationäre Wärmestromgleichung lautet

Die anwendbare Stromflussgleichung ist

Die Gleichungen sind ungefähr analog zur Wärmeübertragungsrate$\dot Q$analog zur Ladungstransportrate$I$, Wärmeleitfähigkeit$k_{t}$analog zur elektrischen Leitfähigkeit$k_e$, und Temperaturdifferenz$T_{H}-T_{L}$analog zur Potentialdifferenz$V_{H}-V_{L}$. Die Länge und Querschnittsfläche des Drahtes ist$L$Und$A$, bzw.

Aber Strom und Wärmeübertragungsrate sind verschiedene Dinge, also vergleicht es Äpfel mit Birnen.

„Anders als beim Strom wird dieser Fortschritt der thermischen Bewegung jedoch nicht augenblicklich erfolgen wie im Fall der kollektiven Ladungsbewegung. Es wird einige Zeit dauern.“ Können Sie das bitte ein wenig erläutern, warum das so ist, das ist der Schlüssel zu meiner Frage.

Erstens ist die Bewegung von Elektronen im Fall eines Stromflusses eine kollektive Bewegung, Driftgeschwindigkeit genannt, die proportional zum Strom ist. Diese Bewegung beruht auf der unidirektionalen elektrischen Kraft, die durch das elektrische Feld auf die Elektronen ausgeübt wird. Dieses elektrische Feld bewegt sich im Leiter mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Alle Elektronen setzen sich also sofort in Bewegung.

Andererseits ist die thermische Bewegung von Elektronen beim Erhitzen des Leiters zufällig. Sie bewegen sich nicht gemeinsam am Leiter entlang. Elektronen mit hoher thermischer Bewegung (zufällige Geschwindigkeiten) in der Nähe der Wärmequelle kollidieren mit Elektronen in der Nähe entfernt von der Quelle mit geringerer thermischer Bewegung (niedrigere Temperatur) und übertragen kinetische Energie auf diese Elektronen, wodurch die Temperatur des weiter von der Quelle entfernten Leiters erhöht wird. Sie kollidieren wiederum mit Elektronen in ihrer Nähe und so weiter, bis die thermische Bewegung aller Elektronen im Leiter zugenommen hat, wodurch die Temperatur ansteigt. Das alles braucht Zeit.

Sehen Sie sich das folgende Video an, das zeigt, wie die Temperatur eines erhitzten Leiters entlang der Länge des Leiters langsam ansteigt, was durch die Farbe des Leiters angezeigt wird.

https://www.youtube.com/watch?v=y-ptY0YG9RI

Hoffe das hilft.

Nehmen Sie an, Sie haben einen Schlauch voll Wasser und drehen den Wasserhahn auf. Sie sehen, dass fast sofort Wasser aus dem Düsenende des Rohrs kommt. Der „Schub“ des Wassers am Hahnende erreicht das Wasser am Düsenende mit Schallgeschwindigkeit im Wasser – mehr als 1.000 Fuß pro Sekunde. Das Wasser, das am Wasserhahn in das Rohr eintritt, braucht viel länger, um das andere Ende zu erreichen. Es bewegt sich mit wenigen Metern pro Sekunde. Wenn das Wasser in der Leitung kalt war und Sie einen Heißwasserhahn angeschlossen haben, müssen Sie länger warten, bis das heiße Wasser die Düse erreicht. In einem Draht ist die "Schallgeschwindigkeit" für die Elektronen die Lichtgeschwindigkeit. Bei einem Strom von einem Ampere driften die Elektronen mit wenigen Zentimetern pro Sekunde. Wenn kein tatsächlicher Strom vorhanden ist, wandert die Wärme nur durch heiße Elektronen, die auf kalte Elektronen treffen, und die Wärme wandert sogar noch langsamer.