Wie ändert sich die Geschwindigkeit von Elektronen in einem Stromkreis?

Wenn nichts im Weg wäre, hätte ein Elektron, das die Anode einer 4-Volt-Batterie verlässt, eine kinetische Energie von 4 Elektronenvolt, wenn es die Kathode erreicht.

Die mittlere freie Weglänge von Elektronen in Metalldrähten ist jedoch außerordentlich kurz, sodass Elektronen niemals so etwas wie diese Geschwindigkeit aufbauen. Das Endergebnis ist, dass die Elektronengeschwindigkeiten randomisiert sind, aber mit einer kleinen Durchschnittsgeschwindigkeit von der Anode zur Kathode, die als Driftgeschwindigkeit bezeichnet wird . Um Ihnen ein Gefühl für den Unterschied zu geben, beträgt die Elektronengeschwindigkeit, die 4 eV entspricht, etwa eine Million m/s, aber Driftgeschwindigkeiten liegen typischerweise bei etwa 1 m/s.

Um eine Analogie zu machen – nehmen Sie an, Sie stehen in einer angenehmen Brise von 1 m/s. Gemäß der Maxwell-Boltzmann-Verteilung beträgt die Geschwindigkeit von Luftmolekülen bei Raumtemperatur 300 bis 400 m/sec, aber ihre Richtungen sind zufällig und heben sich auf. Es bleibt eine Nettobewegung der Luft von 1 m/s, was der Driftgeschwindigkeit von Elektronen in einem Stromkreis entspricht.

Der beste Weg, Anfängern Elektronik beizubringen, ist die hydraulische Analogie . Auch wenn es auf den ersten Blick klobig erscheinen mag, ist die hydraulische Analogie bemerkenswert nützlich. Sie können sogar Schaltungselemente wie Kondensatoren modellieren.

Wenn wir von Spannung als Energie pro Ladungseinheit sprechen, manifestiert sich diese Energie zunächst einfach als kinetische Energie des Elektrons?

Spannung ist potentielle Energie pro Ladungseinheit. Eine Analogie: Spannung ist zu laden wie Höhe (wie auf der Erdoberfläche) zu Masse.

Wenn Sie also einen 1 kg schweren Stein 1 m hoch vom Boden heben, haben Sie diesem Stein ein gewisses Gravitationspotential hinzugefügt. Manifestiert es sich als kinetische Energie?

Nun, wenn Sie es in einer reibungslosen Umgebung fallen lassen, vielleicht. Aber jede Menge andere Dinge könnten passieren. Der Raum innerhalb von 1 m, in den das Objekt fällt, könnte mit etwas zähflüssigem Schleim gefüllt sein. In diesem Fall wird der größte Teil der potenziellen Energie der Gravitation durch Reibung in Wärme umgewandelt. Oder wir konstruieren einen Apparat, der beim Fallen der Masse einen Generator antreibt und seine potenzielle Gravitationsenergie in eine Art elektrische Energie umwandelt. Vielleicht laden wir eine Batterie auf, und sie wird zu chemischer Energie.

Und natürlich trifft es am Ende des Falls wahrscheinlich auf den Boden, überträgt Impuls auf die Erde und sendet unter anderem Energie als Schall aus. Es bleibt nicht lange als kinetische Energie, es sind die meisten realen Situationen.

Und so ist es auch mit Strom. Sie werden wahrscheinlich nichts finden, was einem reibungsfreien Ort entspricht, an dem elektrische Ladung "abgeworfen" werden kann. Wenn der Strom durch einen Widerstand fließt, wird er in Wärme umgewandelt. Wenn es durch einen Motor geht, wird es in mechanische Energie umgewandelt.

Es gibt Geräte, die Elektronen unter im Wesentlichen verlustfreien Bedingungen abgeben (Vakuumröhren, CRTs), aber die meisten dieser Geräte haben am Ende etwas, in das die Elektronen schlagen, um etwas anderes zu tun (im Fall der CRT, um sichtbares Licht zu erzeugen). In diesen Fällen wäre die kinetische Energie der Elektronen unmittelbar vor dem Aufprall proportional zu der Spannung, durch die sie gefallen sind, aber ich vermute nicht, dass dies für den Elektronikunterricht im Allgemeinen besonders aufschlussreich ist. Wenn überhaupt, zeigt es, dass selbst wenn der Strom in einer Reihenschaltung konstant ist, die Geschwindigkeit der Elektronen nicht unbedingt so ist.

Um zu wissen, was aus der elektrischen potentiellen Energie wird, müssen Sie wissen, was mit der fallenden Ladung passiert ist.

