Wie wird Strom zu Wärme/Licht? [Duplikat]

Wenn Sie verwirrt darüber sind, warum die Elektronen nicht „verschwinden“, aber irgendwie Energie übertragen, denken Sie an diese Analogie: Wenn ich Wasser über eine Wassermühle gieße, wird Energie vom fließenden Wasser auf das sich drehende Wasserrad übertragen Am Ende des Tages „verschwindet“ bei diesem Vorgang kein Wasser. Die Energie liegt in der Tatsache, dass ich das Wasser (oder im elektrischen Fall die Elektronen) überhaupt in Bewegung bringen kann.

Vielleicht ist eine bessere Analogie die folgende:

Denken Sie an einen Riemen, der in einer Maschine herumgezogen wird. Die Menge des Gürtels (ähnlich unserer Elektronenmenge) sowie seine Geschwindigkeit (und die Geschwindigkeit der Elektronen) bleibt für den gesamten Gürtel gleich - sonst würde sich der Gürtel irgendwo aufstauen. Wenn jedoch etwas den Riemen belastet – sagen wir, ein Block reibt mit viel Reibung am Riemen – wird Energie vom Motor, der den Riemen bewegt, auf den Block übertragen, und der Block wird heiß. Die Energie wird übertragen, weil der Motor Kraft (Arbeit) in den Riemen stecken muss, um den Riemen in Bewegung zu halten. Der Gürtel kann nicht "aufgebraucht" werden, genauso wie die Elektronen nicht aufgebraucht werden können, weil wir unseren Gürtel zerreißen würden (oder im Fall der Elektronen, wenn sie im Widerstand anhalten würden, würden sie sich alle zusammenballen und bilden dort viel Gebühr). Es geht also nichts "verloren", Stattdessen wird die Energie benötigt, um die Elektronen zu „überzeugen“, sich überhaupt zu bewegen. Je schneller sie sich bewegen sollen (= mehr Strom), bedeutet mehr Aufwand (mehr Spannung) und folglich mehr Leistung.

Wissenschaftlicher:

Die eigentliche Energieübertragung erfolgt (hauptsächlich) durch Stöße. Tatsächlich bewegen sich Elektronen bereits sehr viel in einem Metall, zumindest wenn dieses Metall Raumtemperatur hat. Die Temperatur ist nur eine Möglichkeit, die kinetische Energie unserer Teilchen zu beschreiben (Elektronen, Atome oder Moleküle bewegen und schwingen alle). Die meisten leitfähigen Materialien haben freie Elektronen – das sind Elektronen, die nicht zu einem einzelnen Atom in einem Kristallgitter gehören, sondern von allen Atomen „geteilt“ werden. (in manchen Fällen kann/wird es auch Löcher geben, aber nehmen wir an, wir hätten vorerst nur Elektronen).

Diese Elektronen wandern einfach zufällig umher. Dadurch bewegen sie sich auf Dauer nicht und tanzen nur um ihre Position herum. Denken Sie an die Analogie von Tänzern auf einer Tanzfläche – sie mögen sich alle bewegen, aber im Allgemeinen bringen wir Tänzer nicht dazu, sich von einer Seite der Tanzfläche zur anderen zu bewegen, im Durchschnitt bleiben sie alle an Ort und Stelle. Wenn wir ihnen Energie hinzufügen, beginnen sie sich schneller zu bewegen. Auf makroskopischer Ebene ist diese Wandergeschwindigkeit das, was wir „Wärme“ nennen, und mehr kinetische Energie bedeutet, dass das Material „heißer“ ist. Der Fachbegriff für diese Bewegung ist „Brownsche Bewegung“.

Im Bild unten ist links der Weg eines Elektrons dargestellt, ohne dass ein Strom durch das Material fließt. Das Elektron prallt zurück, wenn es auf den Kern eines Atoms trifft, da der Kern positiv geladen ist (aus neutralen Neutronen und positiv geladenen Protonen besteht) und das Elektron negativ geladen ist. Auf der rechten Seite haben wir den gleichen Pfad (grob gesagt habe ich das von Hand gemacht, aber ich denke, die Idee ist klar), aber mit einem externen elektrischen Feld (aufgrund unserer Spannung über dem Widerstand). Das Elektron erfährt nun zusätzlich zur thermischen Bewegung eine Drift entgegen dem elektrischen Feld. .

Nun, da wir das alles verstanden haben, wie funktioniert diese Heizungssache?

Nun, jedes Mal, wenn das Elektron auf ein Atom trifft, tauscht es etwas Energie. Vielleicht bewegt sich das Elektron jetzt etwas schneller nach und das Atom schwingt etwas weniger oder umgekehrt. Dies ist ein ständiger und zufälliger Austausch, und da sowohl die Energie beider Bewegungen (das zufällige Gehen des Elektrons als auch der vibrierende Kern des Atoms) aus dem Inneren des Materials stammen, ändert sich nichts wirklich - das Material erwärmt sich nicht und kühlt nicht ab.

Wenn wir ein elektrisches Feld anlegen, ändern sich die Dinge. Dieses elektrische Feld ist extern, und die Elektronen werden dadurch ständig beschleunigt. Dies ist im Bild als Krümmung der Elektronen nach rechts zu sehen, egal wo das Elektron beginnt. Bei jeder Kollision gibt das Elektron seine Energie an das Atom ab, auf das es trifft, und gibt diesem Atom mehr kinetische Energie. Das Elektron beschleunigt dann langsam durch das elektrische Feld, gewinnt wieder mehr kinetische Energie, trifft auf ein anderes Atom, tauscht Energie aus usw.

