Wie erzeugen Widerstände unterschiedliche Wärme, wenn wir den Strom fixieren und die Spannung und den Widerstand ändern? Beachten Sie, dass der Ladungsfluss konstant ist

Ihre erste Schaltung ist wie folgt:

Es fließen also 2 A und im Widerstand wird eine Leistung von 20 W abgeführt.

Dann verdoppeln Sie die Spannung und den Widerstand:

Die zwei Batterien summieren sich zu einer einzigen Quelle von 20 V. Die beiden Widerstände addieren sich zu einem Gesamtwiderstand von 10$\Omega$. Wie Sie richtig sagen, ist der Strom derselbe wie zuvor (2A). Daher beträgt die Leistung jetzt 40W

Aber diese Leistung wird zwischen den beiden Widerständen aufgeteilt: jeweils 20 W, genau wie zuvor.

Sie können auch feststellen, dass das Potential am Punkt zwischen den Widerständen 10 V beträgt, sodass jeder Widerstand genau wie zuvor 10 V hat.

Wirklich alles, was Sie getan haben, ist die Schaltung zu verdoppeln, so dass Sie doppelt so viel haben wie vorher.

• Stellen Sie sich vor, Flüssigkeit durch einen Strohhalm zu saugen. Es fließt mit einer bestimmten Geschwindigkeit.
• Drücken Sie nun den Strohhalm zusammen (erhöhen Sie den Widerstand). Der Fluss (Volumen pro Sekunde) verlangsamt sich.
• Um die Fließgeschwindigkeit hoch zu halten, müssen Sie stärker saugen. Das ist die Spannung (stellen Sie sich das als elektrischen "Druck" vor). Diese Delle im Stroh "verbraucht" nun den ganzen Druck, der jetzt viel höher ist.

Grundsätzlich verursacht die Delle im Stroh Energieverlust und hätte somit zu einer Verlangsamung des Durchflusses geführt. Sie bemerken es nur nicht, weil Sie den Fluss sofort wieder auffüllen, indem Sie den Druck erhöhen.

Dies ist direkt analog zu elektrischen Schaltungen: Der größere Widerstand verursacht einen Energieverlust und hätte somit zu einer Verlangsamung des Stroms (Elektronenfluss) geführt, da er ihre kinetische Energie "aussaugt". Das merkt man aber nicht, weil man diesem Verlust mit einer höheren Spannung entgegenwirkt, die die Elektronen nach vorne "zwingt", um trotzdem die gleiche Geschwindigkeit zu halten.

Stellen Sie sich den Widerstand als ein Rohr vor, das voller magisch unbeweglicher (damit sie nicht von der Strömung weggeschwemmt werden) Kieselsteine ​​​​(*) sind. Der elektrische Strom ist wie Wasser, das durch dieses Rohr fließt. Unterschiedliche Widerstände haben unterschiedliche Kieseldichten, und je dichter die Kiesel mit weniger und verschlungeneren Hohlräumen zwischen ihnen gepackt sind, desto schwieriger ist es für das Wasser, durchzukommen. Das elektrische Feld im Draht drückt das Wasser durch das Kiesbett, wie es eine Wasserdruckquelle wie eine Pumpe oder eine Abfahrt mit echtem Wasser tut.

Angenommen, eine Pfeife hat eine relativ grobe und lückenhafte Kieselfüllung (unten$R$), während der andere eine feinere und dichter gepackte Füllung hat (höher$R$). Beide werden einem Wasserfluss ausgesetzt, und diese Flüsse sind so abgestimmt, dass beide die gleiche Perfusion (Durchflussrate des Wassers) des Kieselbetts aufrechterhalten. Glauben Sie, dass die gleiche Antriebskraft und damit der gleiche Druck zu einer identischen Durchblutung führen? Wenn nein, welche werden Ihrer Meinung nach mehr und welche weniger benötigen?

Und dann, wenn Sie es härter fahren, bedeutet dies, dass eine größere Kraft ausgeübt wird und mehr Arbeit in einer bestimmten Zeit geleistet wird, um das gleiche Ergebnis (Fluss oder Perfusionsrate) zu erzielen, daher desto schneller auch die Rate, mit der Energie wird in Wärme umgewandelt. Was hat dann die größte Verlustleistung und wird daher am heißesten?

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(*) Hinweis für andere Leser: Technisch gesehen sind die "Kieselsteine" in einem echten Widerstand beweglich und fliegen tatsächlich überall herum (für einen angemessen quantenmechanisch unscharfen Begriff von "Fliegen"), aber ich benutze dies dazu Halten Sie die Illustration einfach.

Hier ist ein mentales Experiment, das Sie durchführen können.

Nehmen Sie einen Widerstand, der eine bestimmte Wärmemenge Q erzeugt, während eine Spannung an ihn angelegt wird, was zu einem Strom führt. Schneiden Sie nun den Widerstand senkrecht zur Stromrichtung in zwei gleiche Teile. Ganz offensichtlich, wenn der gesamte Widerstand Q erzeugt, sollte jeder Teil Q/2 erzeugen. Der Strom in jedem Teil ist jedoch genau gleich, sodass nach Ihrer Logik jede Hälfte immer noch die gleiche Wärmemenge erzeugen sollte wie der ursprüngliche Widerstand.