Woher gewinnen Elektronen durch einen Stromkreis kinetische Energie?

Angenommen, ein idealer Draht , wie beschleunigen Elektronen und gewinnen kinetische Energie?

Was ich verstehe:

Wenn ein Stromkreis geöffnet wird, werden Elektronen am negativen Anschluss der Batterie gedrängt und haben eine hohe elektrische potentielle Energie, wenn wir den Stromkreis schließen, beginnen die Elektronen zu beschleunigen und gewinnen kinetische Energie durch den Draht .

Was mich verwirrt:

Erstens gibt es kein elektrisches Feld durch den Draht (ein idealer Draht) J = σ E , also kann ich nicht sagen, dass Elektronen aufgrund des elektrischen Feldes kinetische Energie gewinnen und beschleunigen.

Zweitens, wenn Elektronen elektrische potentielle Energie verlieren (umgewandelt in kinetische Energie), dann muss aufgrund der Definition von Spannung ein elektrisches Feld vorhanden sein: „ Elektromotorische Kraft ist ein quantitativer Ausdruck der potentiellen Ladungsdifferenz zwischen zwei Punkten in einem elektrischen Feld ".

Was habe ich verpasst?

Nun, warum glauben Sie, dass ein elektrisches Feld im Kabel bei Vorhandensein einer Batterie nicht existieren kann?
" Angenommen, ein idealer Draht , wie beschleunigen Elektronen und gewinnen kinetische Energie" - warum gibt es Ihrer Meinung nach Elektronen in einem idealen Draht? Ein idealer Draht ist eine Abstraktion (daher das Adjektiv ideal ).
@Niemanderkennbar, weil J = σ E ,Wenn also die Leitfähigkeit unendlich ist, ist das elektrische Feld null
@MohammadAlshareef Nun, es gibt wirklich nichts Besseres als einen reinen Dirigenten. Entweder 0/0 ist nicht 0.
@AlfredCentauri, um das Problem zu vereinfachen, so machen Physiker ihre Arbeit! Warum nehmen wir einen unendlichen Draht oder ein Flugzeug oder irgendetwas als Ganzes an?!
Du liegst falsch; So arbeiten Physiker nicht. Vereinfachungen bringen Grenzen mit sich – sobald man einen Draht mit unendlicher Leitfähigkeit hat, funktioniert „Elektronenbewegung im Draht“ nicht mehr. Modelle haben ihre Grenzen, und Sie müssen diese Einschränkungen verstehen. Die Tatsache, dass Sie in Ihrem Beispiel eine Division durch Null erhalten, ist ein offensichtliches Zeichen dafür, dass Sie ein Modell außerhalb seiner Domäne verwenden. Die vollständige Definition jedes dieser Modelle umfasst Bedingungen, unter denen das Modell keine zufriedenstellenden Ergebnisse erzielt.
@Luaan, ich sehe kein Problem darin, einen idealen Draht anzunehmen, dies wurde zuvor von Physikern getan
Sie können einen idealen Draht annehmen, oder Sie können sich bewegende Elektronen in einem Draht vorstellen. Beides gleichzeitig geht nicht. Dies ist eine häufige Situation in der Physik. Wenn Sie Elektronen in einem Draht betrachten müssen, müssen Sie ein anderes Modell verwenden, eines, das tatsächlich Elektronen enthält .