Mit anderen Worten, als Ergebnis dieses elektrischen Felds fügen wir dem System immer mehr kinetische Energie hinzu, und diese kinetische Energie zeigt sich als Wärme – unser Widerstand wird heißer.

Aber warte! Wie bricht das nicht die Physik? Wir legen einfach ein Feld über ein Material und plötzlich heizt es sich auf? Erhalten wir nicht Energie aus dem Nichts?

Nicht wirklich! Sie sehen, wenn sich alle unsere Elektronen zur positiven Seite unseres elektrischen Feldes bewegen, bewegen sie Ladung in diese Richtung. Wenn wir zu keinem Zeitpunkt Elektronen zurück auf die negative Seite „drücken“, würden sich einige Elektronen am positiven Pol bündeln und dort eine negative Ladung bilden, die dann die positive Ladung aufheben würde. Unser elektrisches Feld verschwindet.

Um einen kontinuierlichen Stromfluss zu erhalten, müssen wir dies verhindern - irgendwann müssen wir die Elektronen am Pluspol nehmen und sie zurück zum Minuspol zwingen. Wir können dies mit einem Generator tun, wo wir Magnetfelder verwenden, um sie davon zu überzeugen, zurückzugehen.

Im Falle einer Batterie senden wir dieselben Elektronen nicht zurück, sondern speichern sie in einer chemischen Reaktion am positiven Pol und setzen am negativen Pol neue frei. Irgendwann sind die Reagenzien dafür aufgebraucht und die Batterie kann keine Elektronen mehr speichern und das Feld ist nicht mehr vorhanden.

Dieses Modell wird als Drude-Modell bezeichnet und kann bestimmte Dinge nicht erklären (z. B. warum einige Metalle einen positiven statt eines negativen Hallkoeffizienten haben und warum genau Kupfer so viel besser leitet als Eisen?), aber es gibt ein gutes erstes Verständnis von einigen der Prinzipien bei der Arbeit.

Das ist eine sehr interessante Frage und schwer/unmöglich zu beantworten.

Was ging beim Anzünden einer Glühbirne verloren?

Was verloren ging, war Energie.

Wie es verloren ging, die Mechanik, hat verschiedene Erklärungen unterschiedlicher Genauigkeit (Quanten, Drude, Reibung).

Was Energie ist, ist etwas schwer fassbar. Es ist dieses Zeug, das, wenn wir es so berechnen, wie wir es tun, sich als konserviert herausstellt und die Fähigkeit darstellt, Arbeit zu leisten.

Die Elektronen, die sich vor dem Widerstand durch den Draht bewegen, bewegen sich nach dem Widerstand mit der gleichen Geschwindigkeit. Wenn wir uns eine hydraulische Analogie ansehen, stellen Sie sich einen Fluss vor, der auf einen Damm trifft, an Höhe verliert, durch eine Turbine fließt und vom Boden des Damms wegfließt. Der Volumenstrom am oberen und unteren Ende der Staumauer ist gleich, aber das Wasser hat seine potentielle Energie an die Turbine abgegeben. Potentielle Energie könnte in diesem Fall als Folge der Gravitationsanziehung des Wassers zur Erde angesehen werden. Wir müssen am Wasser arbeiten, um es anzuheben, es setzt Energie frei, wenn wir es fallen lassen.

Die Batterie hält an ihren Anschlüssen eine Potentialdifferenz aufrecht. Wir könnten elektrische potentielle Energie als Folge der Anziehung/Abstoßung der Elektronen von Ladungen in der Batterie betrachten, die durch chemische Wirkung aufrechterhalten werden. Die Elektronen am Anschluss mit höherem Potenzial haben eine höhere potenzielle Energie als die am Anschluss mit niedrigerem Potenzial. Deshalb verwenden wir den Begriff Potentialdifferenz als Synonym für Spannung. Diese potenzielle Energie geht verloren, wenn Elektronen durch einen Widerstand fließen. Die Batterie verliert Energie, der Widerstand gewinnt Wärmeenergie.

Für den Mechanismus, durch den diese Übertragung erfolgt, können Sie eines von mehreren intuitiven, aber ungenauen Modellen auswählen. Man könnte sagen, dass Elektronen im elektrischen Feld beschleunigen und dann auf stationäre Atome treffen, wodurch sie herumwackeln (Wärme). Oder dass Elektronen in Bezug auf das Atomgitter Reibung haben, weil wir wissen, dass Reibung unsere Handflächen erhitzt, wenn wir sie aneinander reiben. Oder wir können unsere Quantenargumente ein wenig aufdrehen und über Energieniveaus und Streuzentren sprechen, was überhaupt nicht intuitiv ist.

Wenn wir einen Widerstand an eine Batterie anschließen, beobachten wir , dass der Widerstand heiß wird und die Batterie einen Teil ihrer Arbeitsfähigkeit verliert. Alles andere sind Modelle.

Es erfordert Arbeit, diese Elektronen durch das Material zu bewegen - sie von den Atomen zu lösen, an die sie schwach (je nach Material, daher unterschiedliche Widerstände) gekoppelt sind, Arbeit, um sie durch den Raum von Atom zu Atom zu bewegen (wo sie manchmal wieder anhaften, andere verdrängen). Und dabei wird Wärme freigesetzt. Widerstände werden heiß.