Welche Energieform geht in einer einfachen Schaltung aus Batterie + Widerstand aus den Elektronen verloren, wenn sie den Widerstand verlassen?

Nehmen wir an, die Durchschnittsgeschwindigkeit eines Elektrons sollte überall im Stromkreis gleich sein, einschließlich Drähten und Widerständen. Dies trifft im Allgemeinen nicht zu (z. B. wenn sich der Durchmesser eines Drahts ändert), ist aber eine vernünftige Vereinfachung.

Wenn wir ein einzelnes Elektron verfolgen, sehen wir vermutlich, dass es durch das elektrische Feld schneller wird, dann mit einem Atom (Ion) kollidiert, seine Geschwindigkeit und seine kinetische Energie (die in Wärmeenergie umgewandelt wird) verliert und beschleunigt wieder.

Wenn wir davon ausgehen, dass die Häufigkeit der Stöße in einem Widerstand größer ist als in einem Draht, dann wäre bei gleichem elektrischem Feld (also gleicher Beschleunigung) die mittlere Geschwindigkeit der Elektronen im Widerstand kleiner als im Draht, Die Elektronen häufen sich also am vorderen Ende des Widerstands an und haben am hinteren Ende ein Defizit, was das elektrische Feld im Inneren des Widerstands erhöht.

Infolgedessen werden die Elektronen im Widerstand schneller beschleunigt, so dass sie auch bei erhöhter Kollisionshäufigkeit die gleiche Durchschnitts- (und Höchst-) Geschwindigkeit wie die Elektronen im Draht haben. Da die Häufigkeit von Kollisionen zugenommen hat und der mit jeder Kollision verbundene kinetische Energieverlust (Wärmegewinn) derselbe ist (aufgrund der gleichen Höchstgeschwindigkeit), ist die Wärme, die von jedem passierenden Elektron pro Längeneinheit im Widerstand erzeugt wird, größer als in das Kabel.

aber das klingt für mich nach einem Grund dafür, dass ihre KINETISCHE Energie reduziert wird. Dies ist jedoch eindeutig nicht der Fall.

Wenn es keine anderen Kräfte bei den Anklagen gäbe, hätten Sie Recht. Aber es gibt auch ein elektrisches Feld im Widerstand, das eine Vorwärtskraft bereitstellt. Diese Kräfte gleichen sich aus. Bei einer Nettokraft von Null gibt es keine Beschleunigung der Ladung und die kinetische Energie ändert sich nicht.

Stellen Sie sich einen Block vor, der mit Reibung eine Rampe hinunterrutscht. Im richtigen Winkel wird der Verlust durch Reibung durch den Gewinn an potenzieller Energie genau ausgeglichen. Die kinetische Energie bleibt unverändert, aber potentielle Energie geht verloren und das System gibt Wärme ab.

Die Energie kam von irgendeinem Prozess, der den Block auf die Spitze der Rampe hob. In der Schaltung ist die Batterie das Mittel, das die Ladungen mit ausreichend potentieller Energie an der richtigen Stelle platziert.

Ich würde denken, dass die Elektronen nach dem Verlassen des Widerstands alle beschleunigen sollten, da sie nicht mehr so ​​stark behindert werden

Das Zeug beschleunigt nur, wenn eine Nettokraft drückt / zieht. Und es gibt keine solche Nettokraft nach dem Verlassen des Widerstands. Die Elektronen werden sich nicht bewegen, nur weil es "Raum" gibt.

Welche Art von Energie wird "gehandelt", um die Wärme zu erzeugen, die vom Widerstand abgestrahlt wird?

Das wäre elektrische potentielle Energie. Die Batterie „drückt“ die Elektronen durch die „Einschnürung“ oder „Filter“, die der Widerstand ist, und diese „Schubenergie“ wird im Vorbeigehen in Wärme umgewandelt. Diese „Schubenergie“ wird elektrische potentielle Energie genannt .

Bedeutet dies, dass es für mich einfacher wäre, sie an den Anfang des Widerstands zu bringen, als sie an das Ende des Widerstands zu bringen, wenn ich eine positive Testladung hätte?

Ich bin mir nicht sicher, was du hier meinst. Sicherlich ist es einfacher, die Ladung als Teil des Stroms „dem Fluss folgen“ zu lassen. Die Batteriespannung "schiebt" sie durch den Widerstand von einer Seite zur anderen. Dabei „saugt“ der Widerstand etwas Energie ab.

