Warum verursacht ein Widerstand einen Potentialabfall?

Elektrisches Potential ist eine potentielle Energie, genau wie Gravitationspotential oder jede andere Form von potentieller Energie. Insbesondere erzeugt (oder erfordert) das Bewegen von einem Coulomb Ladung durch ein elektrisches Potential von einem Volt 1 Joule Energie. Aus Ihrer Frage geht hervor, dass Sie damit grundsätzlich zufrieden sind. Die Frage ist also wirklich, wie diese Energie abgeführt wird, dh was passiert mit diesem 1 Joule Energie?

Wenn Sie eine Spannung an den Leiter anlegen, erzeugen Sie eine Kraft auf die Leitungselektronen, sodass sie beschleunigen – die potenzielle Energie wird in kinetische Energie der Elektronen umgewandelt. Leiter bestehen jedoch aus einem Kristallgitter aus Atomen/Molekülen, das aufgrund thermischer Energie zufällig vibriert, und es besteht die Wahrscheinlichkeit, dass die sich bewegenden Elektronen an diesem Gitter streuen und Energie darauf übertragen. Das Elektron wird also abgebremst und die Größe der Gitterschwingungen erhöht. Erhöhte Gitterschwingungen bedeuten, dass der Leiter heißer wird, sodass die kinetische Energie der Elektronen im Leiter in thermische Energie umgewandelt wurde.

Und das passiert mit dem 1 Joule Energie. Es wird auf den Leiter übertragen und endet als Wärme.

Einige verwandte Probleme, die Sie vielleicht weiter untersuchen möchten: Wenn Sie einen Leiter kühlen, verringern Sie die Stärke der Gitterschwingungen und Sie machen es weniger wahrscheinlich, dass das Elektron vom Gitter gestreut wird. Deshalb nimmt der Widerstand (normalerweise) mit abnehmender Temperatur ab. Der supraleitende Übergang verhindert, dass Elektronen am Gitter streuen , sodass sie keine Energie darauf übertragen können, und deshalb haben Supraleiter einen Widerstand von Null.

Bei Widerständen hängen Widerstand, Strom und Spannung (oder der Spannungsabfall) durch das Ohmsche Gesetz zusammen:

Zunächst ist es hilfreich zu verstehen, warum die beiden Ohmschen Gesetze äquivalent sind. Betrachten Sie einen Draht mit Querschnitt$A$und Länge$L$. Multipliziere das mikroskopische Gesetz mit$A$. Das Produkt$A\vec J$zum Gesamtstrom kombiniert$I$(es ist die Stromdichte pro Flächeneinheit), also erhalten wir

Versuchen wir nun zu verstehen, warum die mikroskopische Form des Gesetzes wahr ist.

Nichtlineare Begriffe wie$\Delta \vec J = \beta |\vec E|^2 \vec E$kann erscheinen und tatsächlich erscheinen, aber der Punkt ist, dass für ein sehr kleines$\vec E$, sie sind subführend und der führende Begriff hebt sich nicht für Widerstände auf.

Wenn Sie also versuchen zu erklären, warum das Ohmsche Gesetz gilt, stellen Sie sich besser vor, dass der Spannungsabfall die Ursache ist, während der Strom seine Folge ist, nicht umgekehrt, wie Sie es versucht haben.

Supraleiter haben keine Kollisionen, sodass die Elektronen nicht langsamer werden würden, wenn ein elektrisches Feld angelegt würde. Folglich würde der Spannungsabfall große Änderungen vornehmen, die den Spannungsabfall am Ende vollständig beseitigen würden, und daher$V=0$. Jedenfalls, solange es um das Ohmsche Gesetz geht, können Sie Supraleiter als einfache (und strenge)$R\to 0$oder$R=0$Grenze der Widerstände.

Entschuldigung,$U=V$über. Ich war nicht konsequent über die Notation.

Die Antwort hängt stark davon ab, wie sehr Sie ins Detail gehen möchten. Supraleitung ist ein ziemlich kompliziertes Phänomen, daher hoffe ich, dass ich Ihnen bereits helfen kann, indem ich erkläre, warum ein Widerstand einen Potentialabfall verursacht.

Einen Strom kann man sich als Elektronen vorstellen, die sich durch einen Leiter bewegen. Bei dieser Bewegung werden sie durch das elektrische Feld beschleunigt. Gleichzeitig „stoßen“ sie an, werden also zerstreut. Dies zwingt sie zur Verlangsamung und führt zu Widerstand. Das kann man sich vielleicht so vorstellen, als würde man Flüssigkeit durch ein Gewebe pumpen oder ähnliches. Daher befinden sich auf der einen Seite mehr Elektronen als auf der anderen, was zu einem Potentialabfall führt.

