Woher weiß der Strom, wie viel er fließen muss, bevor er den Widerstand gesehen hat?

Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach fragen, aber ja, wenn die Batterie angeschlossen ist, wandert eine elektrische Feldwelle von der Batterie über die Drähte zur Last. Ein Teil der elektrischen Energie wird von der Last absorbiert (abhängig vom Ohmschen Gesetz), und der Rest wird von der Last reflektiert und wandert zurück zur Batterie, ein Teil wird von der Batterie absorbiert (wieder Ohmsches Gesetz) und ein Teil wird von der Batterie reflektiert. usw. Schließlich erreicht die Kombination aller Sprünge den stabilen stationären Wert, den Sie erwarten würden.

Wir denken normalerweise nicht so darüber, weil es in den meisten Schaltungen zu schnell passiert, um es zu messen. Bei langen Übertragungsleitungen ist sie jedoch messbar und wichtig. Nein, der Strom "weiß" nicht, was die Last ist, bis die Welle ihn erreicht. Bis zu diesem Zeitpunkt kennt es nur den Wellenwiderstand oder "Wellenwiderstand" der Drähte selbst. Es weiß noch nicht, ob das andere Ende ein Kurzschluss oder ein offener Stromkreis oder eine Impedanz dazwischen ist. Erst wenn die reflektierte Welle zurückkehrt, kann sie „wissen“, was am anderen Ende ist.

Siehe Schaltungsreflexionsbeispiel und Übertragungsleitungseffekte in Hochgeschwindigkeits-Logiksystemen für Beispiele von Gitterdiagrammen und eine Grafik, die zeigt, wie sich die Spannung schrittweise über die Zeit ändert. Unter Terminierung einer Übertragungsleitung finden Sie eine animierte Simulation verschiedener Terminierungen, die Sie ändern können, und hier ein Beispiel für einen Lichtschalter.

Und falls Sie es nicht verstehen, in Ihrem ersten Stromkreis ist der Strom an jedem Punkt des Stromkreises gleich. Ein Kreislauf ist wie eine Schleife aus Rohrleitungen, die alle mit Wasser gefüllt sind. Wenn Sie das Wasser an einer Stelle mit einer Pumpe zum Fließen bringen, muss das Wasser an jeder anderen Stelle im Kreislauf mit der gleichen Geschwindigkeit fließen.

Die elektrischen Feldwellen, von denen ich spreche, sind analog zu Druck- / Schallwellen, die sich durch das Wasser im Rohr ausbreiten. Wenn Sie Wasser an einer Stelle im Rohr bewegen, ändert sich das Wasser am anderen Ende des Rohrs nicht sofort; die Störung muss sich mit Schallgeschwindigkeit durch das Wasser ausbreiten, bis sie das andere Ende erreicht.

Da die Theorie behandelt wurde, gehe ich mit einer groben Analogie vor (Hoffentlich verstehe ich, was Sie richtig fragen, es ist nicht so klar).

Wie auch immer, wenn Sie sich eine Pumpe (die Batterie), einige mit Wasser gefüllte Rohre (die Drähte) und einen Abschnitt vorstellen, an dem sich das Rohr verengt (der Widerstand)
, ist das Wasser immer da, aber wenn Sie die Pumpe starten, erzeugt es Druck (Spannung). ) und lässt das Wasser um den Kreislauf fließen (Strom). Die Verengung des Rohrs (Widerstand) begrenzt den Durchfluss (Strom) auf einen bestimmten Betrag und verursacht einen Druckabfall darüber (Spannung am Widerstand, in diesem Fall gleich der Batterie).

Bei der zweiten Schaltung (zwei Widerstände parallel) ist es einigermaßen klar, dass die gleiche Strommenge, die in den oberen Anschluss fließt, auch am unteren Anschluss abfließen muss (siehe Kirchoff). Wenn die Widerstände gleich sind, teilen sie sich den Strom gleichermaßen. Dies kann als ein großes Rohr (Draht) angesehen werden, das sich in zwei schmalere Rohre (Widerstände) aufteilt und dann wieder zu einem großen Rohr verschmilzt. Wenn sie ungleich sind, nimmt einer mehr Durchfluss (Strom) auf als der andere, aber die Gesamtausgabe summiert sich immer zur Gesamteingabe.

Sie könnten die gleiche Frage mit der Wasseranalogie stellen – woher „weiß“ das Wasser, wie viel es fließen soll? Weil es durch die Rohrbreite und den Pumpendruck begrenzt ist.

