Wie wird die Stromgeschwindigkeit bestimmt?

Ich denke, das grundlegende Problem ist, dass "Elektrizität", wie Sie es beschreiben, nicht wirklich existiert. Das Wort "Elektrizität" hat viele separate und widersprüchliche Definitionen, daher kann es in der Physik nicht als nützlicher Begriff dienen.

Analogie: Wenn Sie nach der "Geschwindigkeit der Optik" fragen würden, könnte niemand antworten, da das Wort "Optik" mehrere völlig unterschiedliche Dinge bedeuten könnte. Die Geschwindigkeit fallender Linsen? :) Um eine sinnvolle Frage zu stellen, fragen Sie nach der Geschwindigkeit von Linsen oder vielleicht der Lichtgeschwindigkeit und vermeiden Sie das Wort "Optik".

In ähnlicher Weise fehlt dem Wort „Elektrizität“ jede enge wissenschaftliche Definition. Es gibt keine einzelne "Elektrizität". Das Wort wird allgemein verwendet, um sich auf die Ausbreitung elektromagnetischer Energie entlang von Drähten zu beziehen (die sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegen). Aber "Elektrizitätsgeschwindigkeit" bezieht sich auch auf den Ladungsfluss während des elektrischen Stroms (der mit Zentimetern pro Minute und weniger dahintreibt). .) Das Wort kann auch jedes elektrische Phänomen bedeuten: Drähte sind Elektrizität, Funken sind Elektrizität, Batterien sind Elektrizität (aber Transistoren sind keine Elektrizität, sondern Elektronik. Sehen Sie, verwirrend!)

Mit anderen Worten, Funken bestehen nicht aus „Elektrizität“, genauso wenig wie Linsen aus „Optik“ oder Fahrradschaltungen aus „Physik“. Um eine vernünftige Frage zu stellen, vermeiden Sie das Wort „Elektrizität“, da es mehrere widersprüchliche Bedeutungen hat.

Geschwindigkeit der elektrischen Energie: ungefähr die Lichtgeschwindigkeit, aber niedriger als c aufgrund des Brechungsindex des Dielektrikums der Kabel.

Geschwindigkeit des elektrischen Stroms: sehr langsame „Driftgeschwindigkeit“ von Ladungsträgern, aber sie ist proportional zum Strom, zur Leitergröße (Querschnitt) und zur Ladungsträgerdichte (z. B. Metall versus Salzwasser versus Elektronenstrahlen). Hoher Strom ergibt schnelle Ladungsträger -Drift, und bei Nullstrom kommen die Ladungsträger zum Stillstand.

Welche Geschwindigkeit haben überspringende Funken? Funken sind ein Beispiel für elektrisches Plasma, auch „Plasmastreamer“ genannt. Die Geschwindigkeit eines sichtbar überspringenden Funkens ist die Geschwindigkeit des Spitzenwachstums eines Plasmastreamers. Wenn sich ein Plasmastreamer ausdehnt, bewegt sich das Plasma nicht mit. Stattdessen werden der Stickstoff und der Sauerstoff in der Luft vor dem Funken in Plasma umgewandelt, was die Spitze des wachsenden Anführers verstärkt. Blitze sind eine fortschreitende Umwandlung von Luft in Plasma. Mit anderen Worten, ein Blitz ist eigentlich eine "Lichtenberg-Figur" aus Stickstoff-Sauerstoff und nicht aus feuchtem Holz. Diese Holzfraktale werden hergestellt, indem isolierendes Holz in leitfähige Kohlenstoffpfade umgewandelt wird, während Blitze die isolierende Luft in leitfähige Plasmapfade umwandeln.

Ein solches Wachstum kann viele verschiedene Geschwindigkeiten haben, von der Nullgeschwindigkeit nicht wachsender Koronen, die von Jakobsleitern und winzigen Tesla-Spulen angezeigt werden, über das leicht sichtbare Wachstum von Anvil Crawler-Blitzen bis hin zur extrem schnellen Ausbreitung von "Stufenleitern" in einem größeren Blitz Entladung.

