Für ein elektrostatisches Feld darf keine Arbeit für eine Schleife verrichtet werden, d.h.

Die Elektronen müssen also Energie, die sie beim Start von der Zelle erhalten, abgeben, bevor sie an derselben Stelle zurückkehren, die sich am Batteriestandort befindet.

Mal sehen, wie Ladungen die Energie, die sie von der EMF-Site erhalten, entladen:

Zwischen den Kollisionen gewinnen die Ladungen an Schwung und dadurch an kinetischer Energie, wenn sie in Richtung des Feldes driften.

Durch Kollisionen werden sie in eine zufällige Richtung umgelenkt, ohne dass die kinetische Energie wieder auf den Ausgangswert zurückkehrt. Die Ladungen müssen also kinetische Energie auf die Hindernisse übertragen, mit denen sie kollidieren. Da die Ladungen, die Elektronen sind, im Vergleich zu den anderen neutralen Atomen eine vernachlässigbare Masse haben, beginnen sie, zusätzliche Energie zu gewinnen, bis ihr durchschnittlicher Energieverlust bei einer Kollision gleich dem zwischen den Kollisionen gewonnenen Betrag ist.

Auf diese Weise „ erwärmt “ das elektrische Feld, indem es die Ladungen in Richtung des Feldes treibt, zunächst die Ladungen, die schließlich als zufällige kinetische Energie durch Kollisionen an den Rest des Mediums weitergegeben werden.

Bearbeiten: Wie breitet sich Energie in einem Gleichstromkreis aus:

(RedGrittyBrick gewidmet)

Die Energie geht weder durch den Draht, noch ist es so, dass jedes Elektron Energie trägt und am Widerstand abgibt.

Energie interagiert mit den Ladungen aus dem elektromagnetischen Feld, das den Draht umgibt.

Feynman erklärt es wie folgt:

Wir fragen, was in einem Stück Widerstandsdraht passiert, wenn er Strom führt. Da der Draht einen Widerstand hat, gibt es entlang ihm ein elektrisches Feld, das den Strom antreibt. Da es entlang des Drahtes einen Potentialabfall gibt, gibt es auch direkt außerhalb des Drahtes parallel zur Oberfläche ein elektrisches Feld. Außerdem gibt es ein Magnetfeld, das durch den Strom um den Draht geht. Der$\bf E$Und$\bf B$stehen im rechten Winkel; daher gibt es einen Poynting-Vektor, der radial nach innen gerichtet ist. Rundherum fließt Energie in den Draht. Sie ist natürlich gleich der Energie, die im Draht in Form von Wärme verloren geht.Unsere „verrückte“ Theorie besagt also, dass die Elektronen ihre Energie zur Wärmeerzeugung aus der Energie beziehen, die von außen in den Draht fließt. Die Intuition scheint uns zu sagen, dass die Elektronen ihre Energie erhalten, indem sie entlang des Drahtes geschoben werden, also sollte die Energie entlang des Drahtes nach unten (oder nach oben) fließen. Aber die Theorie besagt, dass die Elektronen wirklich von einem elektrischen Feld angetrieben werden, das von sehr weit entfernten Ladungen kommt, und dass die Elektronen ihre Energie zur Wärmeerzeugung aus diesen Feldern beziehen. Die Energie fließt irgendwie von den entfernten Ladungen in einen weiten Raumbereich und dann nach innen zum Draht.

in einfacher Schaltung mit Lampe. Ich verstehe, dass die Energie für Heizung und Beleuchtung aufgewendet wird. Aber wie genau passiert das? Was ist der Unterschied zwischen einem Elektron, das Energie hat, und einem Elektron ohne Energie?

Sie scheinen zu sagen, dass Elektronen Energie zum Lampenfaden tragen und dort abladen, bevor sie ihre Reise durch den Stromkreis fortsetzen.

Das mag ein Irrglaube sein.

Einige Bücher lehren, dass in einem einfachen Batterie-/Glühbirnenschaltkreis jedes Elektron Energie zur Glühbirne transportiert, seine Energie im heißen Filament deponiert und dann zur Batterie zurückkehrt, wo es wieder mit Energie gefüllt wird. Das ist falsch.

...

Elektrische Energie besteht aus Wellen, die entlang von Elektronensäulen in den Drähten wandern, und die Energie selbst ist in elektromagnetischen Feldern enthalten, die mit diesen Elektronen verbunden sind. Wir stellen fest, dass sie sich als Wellenenergie ausbreitet, dass sie nur außerhalb der Drähte existiert und, was am wichtigsten ist, dass sie sich auf ihrem Weg von der Batterie zur Glühbirne entlang beider Drähte in einer Richtung bewegt.

- „ELEKTRIZITÄT“-FEHLERKONZEPTIONEN IN K-6-LEHRBÜCHERN“, William J. Beaty

Energiefluss, von der Batterie links zum Glühbirnenfaden (oder Widerstandslast) rechts.

- "IN EINEM EINFACHEN SCHALTKREIS, WO FLIESST DIE ENERGIE?", William J. Beaty

- Elektromagnetik, Zweite Auflage, Kraus und Carver, McGraw-Hill

Zum Beispiel in einfacher Schaltung mit Lampe. Ich verstehe, dass die Energie für Heizung und Beleuchtung aufgewendet wird. Aber wie genau passiert das?