Um eine Ladung rückwärts durch den Widerstand zu bewegen, müssten Sie nicht nur eine weitere Energierunde hinzufügen, damit der Widerstand "aussaugen" kann, sondern auch genügend Energie hinzufügen, um den "Schub" der Batterie zu überwinden (um den Abfall wiederzuerlangen Stromspannung). Dies ist eine seltsame Situation, die externe Eingriffe erfordert - ich vermute, Sie haben etwas anderes gemeint ...

Warum genau wird elektrische Energie "zerstreut", wenn die Elektronen den Widerstand passieren? [...] weil alle Elektronen auf dicht gepackten Müll laufen, der ihren Fluss behindert, aber das klingt für mich nach einem Grund dafür, dass ihre KINETISCHE Energie reduziert wird.

Aber das ist genau richtig. Im klassischen Modell (damit wir nicht in die Quantenmechanik eintauchen müssen) stoßen Elektronen auf die Atome des dichter gepackten Widerstandsmaterials. Ein getroffenes Atom wird somit "angestoßen" und beginnt sich zu bewegen (vibrieren; das nennen wir auf der Makroskala thermische Energie oder Temperatur - es wird wiederum als Wärme abgestrahlt) - es erhält etwas kinetische Energie vom Elektron, die wiederum etwas kinetische Energie verliert .

Denken Sie jetzt daran, dass der "Push" der Batterie immer noch wirkt. Das Elektron direkt dahinter bewegt sich immer noch mit voller Geschwindigkeit. Es drückt auf das Elektron, das etwas an kinetischer Energie verloren hat, und bringt es wieder auf Hochtouren. Dieses andere Elektron verliert also etwas kinetische Energie, aber es hat auch ein Elektron hinter sich. Dieser „Bewegungsenergieverlust“ pflanzt sich also bis zum Batteriepol fort. Am Ende nimmt die Batterie die verlorene Energie auf und führt sie den Elektronen wieder zu, um den Strom am Laufen zu halten – weshalb Batterien irgendwann der Saft ausgeht.

Es ist also tatsächlich kinetische Energie im Mikromaßstab, die im Widerstand in Wärme umgewandelt und dissipiert wird. Aber wenn dieser kinetische Energieverlust sofort wieder aufgefüllt wird, so dass sich alle Elektronen insgesamt mit der gleichen konstanten Geschwindigkeit bewegen, dann nennen wir die Situation einen stationären Zustand .

Die elektrische Potentialdifferenz (elektrisches Feld) zwischen den beiden Enden des Widerstands wirkt auf die Elektronen im Widerstand, wodurch sie beschleunigt werden und kinetische Energie gewinnen. Die Geschwindigkeit der Elektronen nimmt jedoch nur für kurze Zeit zu, da jedes beschleunigte Elektron häufigen Kollisionen mit positiven Ionen im Widerstand ausgesetzt ist und seine kinetische Energie verliert, wodurch Wärme erzeugt wird. Als Ergebnis ist der Strom (eine Funktion der durchschnittlichen Driftgeschwindigkeit der Elektronen), der in den Widerstand fließt, gleich dem Strom, der den Widerstand verlässt.

Welche Energieform geht in einer einfachen Schaltung aus Batterie + Widerstand aus den Elektronen verloren, wenn sie den Widerstand verlassen?

Elektronen verlassen den Widerstand mit weniger potenzieller Energie als sie in den Widerstand eintreten (das elektrische Potenzial am Ausgangsanschluss ist positiver als das am Eingangsanschluss, und Elektronen haben eine negative elektrische Ladung).

Ja, Elektronen geben aufgrund von Kollisionen kinetische Energie an das Gitter ab, aus dem der Widerstand besteht. Deshalb wird der Widerstand durch den Elektronenstrom erhitzt.

Es gibt jedoch auch ein elektrisches Feld durch den Widerstand ( muss bei einer Potenzialdifferenz über den Widerstandsanschlüssen vorhanden sein). Während also die Elektronen (im Durchschnitt) aufgrund von Kollisionen mit dem Gitter Energie abgeben, gewinnen sie auch kinetische Energie, wenn sie durch das elektrische Feld im Inneren beschleunigt werden.

Insgesamt wird die an das Gitter verlorene kinetische Energie durch den Gewinn an kinetischer Energie aufgrund des elektrischen Felds ausgeglichen, so dass die an das Widerstandsgitter gelieferte Energie durch die potenzielle Energie ausgeglichen wird, die durch die Elektronen verloren geht.

(Um die Antworten auf ähnliche Fragen zu konsolidieren, ist das Obige eine Kopie und Einfügung meiner Antwort auf diese kürzlich gestellte und hier als doppelte Frage geschlossene )