Dies ist natürlich eine sehr grobe Erklärung, und wenn man ins Detail geht, wird man feststellen, dass viel Physik im Spiel ist.

Ich bin ein Bastler und habe versucht, diese Frage eine Weile zu beantworten, und das habe ich gefunden. Zunächst wird ein EMK- oder elektrisches Potential von einer Batterie (DC) oder einer Lichtmaschine (AC) durch Trennen von Ladungen erzeugt. Das heißt, gewaltsames Bewegen von -ve-Ladungen / -Elektronen zu einem Ende, das als -ve-Anschluss bezeichnet wird, und das andere Ende wird aufgrund der Erschöpfung von Elektronen zu +ve. Da -ve-Ladungen sich natürlich gegenseitig abstoßen und sie gegen ihren Willen gewaltsam zusammengehalten werden, steigt ihr Potential, das nun verwendet werden kann, um einen Strom durch den Stromkreis zu treiben, wo ein Ende diese -ve-Ladungen sind und das andere Atome hat von +ve-Ladungen bereit, die -ve-Ladungen zu empfangen. Diese Messung dieses erzwungenen elektrischen Potentials / Drucks erfolgt in Volt und wird als Spannung bezeichnet. Je höher die Spannung, desto dichter sind die Elektronen am -ve-Anschluss gepackt, und es wurde mehr Arbeit geleistet (vom Energieversorger), um dies zu erreichen. Ein einzelnes Elektron aus einer Quelle mit höherer Spannung (z. B. 220 V) hat eine größere Energie und möglicherweise auch eine höhere Geschwindigkeit als eines aus einer Quelle mit niedrigerer Spannung (z. B. 110 V). Deshalb ist Leistung V (Spannung) x I (Strom) und nicht nur I, weil die Elektronen mit höherer Energie / Spannung mehr Arbeit leisten können und Sie am Ende mehr Geld dafür bezahlen.

Kommen wir nun zum Spannungsabfall, bewegen sich Elektronen immer von einem höheren Potential oder -ve-Anschluss zu einem niedrigeren Potential oder +ve-Anschluss, wobei ein Elektronenfluss im Gegensatz zu einem herkömmlichen Fluss angenommen wird. Nehmen Sie eine einfache Schaltung a mit einem einzelnen Widerstand. Ein Ende von R ist über Kupferdrähte mit dem -ve-Anschluss und das andere mit dem +ve-Anschluss verbunden. Schalten Sie den Stromkreis ein. Spannungsabfall tritt NUR auf, wenn Strom zu fließen beginnt. Der Abfall wird vom Ende des Endes von R zum positiven +ve-Anschluss bemerkt. Hier ist der Grund: Der Kupferdraht vom -ve-Anschluss zu R ist mit Elektronen überflutet und hat daher das gleiche Potenzial wie der -ve-Anschluss. Aber weil der Widerstand den Strom begrenzt, dürfen nur einige Elektronen auf die andere Seite gehen. Auf der anderen Seite, das heißt vom Ende von R zum + ve-Anschluss, mit Ausnahme des kleinen Stroms, der fließen darf, Es gibt hauptsächlich +ve Atome / Ladungen, was bedeutet, dass das Elektron, das die +ve-Seite von R erreicht, nicht so viel Druck von benachbarten Elektronen erfährt wie auf der -ve-Seite. Deshalb sinkt die Spannung.

Was bedeutet es, wenn ein Widerstand einen "Potenzialabfall" verursacht? Das bedeutet, dass das Potential eines Elektrons nach dem Durchgang durch einen Widerstand niedriger ist als das Potential des Elektrons vor dem Durchgang durch den Widerstand. Warum ist das so?

Lassen Sie uns zunächst darüber sprechen, was elektrisches Potential bedeutet. Das elektrische Potential eines Elektrons ist definiert als die Energie, die nötig wäre, um dieses Elektron aus unendlicher Entfernung an seinen jetzigen Ort zu bringen. Dies bedeutet, dass ein Elektron ein höheres elektrisches Potential hat, wenn es sich in der Nähe einer großen Menge anderer Elektronen befindet (es würde mehr Energie erfordern, die Abstoßungskräfte all dieser Elektronen zu überwinden, um unser Elektron zu ihnen zu bringen).

Denken Sie daran, wir versuchen zu erklären, warum Elektronen, die noch nicht in den Widerstand eingetreten sind, ein höheres Potential haben als Elektronen, die ihn verlassen haben. Es stellt sich heraus, dass der Grund darin besteht, dass Elektronen am Ende stärker auf der Seite des Widerstands konzentriert sind, auf die sie eintreten, und weniger konzentriert auf der Seite des Widerstands, auf der sie austreten. Schauen wir uns an, warum dies geschieht.