@Luaan, ich habe aus dem, was du gesagt hast, verstanden, dass sich Elektronen in einem idealen Draht nicht bewegen können!
Nun, das können sie natürlich nicht. Die beiden Modelle sind nicht kompatibel. Daran ist nichts seltsam. Der Ladungsträger in einem idealen Draht kann unmöglich ein Elektron sein (und tatsächlich ist ein idealer Draht völlig unphysikalisch). Sie bleiben immer noch an diesem einen Punkt hängen - Modelle sind nicht perfekt, sie sind Abstraktionen. Sie geben gute Antworten auf einige Fragen und schlechte Antworten auf andere Fragen. Sie müssen das Modell verwenden, das für das, was Sie herausfinden möchten, geeignet ist. Ideale Drähte haben keine Elektronen – sie haben eigentlich gar keine Struktur . Du sagst nur "Lass uns diesen Teil vernachlässigen".
@Luaan, Ok, ich habe angefangen, ein bisschen zu verstehen, aber könnten Sie bitte sagen, was passiert, wenn Sie eine Batterie an ein ideales Kabel anschließen?
Geht man von einer echten Batterie aus, würde diese bei einem sehr hohen Strom anfangen sich zu entleeren, sich zu erhitzen und möglicherweise zu explodieren. Es ist der lächerlichste Kurzschluss, den Sie sich vorstellen können :) Die Verwendung, mit der ich am besten vertraut bin, ist, dass Sie mit einem idealen Draht rechnen, wenn Sie sich nicht wirklich um den Draht kümmern (Sie vernachlässigen die Auswirkung des Drahts auf die Schaltung); Sie haben andere Komponenten in der Schaltung und möchten ein vereinfachtes Modell, das den Draht ignoriert. Sie können den idealen Draht so behandeln, als wären die betreffenden Komponenten ohne Draht direkt miteinander verbunden.
@Luaan, ich glaube nicht, dass OP danach sucht. Ich glaube, OP fragt immer noch , wie sich beim Anschließen des idealen Kabels an die Batterie die Ladung (Träger) im Inneren zu bewegen beginnt , wenn kein elektrisches Feld im Inneren vorhanden sein kann, um die Ladung (Träger) zu beschleunigen. Viel Glück!
@AlfredCentauri, gehen Ladungsträger nicht unendlich schnell auf die andere Seite der Batterie? (und das macht keine Spannung)
Die einfachste Antwort ist, dass es bei der Betrachtung eines idealen Drahtes kein sinnvolles Konzept von Ladungsträgern gibt. Und ja, das Signal breitet sich durch den idealen Draht mit unendlicher Geschwindigkeit aus, was wiederum völlig unphysikalisch ist - das Signal könnte sich niemals schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, und in jedem realen Draht ist es wesentlich langsamer. Auf die gleiche Weise ist das elektrische Feld in einem echten Draht nicht konstant - wenn Sie den Stromkreis schließen, schaltet das Feld nicht sofort auf volle Stärke um. Nichts davon macht überhaupt Sinn, wenn man einen idealen Draht betrachtet.