Sehen Sie sich Beispiele für gestufte und kontinuierliche Blitzleiter an, Video mit 9.000 FPS:

https://www.youtube.com/watch?v=4q6gHWN8fDE

https://www.youtube.com/watch?v=Q6h9jfURJ6Q

Oder sehen Sie sich "Amboss-Crawler"-Blitzmuster an, die sich relativ langsam über eine horizontale Sturmbasis ausbreiten:

https://www.youtube.com/watch?v=Y5CzaVctGWg&t=1s

Die "Geschwindigkeit eines Blitzschlags" ist die Geschwindigkeit, mit der sich das elektrische Feld in der Luft ausbreitet. Zwischen den Wolken und dem Boden entsteht eine Potentialdifferenz, die dramatisch ansteigt. Zwischen den Wolken und dem Boden entstehen Pfade aus ionisierter Luft. Wenn diese Pfade eine Verbindung zwischen den Wolken und dem Boden herstellen, erhalten Sie eine Entladung, die Sie als Blitz sehen. Der große Blitz, den Sie sehen, ist jedoch keine Bewegung von Elektronen. Diese Verbindung ermöglicht die Übertragung elektrischer Energie, und die Auswirkungen dieser Energieübertragung (Ionisierung der Luft in der Verbindung zwischen dem Boden und den Wolken in ein sehr helles Plasma) bewegen sich unabhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in der Luft seit Photonen sind für die elektromagnetische Kraft verantwortlich. Dieser Prozess ist derselbe in Drähten.

Die Elektronendriftgeschwindigkeit ist auch auf das Anlegen eines elektrischen Felds zurückzuführen. Allerdings bewegen sich Elektronen in einem Draht nicht mit der Geschwindigkeit des elektrischen Feldes im Draht. Bevor ein Feld angelegt wird, bewegen sich Elektronen zufällig innerhalb des Materials. Wenn ein Feld angelegt wird, wird dieser zufälligen Bewegung eine Richtung gegeben, aber ihre Größe ist normalerweise sehr klein und hängt von vielen Faktoren ab. Aus Wikipedia die Driftgeschwindigkeit$u$Ist

Um es zusammenzufassen und vielleicht klarer zu machen, die einzigen "Geschwindigkeiten", die in diesem Fall existieren, sind die elektromagnetische Ausbreitung und die Driftgeschwindigkeit. Der Grund, warum Blitze so schnell sind, liegt darin, dass Sie die Auswirkungen des elektrischen Feldes sehen, das sich durch die Luft ausbreitet. Was folgt, ist sehr informell, aber vielleicht besser verdaulich. Die Einheiten für die elektrische Feldstärke sind V/m. Wenn Sie also die massive Potentialdifferenz oder Spannung zwischen den Wolken und dem Boden berücksichtigen, können Sie feststellen, dass die Größe des elektrischen Felds zwischen ihnen ebenfalls massiv ist. Diese Feldstärke erreicht den Punkt, an dem Elektronen von Atomen abgestreift werden können, um Plasmen zu erzeugen, und es ist dieses Abstreifen von Elektronen von Atomen, das mit Lichtgeschwindigkeit in Luft auftritt (nacheinander zwischen den Wolken und dem Boden in der Verbindung, die von Pfaden ionisierter Luft im ersten Absatz hergestellt wurde). Diese Ionisation gibt sichtbare Photonen ab. Intuitiv verbindet man in seinem Geist den Blitz als Ergebnis der Bewegung von Elektronen, ist aber tatsächlich überhaupt nicht auf Elektronenbewegung zurückzuführen.

Bearbeiten: Ich sage hier oft "Lichtgeschwindigkeit im Draht / Pfad", aber physikalisch gibt es kein elektrisches Feld innerhalb von Leitern, sodass keine Ausbreitung im Inneren stattfindet. Danke an @andars für den Hinweis.