Wie verhalten sich Elektronen im Kupferdraht, wenn die Quelle Wechselstrom oder Gleichstrom ist?

Atome enthalten mehrere Schichten oder Schalen von Elektronen. Das Wasserstoffatom hat ein Elektron auf der ersten Schicht, das Heliumatom hat zwei auf der ersten Schicht, das nächste Atom (Lithium) hat zwei auf der ersten Schicht, dann eines auf der zweiten Schicht usw. Jede Schicht kann typischerweise nur ein bestimmtes halten Anzahl der Elektronen.

Die besten Leiter haben ein Atom in ihrer äußersten Schicht, und sie geben es gerne auf. Betrachten Sie das Kupferatom . Es hat die folgende Elektronenzahl in jeder Schicht: 2, 8, 18, 1. Es gibt dieses eine Elektron unter einem schwach geladenen Feld ab, und es wird dann positiv geladen und "zieht" ein Elektron von einem benachbarten Kupferatom. Wenn Sie sich Silber und Gold ansehen, sind sie ähnlich angeordnet: 2, 8, 18, 18, 1 für Silber und 2, 8, 18, 32, 18, 1 für Gold.

Sie können jedem Atom ein Elektron entziehen, aber die besten "Leiter" benötigen dazu nur ein schwaches Feld.

Wenn ich also mit einem schwachen elektrischen Feld ein Elektron vom Ende eines Kupferdrahts abziehe, dann könnte dieses Atom ein Elektron von seinem Nachbarn abziehen, und schließlich verliert ein Kupferatom irgendwo im Draht sein Elektron, kann es aber nicht bekommen jemand anderes, weil er zu weit weg ist oder mit einem anderen Feld interagiert. Wenn ich ein Elektron in das Ende des Drahtes schiebe, dann hat das Kupferatom, das es bekommt, zu viele, weist eine negative Ladung auf und schiebt im Wesentlichen sein zusätzliches Elektron auf ein anderes Kupferatom, bis es ein Atom findet, das nicht kommen kann loszuwerden, oder ein Atom, dem bereits eines fehlt.

Sie können Elektronen auch auf Isolatoren schieben und ziehen - Sie tun dies, wenn Sie beispielsweise mit Stoff und Kunststoff statische Aufladungen aufbauen.

Leiter verteilen die Ladung jedoch intern neu. Wenn Sie also ein Ende eines Drahts mit zusätzlichen Elektronen aufladen, können Sie das andere Ende des Drahts als ähnlich geladen betrachten.

Eine Batterie, die oft eine chemische Reaktion nutzt, baut an einem Ende eine positive Ladung und am anderen eine negative Ladung auf. Wenn Sie einen Leiter zwischen den beiden Enden anschließen, zwingen Sie Elektronen durch den Leiter, wenn sie von der negativ geladenen Seite (zu viele Elektronen) zur positiv geladenen Seite (zu wenige Elektronen) wandern.

Die Elektronen bewegen sich bei Gleichstrom nur in eine Richtung und bei Wechselstrom in die eine Richtung und dann in die andere. Aufgrund des sich ändernden Magnetfelds (dh der Draht wird zu einem Induktor) breiten sich Hochfrequenz-Wechselstromsignale typischerweise nahe der Oberfläche des Drahts aus. Sie können nachschlagen, um dies besser zu verstehen. Die Elektronen wandern zwischen den Atomen des Leiters.

Jedes Mal, wenn Sie 6,28 x 10 ^ 18 Elektronen durch den Draht schieben, haben Sie einen Strom von einem Ampere bewegt. Das sind 6,28 Milliarden Milliarden Elektronen. Es gibt jedoch ungefähr 4,38 x 10 ^ 22 Kupferatome in einem Meter 20-Gauge-Draht. Wenn Sie also einen vollen Verstärker durchschieben und eine gleichmäßige Verteilung annehmen, werden Sie keine der Elektronen herausbekommen, die Sie hineingeschoben haben - Sie würden Elektronen ausgestoßen haben, die sich bereits im Draht befanden. Elektronen bewegen sich langsam, einzeln, aber die Ladung verteilt sich schnell – sobald Sie ein Elektron hineinschieben, stellen Sie fest, dass es einfacher ist, eines am anderen Ende fast mit Lichtgeschwindigkeit vom anderen Ende abzuziehen. Es ist nicht das gleiche Elektron, aber die Wirkung und Ladung sind gleich.

Ein guter Leiter verteilt die Ladung sehr, sehr schnell und wandelt nicht viel der Bewegung in Wärme um. Wenn Sie den gleichen Strom durch den gleich großen Golddraht und den gleich großen Kupferdraht leiten, erwärmt sich der Golddraht stärker, weil es für diese Goldatome schwieriger ist, Elektronen abzugeben und aufzunehmen.

