Was passiert, wenn wir einen Metalldraht zwischen den 2 Polen einer Batterie verbinden?

Ja, Sam, es gibt definitiv eine Umformung des elektrischen Feldes im Draht. Seltsamerweise wird in kaum einem Physiktext davon gesprochen, aber es gibt Oberflächenladungsanhäufungen entlang des Drahtes, die das elektrische Feld in Richtung des Drahtes aufrechterhalten. (Hinweis: Es handelt sich um eine Oberflächenladungsverteilung, da jede zusätzliche Ladung auf einem Leiter auf der Oberfläche verbleiben wird.) Es ist die Änderung oder der Gradient der Oberflächenladungsverteilung auf dem Draht, die die erzeugt und deren Richtung bestimmt elektrisches Feld in einem Draht oder Widerstand.

Beispielsweise ist die Oberflächenladungsdichte auf dem Draht in der Nähe des Minuspols der Batterie negativer als die Oberflächenladungsdichte auf dem Draht in der Nähe des Pluspols. Die Oberflächenladungsdichte ändert sich beim Umrunden des Stromkreises entlang eines gut leitenden Drahtes nur geringfügig (daher ist der Gradient klein und es gibt nur ein kleines elektrisches Feld). Ecken oder Krümmungen im Draht verursachen auch Ansammlungen von Oberflächenladungen, die dazu führen, dass die Elektronen in Richtung des Drahtes fließen, anstatt in eine Sackgasse zu fließen. In die Schaltung eingefügte Widerstände haben auf einer Seite des Widerstands eine negativere Oberflächenladungsdichte als auf der anderen Seite des Widerstands. Dieser größere Gradient in der Oberflächenladungsverteilung in der Nähe des Widerstands verursacht das relativ größere elektrische Feld im Widerstand (im Vergleich zum Draht). Die Richtung der Gradienten für alle oben genannten Oberflächenladungsdichten bestimmt die Richtung der elektrischen Felder.

Diese Frage ist sehr grundlegend und wird von Menschen oft falsch interpretiert oder ignoriert. Wir alle sind indoktriniert, einfach anzunehmen, dass eine Batterie ein elektrisches Feld im Kabel erzeugt. Wenn jedoch jemand fragt: "Wie kommt das Feld in den Draht und woher weiß das Feld, in welche Richtung es gehen soll?" Sie erhalten selten eine klare Antwort.

Eine Folgefrage könnte lauten: „Wenn Anhäufungen von Oberflächenladungen ungleich Null für die Größe und Richtung des elektrischen Felds in einem Draht verantwortlich sind, warum übt dann ein normaler Schaltkreis mit einem Widerstand keine elektrische Kraft auf eine nahe gelegene Markkugel aus? aufgebaute Ladung im Stromkreis?" Die Antwort ist, dass es eine Kraft ausübt, aber die Oberflächenladung und die Kraft sind für normale Spannungen und Betriebsbedingungen so gering, dass Sie es nicht bemerken. Wenn Sie eine 100.000-V-Quelle an einen Widerstand anschließen, können Sie die Akkumulation der Oberflächenladung und die Kraft messen, die sie ausüben könnte.

Hier ist eine weitere Möglichkeit, über all dies nachzudenken (entschuldigen Sie die Länge dieses Beitrags, aber es gibt so viel Verwirrung bei dieser Frage, dass sie angemessene Details verdient). Wir alle wissen, dass in einem Kabel, das mit einer Batterie verbunden ist, ein elektrisches Feld vorhanden ist. Aber der Draht könnte so lang wie gewünscht sein und somit so weit wie gewünscht von den Batterieanschlüssen entfernt sein. Die Ladung an den Batteriepolen kann nicht direkt und allein für die Größe und Richtung des elektrischen Feldes in dem meilenweit entfernten Teil des Kabels verantwortlich sein, da das Feld dort abgestorben und zu klein geworden wäre. (Ja, eine unendliche Ladungsebene oder andere entsprechend exotische Konfigurationen können ein Feld erzeugen, das mit der Entfernung nicht abnimmt, aber wir sprechen nicht über so etwas. ) Wenn die Ladung in der Nähe der Anschlüsse nicht direkt und ausschließlich die Größe und Richtung des elektrischen Felds in dem meilenweit entfernten Teil des Kabels bestimmt, muss eine andere Ladung das Feld dort erzeugen (Ja, Sie können ein elektrisches Feld mit a erzeugen sich änderndes Magnetfeld anstelle einer Ladung, aber wir können davon ausgehen, dass wir einen konstanten Strom und ein sich nicht änderndes Magnetfeld haben). Der physikalische Mechanismus, der das elektrische Feld in dem meilenweit entfernten Teil des Kabels erzeugt, ist ein kleiner Gradient der von Null verschiedenen Oberflächenladungsverteilung auf dem Kabel. Und die Richtung des Gradienten dieser Ladungsverteilung bestimmt die Richtung des elektrischen Feldes dort. aber wir können davon ausgehen, dass wir einen konstanten Strom und ein sich nicht änderndes Magnetfeld haben). Der physikalische Mechanismus, der das elektrische Feld in dem meilenweit entfernten Teil des Kabels erzeugt, ist ein kleiner Gradient der von Null verschiedenen Oberflächenladungsverteilung auf dem Kabel. Und die Richtung des Gradienten dieser Ladungsverteilung bestimmt die Richtung des elektrischen Feldes dort. aber wir können davon ausgehen, dass wir einen konstanten Strom und ein sich nicht änderndes Magnetfeld haben). Der physikalische Mechanismus, der das elektrische Feld in dem meilenweit entfernten Teil des Kabels erzeugt, ist ein kleiner Gradient der von Null verschiedenen Oberflächenladungsverteilung auf dem Kabel. Und die Richtung des Gradienten dieser Ladungsverteilung bestimmt die Richtung des elektrischen Feldes dort.

