Was ändert sich in den Elektronen vor und nach einem Spannungsabfall?

Es ist leicht, sich die potenzielle Energie der Gravitation als Funktion der Position der Höhe vorzustellen, und eine Änderung dieses Potenzials manifestiert sich in einer Änderung der Höhe. Darüber hinaus führt nach dem Arbeitsenergiesatz jede Änderung der potentiellen Energie zu verrichteter Arbeit, was zu einer entsprechenden Änderung der kinetischen Energie führt.

In einem Stromkreis wird die potenzielle Energiedifferenz von der Batterie bereitgestellt. Es ist jedoch nicht einfach zu sehen, wie sich ein Spannungsabfall äußert. Wenn Energie verloren geht (sagen wir durch einen Widerstand), was passiert physikalisch mit den Elektronen?

Bei Gravitationspotentialenergie ist leicht zu erkennen, dass sich die Höhe des Objekts ändert. Für ein Elektron hätte die einzige Möglichkeit, die ich sehen kann, mit seinem Energieniveau zu tun. Bedeutet dies nach dem Work-KE-Theorem nicht auch, dass sich die kinetische Energie des Elektrons ändern müsste? Dies ist jedoch eindeutig falsch, da der Strom davor und danach (unter der Annahme einer einfachen Reihenschaltung) gleich ist, sodass sich die Driftgeschwindigkeit nicht geändert haben kann.

(Und bevor dies als Duplikat dieser Frage markiert wird, habe ich bereits jede Antwort dort untersucht und keine von ihnen beantwortet meine Frage – sie wiederholen lediglich die Definitionen von Potential, Spannung und Ohm-Gesetz oder liefern eine Analogie zum Wasserstand. In der Im Fall eines Widerstands weiß ich bereits, dass der Grund für den Energieverlust oberflächlich auf Kollisionen zurückzuführen ist – ich bitte stattdessen um eine Erklärung, wie sich dieser Energieverlust im elektrischen Feld oder vielleicht in den Elektronen selbst manifestiert B. durch eine Änderung des besetzten Orbitals oder ähnliches.)

Im elektrischen System ändert sich das Gleiche wie im Gravitationssystem: die Position des Elektrons im System. Wohlgemerkt, die Potentialfunktion ist nicht unbedingt so einfach wie das Gravitationspotential. Wenn Sie nur den Eigenwiderstand eines langen, gleichmäßigen Drahts berücksichtigen, können Sie natürlich ein System konstruieren, in dem dies genauso einfach ist .
@dmckee Wenn es jedoch nur eine Position wäre, würde der Widerstand eines Widerstands für den Spannungsabfall keine Rolle spielen.
Was bringt die Welt dazu, das zu sagen? Der Widerstand steuert, wie steil die Energielandschaft ist. Das meinte ich damit, dass die Potentialfunktion nicht so einfach ist wie die für die Schwerkraft. Sie können sich meine Antwort physical.stackexchange.com/a/215807/520 (und die anderen auf diese Frage) ansehen , um diese Dinge anders zu betrachten (insbesondere wie das elektrische Feld durch das Vorhandensein eines Widerstands modifiziert wird).
Wenn sich die Elektronen im freien Raum bewegen, ändert sich ihre Geschwindigkeit, wenn sie durch die Potentialdifferenz beschleunigt werden (CRT, Röntgenröhren, Beschleuniger). In einem Draht beschleunigen die Elektronen ein wenig, treffen dann auf das Atomgitter und geben ihre Energie in Form von Wärme ab. Die durchschnittliche Elektronengeschwindigkeit wird sehr niedrig sein, da Elektronen nicht sehr weit reisen können, bevor diese verlustbehafteten Kollisionen stattfinden. So zumindest das vereinfachte klassische Modell. In Wirklichkeit ist es aufgrund der Quantenmechanik etwas komplizierter, aber nicht viel komplizierter.
@CuriousOne Meine Frage ist, was der physikalische Unterschied zwischen diesem Elektron ist, das Energie hat, und einem, das keine Energie hat.
Nichts. Das Elektron verändert sich überhaupt nicht. Potentielle Energie ist die Fähigkeit des Systems, am Elektron Arbeit zu verrichten. Bewegt sich das Elektron nicht, wird keine Arbeit verrichtet. Wenn es sich bewegt, ist es immer noch dasselbe Elektron, nur in einem anderen Bewegungszustand. Relative Bewegung ändert nichts an der Physik von Objekten in Bewegung.

Antworten (3)

Der Strom in einem Stromkreis ist ein kollektives Phänomen aus Millionen von Elektronen. Es erscheint aufgrund der Leitfähigkeit, einem anderen kollektiven Phänomen. Es ist ein kumulatives Verhalten von Atomen und Elektronen in Materie.

In Isolatoren besetzen Elektronen Energieniveaus und müssen aktiv aus ihnen herausgeschleudert werden, wobei die Energie durch eine Wechselwirkung bereitgestellt wird. Isolatoren können aufgeladen werden ( Triboelektrizität ), aber die auf der Oberfläche induzierten Potentiale haben nicht genügend Energie, um mehr Elektronen abzulösen.