Dh welcher Art Pfad folgen sie, wenn sie das Ende des Drahtes erreichen?

Sie tun es nicht. Wenn es einen offenen Stromkreis gibt, gibt es keinen Strom.

Strom ist eigentlich nur Elektronenfluss: 1 A Strom in eine Richtung = 6,24 x 10 ¹⁸ Elektronen fließen in die andere Richtung. (Bedanken Sie sich dafür bei Benjamin Franklin: Er hat die Vorzeichenkonvention für Strom festgelegt, basierend auf der Bewegung dessen, was er für positive Ladung hielt.)

Strom in einem Leiter wird gewissermaßen durch elektrische Felder verursacht. In einem Leiter ist die Stromdichte J = σE, wobei J in Ampere/m ² angegeben ist, σ die Leitfähigkeit des Materials und E das elektrische Feld ist.

Wenn Sie einen Draht in einem Stromkreis mit Komponenten (z. B. Widerständen usw.) an eine Spannungsquelle angeschlossen haben, erzeugt diese Spannung elektrische Felder entlang des Stromkreises, wodurch Strom fließt. Wenn die Elektronen das Ende des Drahtes erreichen, der mit einer anderen Komponente verbunden ist, bewegen sie sich in diese Komponente und fahren in einer Schleife um den Stromkreis herum.

Die einfachste Analogie hier ist wahrscheinlich der Wasserfluss. Strom ist analog zum Wasserfluss, Spannung ist analog zum Druck, Batterien sind analog zu Pumpen, Drähte sind analog zu Schläuchen oder Rohren. (Im Gegensatz zur Wasseranalogie wird der Strom unterbrochen, wenn Sie einen Stromkreis unterbrechen, da die Leitfähigkeit von Elektronen in der Luft sehr gering ist, während beim Unterbrechen eines Schlauchs Wasser austritt.)

Ein Metallleiter ist ein Meer freier Elektronen, die durch die positive Ladung der Atomkerne, aus denen das Metall besteht, in einem Potentialtopf gehalten werden. So funktioniert es: Einige Elektronen sind fest an den Kern der Atome gebunden, andere können frei wandern. Die fest gebundenen bewegen sich nicht, aber die freien können gehen, wohin sie wollen ... irgendwie. Wärme (brownsche Bewegung) lässt all diese Partikel herumschubsen und sie bewegen sich schneller, wenn die Temperatur steigt. Da sich einige Elektronen frei bewegen können, werden sie durch das Anstoßen tendenziell weiter vom Rest der Atome abprallen. Hinter der Oberfläche des Drahtes beginnt sich eine Elektronenwolke zu bilden, die größer wird, wenn wir die Dinge aufheizen. Wenn sich die Elektronenwolke weiter nach außen bewegt, entwickeln die Atome, die an Ort und Stelle stecken (eigentlich in einem Kristallgitter), eine positive elektrische Ladung, die dazu neigt, die Elektronen zurückzuziehen. Es besteht also ein Gleichgewicht zwischen Stößen aufgrund von Wärme, die dazu neigen, die Elektronenwolke auszudehnen (etwas wie die Moleküle in einem Gas, die es beim Erhitzen ausdehnen wollen) und dem elektrischen Feld, das sich entwickelt, weil negative Elektronen einen Teil ihrer Zeit weiter verbringen vom Draht entfernt als die zurückgelassenen positiven Atome. Der Nettoeffekt besteht darin, dass alle Elektronen in der Nähe des Drahtes bleiben müssen, sich aber mit steigender Temperatur weiter nach außen bewegen. Es gibt eine Reihe von Dingen, die aufgrund dieses „Meeres von Elektronen“ passieren.