Eine seltene und absolut schöne Beschreibung, wie und warum Oberflächenladung das elektrische Feld in einem Draht erzeugt und formt, finden Sie im Lehrbuch: "Matter and Interactions: Volume 2 Electric and Magnetic Interactions" von Chabay und Sherwood, Kapitel 18 "A Microscopic View". elektrischer Schaltungen" S. 631-640.

Wenn die 2 Elektroden auf unterschiedlichem Potential liegen, wird ein elektrisches Feld aufgebaut. Die elektrischen Ladungen sammeln sich an den beiden Polen. Positive Ladungen an der Kathode und negative Ladungen an der Anode. Wenn die beiden Elektroden nicht durch einen Außenleiter verbunden sind, können sie die Oberfläche der Elektroden nicht verlassen und sie sammeln sich dort einfach an, wodurch eine Leerlaufspannung erzeugt wird. Sobald die beiden Elektroden durch einen Leiter verbunden sind, fließen die Ladungen durch die Kräfte des elektrischen Feldes in die entsprechende Richtung. Wenn das Verbindungskabel keinen oder fast keinen Widerstand hat, liegt ein Kurzschluss vor und es fließt ein enormer Strom, der nur durch den Innenwiderstand der Batterie begrenzt wird.

$I = \frac{V}{R+r}$wo$I$ist der Strom,$V$ist die Spannung zwischen den Elektroden,$R$ist der äußere Widerstand und$r$ist der Innenwiderstand der Batterie.

(Hinweis: Das elektrische Feld wird nicht durch die chemische Reaktion neutralisiert, sondern durch die Reaktion aufrechterhalten. Es findet keine Umformung des Feldes statt. Die Ladungen bewegen sich durch den Leiter, da dies der Weg des geringsten Widerstands ist. Es ist ähnlich wie beim Fluss von Wasser durch ein Rohr aus einem Tank. Das Wasser fließt, da es einen Druckunterschied gibt. Der Wasserfluss hängt nicht von der Ausrichtung des Rohres ab. Es hängt nur vom Druckunterschied an den beiden Enden ab. Das Gravitationsfeld formt sich nicht um durch das Rohr. Ebenso findet keine Umformung des elektrischen Feldes statt. Es zählt nur die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Anschlüssen.)

Zusätzliche Kommentare für diejenigen, die glauben, dass sich elektrische Felder in einem Leiter entlang des Leiters umformen können :

Dies sind einfach Delta- und Sternnetzwerke. Wenn sich nun das elektrische Feld umformen könnte, würden sich die Kraftlinien an drei Punkten für das Delta und an einem Punkt für die Sternnetzwerke schneiden. Aber wir alle wissen, dass sich Kräftelinien nicht schneiden können. Daher findet keine Umformung von Feldlinien statt.

Bevor Sie den Draht anschließen, besteht das elektrische Feld (zumindest theoretisch erfordert dies, dass Sie alles andere im Universum ignorieren, einschließlich des Inhalts der Batterie) aus einer +-Ladung und einer --Ladung. Bei einer typischen Autobatterie sind diese Punkte etwa 10 oder 20 cm voneinander entfernt.

In Wirklichkeit ist die Ladung sehr kompliziert verteilt. Wenn Ihre Autobatterie beispielsweise für 1000 Amperestunden ausgelegt ist, können Sie die "Ladung" berechnen, indem Sie beachten, dass eine Ampere-Sekunde ein Coulomb ist, also eine Amperestunde 3600 x 1000 Coulomb ist. Aber tatsächlich werden diese Ladungen chemisch in der Batterie gehalten und erscheinen nicht an den Elektroden, bis Sie einen Teil der dort vorhandenen Ladung entfernen. Um die Anfangsladung zu berechnen, müssen Sie also nur die Spannung und die Konfiguration der Leitungen kennen. Dann ist es eine Frage der Elektrostatik, die Ladungsverteilung zu berechnen.

Nachdem Sie den Draht angeschlossen haben, beginnt der Strom entsprechend dem Widerstand des Drahtes zu fließen. Der Draht hat eine stetig abnehmende Spannung von einem Ende zum anderen. Da das elektrische Feld durch den Gradienten der Spannung gegeben ist, bedeutet dies, dass das elektrische Feld entlang des Drahtes nach unten zeigt.

Das passierte übrigens aus Versehen einer Batterie im Heck seines Geländewagens. Leider passierte es neben einem Plastikkanister Benzin. Das daraus resultierende Feuer zerstörte sein Fahrzeug, Sekunden nachdem er an den Straßenrand gefahren und von dort gesprungen war.