Wie bewegt sich elektrische Energie mit Lichtgeschwindigkeit, wenn die Geschwindigkeit der Elektronendrift so gering ist, dass sie die Spannungsdifferenz in dieser Zeit nicht abbauen kann?

Es ist bedauerlich, aber viele erste Einführungen in den Elektromagnetismus legen den Schwerpunkt darauf, was die geladenen Teilchen tun, und geben den elektrischen und magnetischen Feldern selbst weitgehend eine untergeordnete Rolle. Das ist genau die falsche Art, über Elektromagnetismus nachzudenken: Die Felder selbst sind von größter Bedeutung. Überlegungen darüber, was Elektronen tun, kommen an zweiter Stelle (und als Folge davon, was die Felder tun).

Ich sollte auch darauf hinweisen, bevor ich weiter erkläre, was ich meine, dass sich Energie nicht „bewegt“, da sie keine definierte Größe ist, die an einem bestimmten Punkt im Raum existiert. Ein besser zu verwendendes Konzept wäre die Energiedichte , die Punkt für Punkt im gesamten Raum definiert ist. Dieses Konzept ist jedoch komplizierter als die Gesamtenergie, da es eng mit anderen Konzepten wie der Impulsdichte verknüpft ist und Kalkül zur Diskussion erfordert. Es verursacht auch einige Verwirrung, weil die elektrischen und magnetischen Felder selbst sowohl Energie als auch Impuls tragen, ein Punkt, der den Studenten oft erst vor Abschluss der Studienarbeiten mitgeteilt wird.

Nun, in einem elektrischen Stromkreis ist das, was sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, die elektrischen und magnetischen Felder, sicherlich nicht die elektrischen Ladungen (obwohl sich Licht in Materialien etwas langsamer bewegt, ist es für im Wesentlichen alle Anwendungen gleich der Lichtgeschwindigkeit). . Der Grund, warum der Strom mit Lichtgeschwindigkeit "einzuschalten" scheint (d. h. zu fließen beginnt), liegt wirklich darin, dass die Felder dies getan haben .

Betrachten Sie für den Moment das elektrische Feld und nehmen Sie nur zur Veranschaulichung an, wir betrachten den sehr langen Draht und das elektrische Feld ist anfangs überall gleich Null. Nehmen wir dann an, wir tun etwas, um ein elektrisches Feld an einem Ende des Kabels erscheinen zu lassen und beginnen, uns so auszubreiten, dass es den Wert ungleich Null hat, auf den wir es im gesamten Kabel eingestellt haben. Da sich das elektrische Feld mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet, dauert es einige Zeit ungleich Null, bis das andere Ende des Drahtes ein elektrisches Feld ungleich Null aufweist.

Denken wir nun an die Elektronen, sagen wir, im Draht. Anfänglich ist das elektrische Feld ausgeschaltet, sodass die Elektronen keine Lorentzkraft erfahren (außer den elektrischen Feldern aufgrund anderer Elektronen und Atome, aber wir werden diese der Einfachheit halber ignorieren) und daher nicht wirklich irgendwohin gehen . Aber sobald das elektrische Feld an einem bestimmten Elektron nicht Null ist, erfährt dieses Elektron eine Lorentz-Kraft und beginnt sich entsprechend zu bewegen. Unter der Annahme, dass das elektrische Feld so ausgerichtet ist, dass es entlang der Länge des Drahtes zeigt, beginnen die Elektronen, sich den Draht hinunter zu bewegen, wodurch durch ihre kollektive Bewegung ein Strom erzeugt wird.

Zu keinem Zeitpunkt bewegt sich also ein Elektron mit Lichtgeschwindigkeit oder annähernd so schnell. Was sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, ist das "Signal" (das elektrische Feld), das jedem Elektron sagt, dass es sich bewegen soll.

So funktioniert auch Wechselstrom. Das elektrische Feld ändert sich mit der Zeit und ändert die Richtungen auf dem Draht nach oben und unten. Die Elektronen erhalten also Signale, sich entsprechend in die eine oder andere Richtung zu bewegen. Dieses Signal (wieder die elektrischen/magnetischen Felder) kann sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ohne dass die Elektronen selbst dies jemals tun müssten.