Potential nicht mit kinetischer Energie gleichsetzen. Wie schnell Elektronen in einem Leiter fließen, hat sehr wenig mit ihrem Potenzial zu tun. Dazu müssen Sie den Strom und die Ladungsträgerdichte berücksichtigen. Je nach Material können Sie ein paar schnelle Elektronen oder viele langsamere haben. Bei Halbleitern wird die Trägergeschwindigkeit höher sein - weshalb sich zum Beispiel der Hall-Effekt stärker zeigt.

Elektronen (Ladungsträger) verlieren Energie, wenn sie an dem Material, das sie durchqueren, gestreut werden. Dies wird als Widerstand erlebt. Wie viel Strom fließt, ist eine Funktion von Spannung und Widerstand. Wenn Sie also die Spannung verdoppeln und alles andere gleich ist, verdoppelt sich die durchschnittliche Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger (die gleiche Anzahl von Ladungsträgern bewegt sich doppelt so schnell). Aber diese Geschwindigkeit ist für einen guten Dirigenten überraschend niedrig - ich empfehle Ihnen, sie zu berechnen, um sich selbst zu überzeugen.

Wenn wir von Spannung als Energie pro Ladungseinheit sprechen, manifestiert sich diese Energie zunächst einfach als kinetische Energie des Elektrons?

Nein überhaupt nicht.

Denken Sie daran, dass insbesondere in elektrischen Schaltungen die Spannung nicht an einem Punkt gemessen wird (im Allgemeinen ist das Potential an einem Punkt nicht physikalisch aussagekräftig – nur die Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten ist physikalisch aussagekräftig).

Wir sprechen von der Spannung über (oder zwischen) zwei Anschlüssen oder Knoten in einem Stromkreis.

Zum Beispiel sagen wir nicht, dass der Pluspol einer Batterie eine Spannung von 1,5 V hat, wir sagen, dass die Spannung zwischen (zwischen) dem Plus- und dem Minuspol der Batterie 1,5 V beträgt.

Nun, wie Sie darauf hinweisen, ist Volt Joule pro Coulomb. Wie ist das zu interpretieren?

Im Fall der obigen Batterie verrichtet die (ideale) Batterie 1 Joule Arbeit, indem sie 1 Coulomb Ladung vom Minuspol (niedrigeres Potential) zum Pluspol (höheres Potential) der Batterie bewegt.

Wenn die Batterie mit einem Widerstand verbunden ist, wird die durch die Coulomb-Ladung gewonnene Energie im Widerstand in Wärme umgewandelt.

Die Geschwindigkeit, mit der die Arbeit verrichtet wird, ist die Leistung und ergibt sich aus dem Produkt der Spannung und des Stroms (Flussrate der elektrischen Ladung) durch.

Beachten Sie, dass kinetische Energie nicht erwähnt wurde. Die Batterie erledigt (idealerweise) die gleiche Menge an Arbeit, indem sie 1 Coulomb Ladung von negativ nach positiv „pumpt“, unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der dies geschieht.

Bedeutet dies außerdem nicht, dass die Elektronen fast zum Stillstand kommen, wenn sie den Pluspol der Batterie erreichen?

Stellen Sie sich zum Beispiel eine 1,5-Volt-Batterie vor, die über einen einheitlichen Leiter mit einem Gesamtwiderstand von 1 Ohm angeschlossen ist. Der Strom durch den Leiter beträgt nach dem Ohmschen Gesetz 1,5 Ampere, und da der Leiter gleichmäßig ist, beträgt die Ladungsmenge, die durch jeden Querschnitt irgendwo entlang des Leiters fließt, 1,5 Coulomb pro Sekunde .

Die Elektronen in der Nähe des positiven Endes der Batterie haben zwar weniger Energie als die Elektronen in der Nähe des negativen Endes der Batterie, aber das liegt an ihrer Position im elektrischen Feld, dh an ihrem Unterschied in der potentiellen Energie.

Diese Frage wurde bei den marokkanischen Olympiaden gestellt:

Sie sagten: Wenn wir die gleiche Schaltung haben: Im ersten Fall wird der elektrische Strom gemessen$I_1=1A$und den zweiten Fall haben wir$I_2=2A$. Die Geschwindigkeit der Elektronen wird sich ändern ? eine mathematische Erklärung geben.

Ich werde einfache Physik verwenden: (Highschool-Niveau)

Wir wissen das :$I=\frac{Q}{\delta t}$

Und die Geschwindigkeit ist gegeben durch:$v=\frac{\delta d}{\delta t}$

Also können wir die Geschwindigkeit schreiben:$v=\frac{I.\delta d}{Q}$

Wir beobachten, dass die Geschwindigkeit geändert werden kann, der Faktor hier ist der elektrische Strom.

Ich sehe, dass es dasselbe ist wie Ihre Frage, ich habe verwendet, was sie bei der endgültigen Lösung gegeben haben.