Antworten (2)

Angenommen, ein idealer Draht , wie beschleunigen Elektronen und gewinnen kinetische Energie?

Ein idealer Draht ist eine Abstraktion, die zur Vereinfachung von Berechnungen in Physik und Elektrotechnik verwendet wird.

Die mobile Ladung in einem idealen Draht reagiert sofort auf externe Felder, so dass die Hauttiefe Null ist . Für Elektronen kann das natürlich nicht der Fall sein, und so wird der Ladungsträger in dieser idealen Grenze „abstrahiert“ und wir sprechen nur von der beweglichen Ladung innerhalb des idealen Drahtes.

Zusammenfassend ist es ein konzeptioneller Fehler, wenn Sie an Elektronen und ihre Masse, kinetische Energie und potenzielle Energie denken, auch die Annäherung an den idealen Draht anzuwenden.

Meinen Sie, dass es falsch ist, einen idealen Draht anzunehmen und zu versuchen, Konzepte damit zu verstehen?
@MohammadAlshareef, das habe ich nicht geschrieben, und es ist nicht im Entferntesten das, was ich meinte.
Könnten Sie bitte vereinfachen, was Sie sagen wollen, ich bin nicht so gut in Englisch, ich versuche, Sie zu verstehen, aber ich kann es nicht.
@MohammadAlshareef, ich weiß nicht, wie ich es einfacher machen soll.
Danke, sorry fürs nerven
@MohammadAlshareef, ich mache einen letzten Versuch: Es scheint mir, dass Sie die Grenzen der idealen Drahtnäherung einfach nicht verstehen. Wenn Sie bewegliche Elektronen in Ihrem Draht haben, ist es kein idealer Draht, also vergessen Sie die Annäherung an den idealen Draht, wenn Sie jemals verstehen wollen, wie Elektronen in einem Draht beschleunigen . Hilft das?
Da dies Ihr letzter Versuch ist, danke, dass Sie mir den Rücken freihalten. Ich schätze Ihre Bemühungen, Menschen zu helfen, sehr.
Wenn ich darf, ist ein gängiger Witz im Physikunterricht die „Kugelkuh im luftleeren Raum“. Wir möchten oft unsere einfachen Gleichungen verwenden, um uns auf reale Situationen zu beziehen, aber nichts ist so einfach. Infolgedessen müssen wir zu stark vereinfachen. Es gibt einen Dauerwitz über eine Testfrage, bei der es darum geht, die Flugbahn einer Kuh vorherzusagen, die von einem Monty-Python-Katapult geworfen wird. Um Probleme mit Luftwiderstand oder außermittigen Drehungen zu vermeiden, lautet die Frage „Angenommen, die Kuh ist kugelförmig und befindet sich in einem Vakuum“. Seitdem ist es ein allgemeiner Witz geworden. Aber die Probleme gelten hier.
Wenn ich fragen würde, "wie stark muss die kugelförmige Kuh im Vakuum geschleudert werden, um die Schallgeschwindigkeit zu überschreiten", stoße ich auf Probleme. Die Idee eines "perfekten Vakuums" widerspricht der Idee einer Schallgeschwindigkeit. Schall hat in realen Materialien wie Luft eine Geschwindigkeit, aber in einem Vakuum hat er keine bedeutungsvolle Geschwindigkeit. Um eine solche Frage zu verstehen, müssen wir also die Kuh nicht länger als Kugel in einem Vakuum behandeln – wir müssen erkennen, dass das einfache Modell einer Kugel, die in einem Vakuum fliegt, nicht mehr ausreicht.
In diesem Fall steht die bloße Tatsache, dass Sie daran interessiert sind, über Elektronen mit kinetischer Energie zu sprechen, im Widerspruch zu der Idee eines idealen Drahts. Es ist leicht, Fälle zu finden, in denen solche Elektronen in einem idealen Draht keinen Sinn ergeben --- Tatsächlich haben Sie einen gefunden. Wenn Sie also verstehen wollen, was vor sich geht, müssen Sie ein anderes Modell für Drähte verwenden, eines, das nicht auseinanderfällt, wenn Sie versuchen, über Kinetik nachzudenken.
Sie werden bald wieder darauf stoßen, wenn Sie etwas über Induktoren erfahren. Es ist trivial, eine Schaltung mit einer Induktivität, einer Batterie, einem Widerstand und einem Schalter zu entwerfen, die bewirken, dass unendliche Spannungen über der Induktivität auftreten. Wenn Sie fragen möchten, "wie kann das sein", dann müssen wir ein Modell verwenden, das die Transienten verarbeiten kann. Beispielsweise könnten wir die Drähte als Übertragungsleitung modellieren, um die Ausbreitungsverzögerungen zu berücksichtigen. Bald stellen wir fest, dass „unendliche Spannung“ lediglich eine sehr große Spannung ist. Aber wir finden das erst heraus, wenn wir aufhören, das zu einfache Modell zu verwenden.

Wenn Sie einen idealen Draht (null Widerstand) über eine ideale Batterie (kein Innenwiderstand) nach dem Ohmschen Gesetz anschließen, wäre der resultierende Strom im Stromkreis

ICH = e M F R

Was bedeutet, dass bei einem Drahtwiderstand von null eine unendliche Strommenge fließen würde. Die Sache ist die, dass es in einem elektrischen Stromkreis immer einen Widerstand geben wird, der dem Stromfluss entgegenwirkt, genauso wie es immer eine Form von Reibung geben wird, die der Bewegung von Massen entgegenwirkt. Sowohl der elektrische als auch der mechanische Widerstand (Reibung) führen zu einer Erwärmung.