BEARBEITEN - Es scheint, dass die gestellte Frage etwas anders ist, als ich ursprünglich angenommen hatte. Das Problem ist, dass es ein paar unterschiedliche Antworten (wie Sie sehen können) auf verschiedenen Abstraktionsebenen gibt, z. B. vom Ohmschen Gesetz über Maxwell bis hin zur Quantenphysik. Auf der Ebene einzelner Elektronen haben Sie meiner Meinung nach ein Problem aufgrund der von Majenko erwähnten Teilchenwellendualität und des Doppelpfads (siehe Doppelspaltexperiment mit Photon).
Beachten Sie, dass der Grund, warum ich oben gesagt habe, dass "das Wasser immer da ist", darin besteht, dass die Elektronen selbst nicht mit ~ 2/3 der Lichtgeschwindigkeit um einen Stromkreis fließen, sondern die Energie von einem zum nächsten weitergegeben wird (sozusagen) usw. Ein bisschen wie Bälle, die zufällig herum und ineinander springen, mit einer insgesamt durchschnittlichen Tendenz, in Richtung des angelegten Potenzials zu springen. Eine einfachere Art, es sich vorzustellen, ist wie eine Reihe von Snooker-Kugeln - wenn Sie die weiße Kugel in ein Ende schlagen, wird die Energie durch alle Kugeln "übertragen" (sie ändern jedoch nicht wirklich ihre Position) und dann Kugel bei das andere Ende wird abbrechen.
Ich habe das Gefühl, dass die Quantenerklärung etwa so lauten könnte: Wir können nur die Wahrscheinlichkeit vorhersagendass ein einzelnes Elektron einen Weg "wählt" (oder sich in einem bestimmten Bereich befindet), aber der Prozess nicht direkt beobachtbar wäre (dh theoretische Physik)

So oder so denke ich, dass dies eine ausgezeichnete Frage ist und eine gute Antwort benötigt (ich werde versuchen, diese Frage zu verbessern, wenn es die Zeit erlaubt), obwohl auf der niedrigsten Ebene möglicherweise besser auf dem Physikstapel umgegangen wird.

Zuerst weiß der Strom es nicht wirklich. Angenommen, ein großer Cartoony-Schalter in der Leitung stellt im geöffneten Zustand eine enorme Impedanz dar. Auf beiden Seiten baut sich (kapazitive) Ladung auf; Insbesondere drängen Elektronen den negativen Anschluss und dem positiven Anschluss fehlt die gleiche Anzahl von Elektronen wie normal (Bildladung). Der Stromfluss ist vernachlässigbar (fA*), daher gibt es keinen Potentialabfall über dem Widerstand. Elektronen haben keine Nettobewegung oder -fluss, da die elektrostatische Abstoßung mit ihren Nachbarn, einschließlich des großen Bündels am Schalter, gleich der Kraft von der externen elektrischen Feldvorspannung ist.

Wenn der Schalter zum ersten Mal geschlossen wird, springen die zusätzlichen Elektronen in der Nähe des Schalters zum anderen Kontakt und füllen die Bildladung aus. Jetzt, da es keinen großen Haufen tyrannischer Elektronen gibt, die sich weigern, sich zu bewegen und zurückzudrängen, wird der Rest ballistisch ^{_{(hah! nicht wirklich , obwohl)}} und beginnt, durch den Stromkreis zu rasen.

Diejenigen in und in der Nähe des Widerstands treffen auf ... Widerstand (komm schon; ich musste) . Es gibt nicht annähernd so viele freie Elektronen oder Stellen, daher baut sich, ähnlich wie bei der sehr großen Impedanz, die zuvor durch den Schalter dargestellt wurde, an beiden Enden Ladung auf, während die ungeduldigen Kerle um einen Platz in der Reihe drängeln. Es baut sich weiter auf, bis das Gleichgewicht erreicht ist: Das elektrostatische Feld des Elektronenbündels, das darauf wartet, durch den Widerstand zu gelangen, ist gleich der externen elektrischen Feldvorspannung.

An diesem Punkt weiß der Strom, wie viel er fließen soll, und ändert sich nicht [bis Sie feststellen, dass Sie einen 1,3-Ohm-Widerstand anstelle des 1,3-kOhm-Widerstands einbauen, und es brät und wieder offene Schaltkreise].

Wenn die Quelle zunächst vollständig aus dem System entfernt würde, gäbe es keine anfängliche kapazitive Ladung. Eine sofortige Verbindung mit der Quelle (DPST-Schalter) würde zu einem elektrischen Feld führen, das sich entlang des Drahtes in der Nähe von c ausbreitet , Elektronen beschleunigt und mit sich zieht und zu der gleichen Ansammlung beim Verlassen des Fußballstadions an den Widerständen führt. Im Falle paralleler Widerstände können die Tore des Stadions jedoch unterschiedlich breit sein, so dass die Gleichgewichtsströme unterschiedlich sind.