Nehmen wir eine einfache Schaltung, die aus einer Batterie, einem Draht und einem Widerstand besteht. Nun wissen wir, dass der Widerstand aus einem Material besteht, das weniger leitfähig ist als der Draht, sodass sich Elektronen im Widerstand nicht so schnell bewegen können wie im Draht.

Im obigen Diagramm stellen die weißen Kreise die Elektronen im Draht in ihrem Anfangszustand dar (bevor die Batterie angeschlossen wird). Die roten Kreise stellen die Elektronen kurz nach dem Anschließen der Batterie an den Draht dar.

Wenn sich das Elektron, das dem negativen Ende der Batterie am nächsten ist, bewegt, bewegt es auch das nächste Elektron (aufgrund der Abstoßungskräfte zwischen den Elektronen). Dadurch entsteht ein Kaskadeneffekt.

Elektron A im obigen Diagramm kann sich jedoch nicht so viel (im gleichen Zeitrahmen) bewegen wie alle Elektronen dahinter. Infolgedessen wird Elektron A allen Elektronen dahinter näher sein als zuvor. Daher stößt es diese Elektronen stärker ab. Dadurch wird die Abstoßungskraft auf diese Elektronen aufgrund des negativen Endes der Batterie leicht aufgehoben, wodurch sie langsamer werden.

Da nun die Abstoßungskraft, die ein Elektron auf ein anderes Elektron ausübt, mit der Entfernung abnimmt, ist klar, dass die Elektronen, die dem Elektron A am nächsten sind, am stärksten und die am weitesten entfernten am wenigsten gebremst werden. Da sich die Elektronen vorne (dh Elektron A und die etwas dahinter befindlichen) am langsamsten bewegen, fangen die Elektronen an, sich ein wenig in der Nähe des Eingangs des Widerstands zu bündeln.

Schauen wir uns an, was auf der anderen Seite des Widerstands passiert.

Auf der anderen Seite des Widerstands kann sich Elektron B nicht so stark bewegen wie die Elektronen davor. Daher wird Elektron B weiter von diesen Elektronen entfernt sein als zuvor, sodass seine Abstoßungskraft auf diese Elektronen abnimmt. Daher werden auch diese Elektronen langsamer, da die Kraft, mit der B sie wegdrückt, nun kleiner ist.

Die Vergrößerung des Abstands von B zu den davor befindlichen Elektronen führt jedoch zu einer stärkeren Abnahme der Abstoßungskraft für Elektronen, die weiter von B entfernt sind. (Dies kann durch grundlegende Mathematik gezeigt werden.) Daher die Elektronen, die Elektron B am nächsten sind wird am wenigsten verlangsamen. Daher bündeln sich Elektronen auf der Austrittsseite des Widerstands nicht annähernd so stark wie auf der Eintrittsseite.

Da Elektronen auf der "Eintrittsseite" eines Widerstands stärker konzentriert sind, hat ein Elektron beim Eintritt in den Widerstand und unter all diesen nahe beieinander liegenden Elektronen ein höheres Potential als beim Verlassen des Widerstands.

Ich hoffe, das hat Sinn gemacht!

Es ist keine dumme Frage. Potential bedeutet Energie pro Ladungseinheit an einem Punkt in einem Feld. Wenn eine Einheitsladung durch ein E-Feld wandert, geht Energie entweder verloren oder wird als potentielle Energie gewonnen. Die Potentialdifferenz ist die PE-Differenz zwischen zwei beliebigen Punkten im Feld. Wenn in einem Stromkreis eine Zelle eingesetzt wird, bildet sich ein elektrisches Feld und aufgrund dieses Feldes fließen Ladungen (Strom). Wenn Ladung in die entgegengesetzte Richtung des Feldes innerhalb der Zelle fließt, wird Energie als PE in der Ladung gespeichert. Nachdem es die Zelle passiert hat, bewegt es sich wieder in Richtung des elektrischen Feldes, wodurch die gespeicherte Energie verloren geht, unabhängig davon, welchen Weg es nimmt. Wenn es durch einen Widerstand geht, wird die dissipierte Energie (da es in Richtung des Feldes geht) zur Wärmeenergie. Man kann auch sagen, um die Hindernisse (Widerstände) zu überwinden, haben die Ladungen ihre gespeicherte Energie verwendet. Daher haben sie nach dem Verlassen des Widerstands weniger Energie. Dadurch sinkt das Potenzial. Hoffe das hilft.

Ich denke, das liegt daran, dass der Aufbau von Elektronen auf der (-) Seite des Widerstands (wie ein verdammter Teufel) Ladungslöcher leichter füllt, wodurch das Potenzial auf dieser Seite reduziert wird, was bedeutet, dass der Bereich, in dem die negative Seite mit dem Widerstand verbunden ist, weniger wird ( +). Denken Sie daran, dass Spannung vom positiven Ende erzeugt wird.