Wir wissen jedoch, dass der Widerstand von Drähten im Allgemeinen viel geringer ist als der Widerstand von Schaltungskomponenten, sodass wir den Widerstand der Drähte ignorieren können (nehmen Sie an, dass sie Null sind), die die Komponenten der Schaltung verbinden. Daher ist es möglicherweise aufschlussreicher, Ihre Frage unter der Annahme zu beantworten, dass die Drähte, die die Schaltungselemente mit der Spannungsquelle verbinden, keinen Widerstand haben. In diesem Fall wird bei einer Reihenschaltung der Strom nur durch den Widerstand der Schaltungskomponenten begrenzt. Es ist dieser Widerstand, der verhindert, dass die Ladung beschleunigt wird (daher die konstante Driftgeschwindigkeit), und wo der Potentialverlust auftritt. Da der Strom in den Drähten derselbe ist wie in den Schaltungselementen in Reihe mit den Drähten, gibt es keine Beschleunigung der Ladung in den widerstandslosen Drähten.

Die anwendbare Definition von Spannung ist hier

"Die Potentialdifferenz V zwischen zwei Punkten ist die Arbeit pro Ladungseinheit, die erforderlich ist, um die Ladung zwischen den beiden Punkten zu bewegen"

Mechanische Analogie

Betrachten Sie die folgende mechanische Analogie.

Ich schiebe eine Kiste mit konstanter Geschwindigkeit über die Oberfläche eines Bodens. Die Bewegung der Box mit konstanter Geschwindigkeit ist analog zur Driftgeschwindigkeit der Ladung (elektrischer Strom). Ich als Energiequelle bin analog zur Batterie.

Die Bodenoberfläche variiert so, dass es bei einigen Strecken Reibung gibt und die Reibung zwischen den Strecken variieren kann. Lassen Sie diese Strecken des Bodens mit Reibung analog zum elektrischen Widerstand der elektrischen Schaltungskomponenten im Pfad des Stromkreises sein.

Zwischen den Dehnungen mit Friktion gibt es reibungsfreie Dehnungen. Lassen Sie diese reibungslosen Dehnungen analog zu unseren widerstandslosen Verbindungsdrähten sein.

Damit ich die Kiste mit konstanter Geschwindigkeit auf die Oberflächen mit Reibung schieben kann, muss ich eine Kraft ausüben, die gleich der entgegengesetzten kinetischen Reibungskraft ist. Je größer die kinetische Reibung (je größer der elektrische Widerstand), desto größer ist die Kraft (Stärke des elektrischen Felds), die ich aufbringen muss, und desto größer ist die Arbeit, die ich aufwenden muss, um die Kiste vom Anfang der Strecke bis zum Ende der Strecke zu schieben strecken. Die Arbeit, die ich pro Masseneinheit der Kiste verrichte, die von einem Punkt am Anfang der Strecke zu einem Punkt am Ende der Strecke geschoben wird, ist analog zum Abfall der Potentialdifferenz (Spannung) über dem Widerstand. Da sich die kinetische Energie des Kastens nicht ändert (keine Beschleunigung der Elektronen), wird die Arbeit, die ich beim Bewegen des Kastens verrichte, als Reibungswärme an der Kontaktfläche abgeführt. Dies ist analog zu der ICH 2 R Wärme, die im elektrischen Widerstand abgeführt wird.

Ich treffe jetzt auf eine Strecke reibungsfreier Oberfläche (ein idealer Draht). Es ist keine Arbeit erforderlich, um die Kiste über diese Oberfläche zu bewegen, also lasse ich sie einfach los und lasse sie die reibungsfreie Oberfläche mit der gleichen Geschwindigkeit überqueren, die sie am Ende der Strecke mit Reibung hatte. Dass in dieser Strecke keine Arbeit erforderlich war, ist analog dazu, dass in der Strecke kein elektrisches Feld und kein Spannungsabfall vorhanden ist.

Wenn die Kiste die nächste Reibungsstrecke (den nächsten elektrischen Widerstand) erreicht, muss ich (die Batterie) wieder Arbeit leisten, um die Kiste (Elektronen) mit konstanter Geschwindigkeit (Konstantstrom) in Gang zu halten.

Also zusammenfassend zu deiner Frage:

Woher gewinnen Elektronen durch einen Stromkreis kinetische Energie?