Erstens ist es ein Meer, und wir können eine Analogie zum Ozean ziehen. Entlang der Ostküste der USA gibt es den sogenannten Golfstrom. Es ist eine Strömung im Meer. Er bewegt sich mit wenigen Kilometern pro Stunde und transportiert viel Wasser nach Norden. Im Ozean gibt es auch Wellen. Wenn es im Atlantik ein Erdbeben gäbe, würde ein daraus resultierender Tsunami mit 600 Meilen pro Stunde über den Ozean ziehen. Wir haben also die Erfahrung gemacht, dass sich Wellen in einem Meer sehr schnell bewegen können, während sich die Strömung viel langsamer bewegt. Bei einem Draht ist es ganz ähnlich. Wenn Sie ein positives Potential an das Ende eines Drahtes anlegen, werden die Elektronen in der Wolke um den Draht herum angezogen. Tatsächlich konkurriert Ihre positive Ladung jetzt mit der positiven Ladung der Atome, und einige der Elektronen werden sich in Ihre Richtung verschieben. Einige können sich sogar physisch in Ihre positive Ladung bewegen, die Sie angelegt haben, aber meistens verschiebt sich die Elektronenwolke am Ende des Drahtes zu Ihnen hin. Sobald sie sich verschieben, werden diejenigen, die etwas weiter innen liegen, die Verschiebung sehen, weil jetzt weniger negative Elektronen auf der Ihnen zugewandten Seite vorhanden sind. Sie werden sich also verschieben. Dieser Prozess breitet sich den Draht hinunter aus, wobei sich jede Ladung von Elektronen aufgrund der Feldänderung aufgrund der Verschiebung anderer verschiebt. Wenn die „Welle“ das andere Ende des Drahtes erreicht, verschiebt sich die Wolke dort zum entgegengesetzten Ende und legt mehr von der positiven Ladung der Atome frei, sodass Sie am Ende ein positives Potential sehen. Aber es passiert nicht sofort. Der Bereich Kabel muss sich ändern und das braucht Zeit. Jetzt kommt der wirklich interessante Teil: Elektrische Felder bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit außerhalb des Drahtes, aber sie bewegen sich SEHR LANGSAM innerhalb des Drahtes. Ich habe keine genauen Zahlen, aber draußen rasen die Drahtfelder mit 3x10^8 Metern/Sek. Innerhalb des Drahtes ist es nicht einmal ein Meter pro Sekunde. Wenn Sie Gleichstrom anlegen, dauert es sehr lange, bis ein einzelnes Elektron tatsächlich den Draht hinunter zum anderen Ende wandert. Wenn Sie jedoch einen positiven Impuls an den Draht anlegen, sehen Sie am anderen Ende einen positiven Impuls mit etwa Lichtgeschwindigkeit (wenn Sie einen Isolator um den Draht legen, geht es tatsächlich etwas langsamer, aber das ist ein Detail für die Moment). Wie kann das sein? Wenn sich Felder im Draht sehr langsam ausbreiten, wie kommt der Puls dann so schnell ans andere Ende? Dies geschieht aufgrund des Feldes UM den Draht herum. Ein Draht, insbesondere für Wechselstromsignale, wirkt in gewissem Maße wie ein umgestülpter Wellenleiter. Felder können innerhalb des Drahtes nicht in Gang kommen, also bleiben sie in der Nähe der Oberfläche und drängen nur die Elektronen in der Nähe der Oberfläche. Für Gleichstrom, Die Felder können schließlich den gesamten Draht durchdringen und alles in Bewegung bringen, aber bei Wechselstrom kehrt sich das Feld in regelmäßigen Abständen um, so dass es sich, sobald es ein wenig in den Draht hineingeht, umkehrt und von vorne beginnen muss. Der Nettoeffekt besteht darin, dass Ströme in Drähten in einem schmalen Bereich nahe der Oberfläche fließen: Dies wird als „Skin-Effekt“ bezeichnet. Ich glaube nicht, dass es von Dr. Skin entdeckt wurde (aber ich könnte mich irren), ich denke, es bezieht sich nur auf den Strom, der an der Oberfläche oder "Haut" des Drahtes haftet. Wenn Sie sich fragen, wie wichtig das ist: sehr, sehr, sehr viel. Tonnen. Tolle Gobs. Ich habe professionell Kabel-Equalizer für Videosignale gebaut. Der Skin-Effekt hat es mir ermöglicht, ein paar Jahre lang ein gutes Gehalt zu verdienen. Nehmen Sie ein 24-Gauge-Kabel (z. B. Cat 5) und legen Sie ein Signal mit Frequenzen von sehr niedrig (z. B. 30 Hz) bis ziemlich hoch (z. B. 5 MHz) an. Die niedrigen Frequenzen können viel weiter in das Kupfer eindringen und sehen daher tatsächlich ein viel größeres Kabel. Die hohen Frequenzen sehen nur eine dünne Röhre. Was ist der Unterschied? Widerstand! In einem dicken Draht fließen Signale viel leichter als in einem dünnen Rohr. Die hohen Frequenzen werden also immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Bei einem Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und schließlich die Farbe verschwindet. Nach einer Reise durch eine Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen. Die hohen Frequenzen werden also immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Bei einem Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und schließlich die Farbe verschwindet. Nach einer Reise durch eine Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen. Die hohen Frequenzen werden also immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Bei einem Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und schließlich die Farbe verschwindet. Nach einer Reise durch eine Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen.
Eine andere Sache, die dieses „Meer von Elektronen“ erklärt: Kathodenstrahlen. In der guten alten Zeit wurden elektrische Signale durch Vakuumröhren verstärkt. Die Vakuumröhre selbst hatte ein Filament (durch das Strom gezwungen wurde, so dass es orange heiß leuchtete) und ein Gitter (ähnlich wie ein Metallsieb) neben dem Filament. Weiter weg war so etwas wie eine Platte (die nur eine Metallplatte mit einer Anschlussverbindung war). Wenn das Filament heiß war, dehnte sich das Elektronenmeer aus und viele Elektronen wanderten ziemlich weit von ihrem Hausdraht weg. Wenn Sie das Gitter positiv aufladen, könnte es einige dieser Elektronen vom Filament abziehen, und wenn Sie gleichzeitig eine positive Ladung auf die Platte aufbringen, würden sie durch das Vakuum im Inneren davonhuschen Rohr und landen auf der Platte, wodurch eine Strömung entsteht. Das Gitter konnte also den Strom durch die Röhre steuern, und das war der erste elektronische Verstärker. Es wurde aus den ersten Glühbirnen erfunden. Tatsächlich hat Edison es fast erfunden, aber das Experiment nie beendet, also geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und daraus der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, was durch diese Ansicht eines Drahtes/Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Mutteratomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, sobald ich es gelernt hatte. Viel Glück. David aber das Experiment nie beendet, also geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und daraus der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, was durch diese Ansicht eines Drahtes/Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Mutteratomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, sobald ich es gelernt hatte. Viel Glück. David aber das Experiment nie beendet, also geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und daraus der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, was durch diese Ansicht eines Drahtes/Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Mutteratomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, sobald ich es gelernt hatte. Viel Glück. David Vieles, was durch diese Betrachtung eines Drahtes/Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die lose von ihren Mutteratomen an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, sobald ich es gelernt hatte. Viel Glück. David Vieles, was durch diese Betrachtung eines Drahtes/Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die lose von ihren Mutteratomen an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, sobald ich es gelernt hatte. Viel Glück. David