In Leitern kann sich ein einzelnes Elektron frei in kollektiven Energieniveaus des Leiters bewegen, und in Metallen gibt es in einem Kontinuum unbesetzte Energieniveaus, in die sich ein Elektron bei einer sehr geringen Energie bewegen kann. Das ist die Bandentheorie für Festkörper .

Bandtheorie

Ein Spannungsabfall baut ein Feld auf, auf das einzelne Elektronen (und Ionen) reagieren, indem sie sich entsprechend dem Feld bewegen. Die Einzelbewegung von Elektronen im Raum ist klein, sie wird als Driftgeschwindigkeit bezeichnet .

Das Bewegungsensemble aller Elektronen der äußeren Ebene erzeugt den Strom. Die Driftgeschwindigkeit hängt von der Leitfähigkeit ab und hängt von der Art des Feststoffs ab.

In Widerständen ist die Leitfähigkeit verringert, es wird mehr Energie benötigt, um in das Leitungsband zu gelangen. Bei gleichem Spannungsabfall an einem Widerstand ist die Driftgeschwindigkeit viel kleiner (je nachdem, wie ohmsch er ist) als bei einem Leiter gleicher Größe, der kurzschließen würde!

aktuell

Mikroskopische Ansicht des Stroms .

Du sagst:

Für ein Elektron hätte die einzige Möglichkeit, die ich sehen kann, mit seinem Energieniveau zu tun.

Im Bandmodell ist das Band breit, es hat weniger kinetische Energie.

Bedeutet dies nach dem Work-KE-Theorem nicht auch, dass sich die kinetische Energie des Elektrons ändern müsste?

Ja

Dies ist jedoch eindeutig falsch, da der Strom davor und danach (unter der Annahme einer einfachen Reihenschaltung) gleich ist, sodass sich die Driftgeschwindigkeit nicht geändert haben kann.

Es wird gegenüber dem Fall geändert, in dem dieser bestimmte Widerstand nicht hinzugefügt wird. Der Widerstand fungiert als Meister der Driftgeschwindigkeit. Durch das Absenken innerhalb von , stellen die Erhaltungsgesetze sicher, dass es im gesamten Schaltkreis niedriger wird, was durch den Spannungsabfall am Widerstand gewährleistet ist. Die Elektronen im Metall sehen ein kleineres Feld als vor Einführung des neuen Widerstands. ( Ich spreche von neuem Widerstand, weil einer immer da sein sollte, sonst hätte man einen Kurzschluss).

Sie scheinen zu fragen: "Was passiert mit einem Elektron, wenn sich seine Spannung ändert?" Kurz gesagt, es passiert nichts. Ein Elektron hat keine Ahnung, welche Spannung es hat.

Sie behaupten, dass sich dies von der Höhe eines Objekts unterscheidet, aber es ist tatsächlich genau dasselbe. Wenn Sie nur auf ein Objekt schauen, haben Sie keine Ahnung, auf welcher Höhe es sich befindet. Nichts am Objekt ändert sich, wenn es sich nach oben oder unten bewegt.

Die potenzielle Energie der Höhe/der Gravitation ist eine globale Eigenschaft des Objekts plus des großen Dings, das ebenfalls gravitativ angezogen wird. Spannung ist genauso.

Wenn Sie die beiden Pole der Stromquelle nahe beieinander platzieren und einen Kohlefaden dazwischen legen, sehen Sie vielleicht einen Plasmabogen. Der Kohlenstoff ist weg, aber für eine ausreichend starke Quelle hört der Elektronenfluss nicht auf (bis die Quelle nicht erschöpft ist). Die Potentialdifferenz (die Spannung) ist verantwortlich für die Geschwindigkeit der fließenden Elektronen (und die Fläche der Elektroden ist irgendwie verantwortlich für die mögliche Menge an fließenden Elektronen und das Volumen des Lichtbogens). Dann höher die Potentialdifferenz dann höher die Strömungsgeschwindigkeit. Das gleiche passiert in einem Draht. Und die höhere Geschwindigkeit führte zu einer höheren Häufigkeit von Kollisionen mit den Hüllenatomen und den anderen Elektronen.

Kurze Antwort auf Ihre Frage: In Situationen unterschiedlicher elektrischer Potentiale ändert sich die Geschwindigkeit der beteiligten Ladungen. Bei einer hohen Potentialdifferenz ist die Geschwindigkeit der beteiligten Elektronen höher als bei einer geringeren Potentialdifferenz, wo die Geschwindigkeit geringer ist. Die Driftgeschwindigkeit kann auch höher / niedriger sein, muss aber nicht. Sie hängt vom elektrischen Widerstand des Drahtmaterials ab. Also bei Metallen - da sich das Material erwärmt - nimmt es zu und bei - durch mehr Potentialunterschied (höhere Spannung) erwärmten - Halbleitern ab.

Sie vermeiden, warum der Spannungsabfall dann auftritt. Sie sagen, dass vor einem Widerstand mit höherem Potenzial die Geschwindigkeit der Elektronen höher ist als nach dem Widerstand, an dem ein Spannungsabfall aufgetreten ist. Das ist nicht wahr. Können Sie bitte den Spannungsabfall erklären und was mit den Elektronen während des Spannungsabfalls passiert?
Was ändert sich in den Elektronen vor und nach einem Spannungsabfall?
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