Sie beziehen sie aus der potenziellen Energie, die von der Batterie geliefert wird. Aber sie verlieren sie, wenn sie mit den Partikeln kollidieren oder interagieren, aus denen der Leiter besteht, so dass die Geschwindigkeit im Durchschnitt konstant ist (Driftgeschwindigkeit). Die Energieübertragung auf die Partikel bewirkt eine Erwärmung. Es gibt immer einen gewissen Widerstand im Stromkreis. Die Teile des Stromkreises mit viel geringerem Widerstand (die Drähte) verbrauchen die kinetische Energie der Elektronen nicht, aber die Elektronen gewinnen auch keine kinetische Energie in den Drähten, da ihre Geschwindigkeiten durch die Teile des Stromkreises mit Widerstand begrenzt sind.

Hoffe das hilft.

Die in den ersten beiden Sätzen aufgestellten Behauptungen können nicht beide wahr sein. Stellen Sie fest, dass die im ersten Satz aufgestellte Behauptung, dass "es ein Feld in der [idealen] Leitung zwischen den Batteriepolen gibt", wahr ist. Dann kann die im zweiten Satz aufgestellte Behauptung, dass „pro Einheitsladung (Spannung) keine Arbeit erforderlich wäre, um die Ladung im Draht zu bewegen“, auch nicht stimmen.
@AlfredCentauri Sie haben Recht. Die Idee war zu zeigen, dass der Strom unendlich sein müsste, wenn beide richtig wären, was nicht wahr sein kann. Aber ich sehe schon, dass das vielleicht nicht so rüberkommt. Also habe ich es überarbeitet. Danke.
@BobD, tut es J = σ E Berechnen Sie das elektrische Feld der Batterie ? Wenn ja, sollte es Null sein, weil Sigma unendlich ist (idealer Draht), aber Sie sagten: „ Wenn Sie einen idealen Draht (Nullwiderstand) über eine ideale Batterie (kein Innenwiderstand) angeschlossen haben, gibt es ein Feld im Draht zwischen den Batterieklemmen (wegen der Batterie) " , wie ist das ? Welches elektrische Feld berechnet dieses Gesetz?
BobD, ich verstehe ehrlich gesagt nicht, warum der oben zitierte Abschnitt von OP überhaupt in Ihrer Antwort enthalten ist. Soweit ich das beurteilen kann, versucht OP zu verstehen , wie sich Elektronen beim Bilden des Stromkreises in einem idealen Draht bewegen können , wenn in einem idealen Draht nach allen Angaben kein elektrisches Feld vorhanden ist, um die Elektronen zu beschleunigen . Ich habe in meiner Antwort versucht zu erklären, dass die abstrakte bewegliche Veränderung innerhalb eines idealen Drahts sofort auf externe Felder reagiert, aber Elektronen können das offensichtlich nicht.
@MohammadAlshareef Der springende Punkt ist, dass es mit Ausnahme von Supraleitern keinen Stromkreis mit Nullwiderstand gibt. Ich gebe zu, laut Alfred Century, dass es in einem idealen Draht kein elektrisches Feld gibt. Ich werde das aus meiner Antwort heraus bearbeiten. Aber Sie können einen konstanten Stromfluss in einem idealen Draht ohne die Kraft eines elektrischen Feldes haben, genauso wie Sie eine konstante Geschwindigkeit einer Masse ohne Kraft haben können, wenn ihrer Bewegung nichts entgegensteht (zB Reibung). Ich denke darüber nach, meiner Antwort eine Analogie zum Bewegen einer Masse mit und ohne kinetische Reibung hinzuzufügen.
@MohammadAlshareef Ich habe meiner Antwort ein mechanisches Analogon hinzugefügt. Ich hoffe es hilft.
@BobD, Was mich verwirrt hat, dass ich annahm, dass es in einem idealen Draht ein elektrisches Feld geben kann. Übrigens sind Sie der beste Lehrer, den ich je gesehen habe. Vielen Dank.
@MohammadAlshareef Danke für das Kompliment. Ich schätze es sehr. Aber ich muss auch Alfred Centauri (ich stimme zu) dafür danken, dass er mich auf einige Dinge richtig gestellt hat. Wir können alle voneinander lernen.
BobD, in der Tat, es sind Fragen wie diese und andere hier, die mich motiviert haben, meine eigenen Konzepte vieler Dinge zu verfeinern, einschließlich des Konzepts eines idealen Drahtes.
Woher gewinnen Elektronen durch einen Stromkreis kinetische Energie?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v