Dies erklärt auch, warum beispielsweise ein Telefon (man denke an Festnetzleitungen, damit wir es nicht mit elektromagnetischen Wellen zu tun haben, die sich durch die Luft ausbreiten) das Audiosignal mit Lichtgeschwindigkeit übertragen kann (für die meisten Anwendungen auf der Erde sind die Entfernungen gering). genug, dass die Verzögerung aufgrund der Lichtgeschwindigkeit nicht sehr auffällig ist). Wir brauchen kein Elektron, um von einem Telefon zum anderen zu reisen, was wir brauchen, ist ein Signal zu senden, das den Elektronen am anderen Ende sagt, wie sie sich bewegen sollen, und dann einfach "lesen/messen", was die Elektronen am Empfangen Ende tun (dann das Audio aus diesem Signal rekonstruieren, aber das ist ein separates Problem). Tatsächlich sind nur die elektrischen/magnetischen Felder gereist. Die Elektronen selbst sind für viele Absichten und Zwecke

Bearbeiten: Um ein paar Dinge basierend auf den Kommentaren zu klären. Die obige Beschreibung soll größtenteils nur die Idee vermitteln, dass das richtige Objekt, über das man nachdenken sollte, eher die Felder als die Elektronen sind. Genauer gesagt sollte ein Draht als Wellenleiter modelliert werden, damit sich die relevanten Felder wirklich in dem Dielektrikum ausbreiten, das den Draht umgibt. Innerhalb eines Leiters selbst erfahren elektromagnetische Felder eine exponentielle Dämpfung und verhalten sich daher nicht ganz so, wie wir uns das vorstellen, wenn wir von „Wellen“ sprechen. Insbesondere wird die Oszillationsfrequenz komplexwertig.

Lassen Sie mich außerdem darauf hinweisen, dass die obige Beschreibung völlig unabhängig davon ist, wie die elektromagnetischen Felder erzeugt werden. Sie könnten das Ergebnis eines tatsächlichen Ladungsunterschieds zwischen den Enden des Drahts sein, durch die Bewegung einiger Ladungen an einem Ende, die eine sich ausbreitende Welle verursachen würden, oder durch eine Kombination von Faktoren.

Da das OP speziell nach Gebührenunterschieden gefragt hat, möchte ich insbesondere darauf hinweisen, dass die genauen Details davon abhängen, wie die Gebührenunterschiede entstehen. Wenn wir das einfachste Beispiel betrachten würden, in dem wir mit den Fingern schnippen und einen Ladungsunterschied erzeugen (nehmen Sie den Ladungsunterschied als unsere Anfangsbedingung), dann würden wir sehen, dass sich ein elektrisches Feld ungleich Null von beiden Seiten ausbreitet, um sich zu treffen mitten drin. Dies würde dazu führen, dass sich die Elektronen auf beiden Seiten vor denen in der Mitte zu bewegen beginnen.

Ich nehme an, es könnte interessant sein, die genauen Details dieser Dynamik auszuarbeiten, aber lassen Sie mich beschreiben, was ich erwarte. Die ungleichmäßige Bewegung der Ladungen im Draht aufgrund der Anfangsbedingungen führt dazu, dass "Klumpen" von Nicht-Null-Ladungen entlang des Drahtes erscheinen, und insbesondere, sobald die Ladungsdifferenz zwischen den Enden ausgeglichen ist, bleiben sie bestehen Ladungen ungleich Null entlang des sich bewegenden Drahtes.

Wie sich diese Klumpen entlang des Drahtes bewegen werden, hängt, so vermute ich, von der Selbstinteraktion der Klumpen mit den elektromagnetischen Feldern ab, die sie durch ihre eigene Existenz erzeugen, was das Problem etwas komplizierter macht und möglicherweise sogar Renormalisierungstechniken erfordert (siehe z Beispiel die Selbstinteraktionsberechnung für eine Punktladung in Jackson), da ein Draht eindimensional ist. Trotzdem würde ich erwarten, dass sich die Schwingungen dieser Klumpen entlang des Drahtes im Laufe der Zeit aufgrund von Energie abschwächen, die von elektromagnetischen Feldern (es gibt eine nicht triviale Bewegung von Ladungen) und von Wärme (Widerstand ungleich Null entlang des Drahtes) abgestrahlt wird.