Das MIT Teal-Projekt hat ein hervorragendes kurzes Video, das als animiertes Diagramm des (klassischen physikalischen) Prozesses in einem Widerstand wie einem Wolframfaden verwendet werden kann.

Stellen Sie sich im folgenden Video vor, dass die vertikalen Feldlinien von den weit oben und unten liegenden Enden des Widerstands ausgehen. Dieses Feld wurde aufgebaut, als die Batterie die beiden Verbindungsdrähte elektrisch auflud und so bewirkte, dass die Enden des Wolframfilaments positiv und negativ geladen wurden und ein E-Feld im Inneren des Wolframs erzeugten.

Das Video zeigt, wie eines der beweglichen Elektronen des Metalls nach unten beschleunigt wird. Wenn dies auftritt, wird der Netto-E-Feld-Fluss geringer und kollabiert leicht nach innen. Mit anderen Worten, das Elektron entzieht dem gesamten E-Feld Energie und nutzt diese Energie zum Beschleunigen. In dieser Situation ist der E-Feldfluss die gespeicherte elektrische Energie; Energie, die zuvor von der Batterie an das Filament gesendet worden war. Wir beobachten, wie die elektrische Energie abnimmt und die Geschwindigkeit des Elektrons zunimmt.

Paralleles E-Feld im Widerstand, mit nach unten beschleunigtem Ladungsträger

Nicht gezeigt ist die spätere Kollision, bei der das Elektron unelastisch mit einem Wolframatom wechselwirkt, teilweise oder vollständig zum Stillstand kommt und das Wolframatom vibrieren lässt. (Nun, eigentlich interagiert es mit einem großen Teil des Wolfram-Kristallgitters und nicht nur mit einem einzelnen Atom.) Stellen Sie sich als Nächstes vor, dass dies immer wieder passiert: Das Elektron beschleunigt, schlägt auf ein Atom und hält an, nur um noch beschleunigt zu werden nochmal. Stellen Sie sich viele Elektronen vor, die dies tun.

Während des Prozesses wird das gesamte E-Feld schwächer und schwächer, da sich viele Elektronen nach unten bewegen und dabei den Fluss mit sich nach unten ziehen. Die Batterie (die eine Konstantspannungsquelle ist) erkennt dies jedoch als ein Absinken der Spannung an den beiden Enden des Wolframs. Als Reaktion darauf erzeugt es einen Strom in beiden Verbindungsdrähten, der wiederum das Ladungsungleichgewicht an den Filamentenden erhöht. Die Heizspannung wird wiederhergestellt.

Wenn dieser Energieabscheidungsprozess im Video zu sehen wäre, würden wir mehr E-Feld-Fluss sehen, der von den Seiten hereinkommt, den bereits vorhandenen Fluss komprimiert und ihn auf den Wert zurücksetzt, den er hatte, bevor sich die Elektronen nach unten bewegten. Ha! Teal Project hat ein passendes Video! Unten sehen wir ein einzelnes Elektron, das im Wolframfaden sitzt, aber ohne angeschlossene Batterie. Dann legen wir Batteriespannung an das Filament an, und im Bruchteil einer Nanosekunde strömt das von der Batterie bereitgestellte E-Feld von außerhalb des Metalls herein und komprimiert das Flussmuster des Elektrons ...

Zusätzliches E-Feld dringt von außerhalb des Wolframs ein

Dies zeigt, dass, obwohl sich Elektronen innerhalb des Metalls bewegen, die elektrische Energie, die sie antreibt, aus dem Raum außerhalb des Metalls kommt.

(Beachten Sie, dass diese beiden Videos einen sich wiederholenden Zyklus enthalten, in dem sich alles umkehrt. Wir wollen nur den Teil des Videos, in dem das Elektron nach unten geht und das Feld schwächer wird. Und in Vid-2 den Teil, in dem das zusätzliche E-Feld hereinkommt von den Seiten, was den Gesamtfluss erhöht. Ignorieren Sie die rückwärtigen Teile beider Videos.)

Wir können uns vorstellen, dass Stromfluss der Fluss von Elektronen durch den Leiter ist, dessen Bewegung gerichtet ist und sich von Natur aus von der Brownschen Bewegung von Elektronen unterscheidet.

Nun versuchen fast alle Materialien, die wir kennen, immer, dem freien Fluss dieser Elektronen entgegenzuwirken. Einige Materialien wie Kupfer widersetzen sich weniger, während andere wie Papier mehr dagegen sind.

In der Glühbirne wird der Teil, der hell leuchtet, Glühfaden genannt. Das ist eigentlich der Teil der Glühbirne, der dem Stromfluss entgegenwirkt.

Wie genau können wir uns das auf atomarer Ebene vorstellen?

Ein gutes Bild wäre, sich die Elektronen als Kugeln vorzustellen, die mit den Molekülen des Filaments herumstoßen. Je mehr sie die Atome treffen, desto mehr verlieren sie Energie. Diese Energie wird nun vom Atom im Filament absorbiert, was eine Anregung seiner gebundenen Elektronen bewirkt.

Da die Energie von Elektronen quantisiert ist, gehen die Elektronen in einen angeregten Zustand über. Jetzt ist der angeregte Zustand des Elektrons nicht sehr stabil und es zieht es vor, in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren. Es verliert also einen Teil seiner Energie in Form von Photonen, die wir als Licht sehen.