Wenn ein elektrischer Strom fließt, bewegen sich Elektronen mit sehr geringer Geschwindigkeit vom Minuspol zum Pluspol, etwa in der Größenordnung von$0.02 mm/sec$in einem Standardkabel zu einer Glühbirne. Elektronen bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung dessen, was wir den Strom nennen. Wenn sie das Ende des Drahtes erreichen, werden sie tatsächlich in das Material des Anschlusses, der Glühbirne oder was auch immer übertragen. Die Leichtigkeit der Elektronenmobilität nennen wir Leitfähigkeit.

In Wechselstromkreisen wackeln die Elektronen je nach Frequenz des Wechselstroms tatsächlich ein wenig und folgen der Polarität des Stroms.

Siehe http://amasci.com/miscon/speed.html

Wenn Gleichstrom angelegt wird, beginnen freie Elektronen im Kupfer, den Minuspol der Batterie zu verlassen und in den Pluspol der Batterie zu gelangen. Sie bewegen sich sehr langsam [Eine Referenz findet sich in BL Theraja, Electrical Engineering]. Sie erreichen und beenden ihre Reise nicht einfach. Der Strom liegt an ihrer Bewegung in eine bestimmte Richtung, nicht daran, dass sie ihr Ziel erreicht haben und jetzt sterben müssen.

Elektronen sterben nicht. Sie würden einfach ihren Weg vom Kupferdraht in die Batterie fortsetzen (die auch ein niederohmiger Leiter ist).

AD-Strom ist ebenfalls. Die Elektronen bewegen sich einfach hin und her. Eine andere Antwort besagt, dass sie sich sehr langsam bewegen, also muss es wirklich ein kleines Wackeln sein. Aber nicht, dass sie sehr elastisch sind. Das heißt, wenn sich ein Elektron am Anfang des Leiters bewegt, bewegt es ein anderes Elektron am Ende des Leiters. Die Bewegung ist also völlig unförmig. Und es bewegen sich immer Elektronen von Kupfer zu Batterie und von Batterie zu Kupfer. Sowohl in Wechselstrom als auch in Gleichstrom.

Nur um die Analogie mit Wasser zu erweitern; Angenommen, Sie haben ein langes Rohr mit einer Wasserquelle an einem Ende und einem Ventil am anderen: Das Rohr ist voller Wasser und wenn Sie das Ventil öffnen, beginnt es "sofort" zu verschütten. Sie sagen nicht, dass das Wasser mit unendlicher Geschwindigkeit durch das Rohr floss, sondern nur, dass es darin war und darauf wartete, irgendwohin zu gelangen.

Das gleiche passiert mit Strom: Die Elektronen sind im Draht, und wenn Sie die Spannung anlegen, beginnen sie sich zu bewegen. Sie sehen fast sofort den Effekt, weil am Ende des Drahtes einige "Warten" waren, die von denen in ihrer Nähe geschoben wurden und so zur Quelle gingen. Selbst wenn Elektronen langsam sind , breiten sich die Signale aufgrund dieser Kettenreaktion viel schneller aus (2/3 c ist eine übliche Referenz).