Woher „weiß“ die Strömung in einem Flussdelta, welchen Zweig sie nehmen muss? "Strom" bedeutet in jedem Fall den Gesamtfluss von Wassermolekülen oder Elektronen, also ersetzen Sie zuerst die Frage durch "Woher weiß jedes Elektron (oder Molekül), welchen Weg es gehen soll"? Das tut es nicht; es wird einfach von der unmittelbar lokalen Strömung mitgerissen und nimmt auf der Mikro- oder atomaren Ebene den Platz des unmittelbar davor abgehenden ein. Was passiert also genau am Punkt der Divergenz? Für unser Makroauge ist die Richtung, die es nimmt, zufällig, verteilt als Verhältnis(e) der Zweigströme. Auf der allerniedrigsten Ebene wird es durch eine winzige Störung auf die eine oder andere Weise angestoßen.

(Sehr grobe Beschreibung/Analogien, ich weiß - verzeihen Sie die impliziten Ungenauigkeiten.)

Zu „wissen“, wie viel zu fließen hat, impliziert Wissen, was Intelligenz impliziert.

Strom ist nicht intelligent und fließt nicht per se. Strom wird von der Last gezogen oder "gezogen" - in diesem Fall die Widerstände.

Die Strommenge, die die Last zieht, wird durch das Ohmsche Gesetz bestimmt:

$I=\dfrac{V}{R}$

In der ersten Schaltung ist das einfach genug zu berechnen.

Die zweite Schaltung ist etwas komplexer. Berechnung$I_S$ist einfach genug, solange Sie den Gesamtwiderstand berechnen können:

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

oder

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Die Strommenge, die dann durch jeden Widerstand fließt, wird dann durch das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt. Wenn die Widerstände gleich sind, fließt durch jeden genau die Hälfte des Stroms. Wenn$R_1$ist zweimal$R_2$, dann fließt ein Drittel des Stroms durch$R_1$, und zwei Drittel durch$R_2$(Beachten Sie, dass das Stromverhältnis das Gegenteil des Widerstandsverhältnisses ist).

Tatsächlich weiß der Strom nicht, wie viel er bei t = 0 fließen soll.

Jeder Widerstand hat eine gewisse Kapazität, da er aus leitenden Seiten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind (wenn auch nicht perfekt). Aufgrund dieser Kapazität steigt der Strom bei t = 0 so stark an, wie die Stromversorgung liefern kann. Dann verlangsamt es sich nach einer Weile auf seinen normalen Wert. Jeder praktische Widerstand kann als Widerstand und paralleler Kondensator modelliert werden. Ihre erste Schaltung ist also eigentlich eine parallele RC-Schaltung.

Vergessen Sie auch nicht, dass das E-Feld (elektrisches Feld) das B-Feld (magnetisches Feld) erzeugt und umgekehrt. Wenn Sie eine Spannung an den Widerstand anlegen, erzeugen Sie ein elektrisches Feld im Inneren des Widerstands. Dies bewirkt eine Änderung des Zustands des elektrischen Felds (Sie erhöhen das elektrische Feld von Null auf einen Wert ungleich Null). Die Änderung des elektrischen Feldes erzeugt ein Magnetfeld und schließlich einen Stromfluss.

Weitere Informationen finden Sie in den Maxwell-Gleichungen .

Wie aktuell weiß ? Es weiß aufgrund der statistischen Mechanik (wobei Boltzman und später Fermi-Dirac beteiligt waren, und später Maxwell), wann Fermionen (Elektronen) bei einer bestimmten Temperatur dazu neigen, das Volumen eines Leiters (Metall) einzunehmen, wenn Elektronen wie Teilchen eines idealen Gases frei fliegen und abprallen gegen Atome. Die Geschwindigkeit (Energie) einzelner Partikel beträgt etwa 1.000 Meilen pro Sekunde (weniger als Lichtgeschwindigkeit), die Driftgeschwindigkeit beträgt einige Millimeter pro Sekunde (siehe Wiki "Driftgeschwindigkeit"). Die durchschnittliche freie Flugdistanz von Elektronen definiert "Leitfähigkeit". Für Beobachter des Elektronenflusses wird das Verhalten von Elektronen wie eine Tendenz von Teilchen aussehen, "Elektroneutralität" aufrechtzuerhalten, wenn jeder lokale Teil des Leiters ungefähr die gleiche Menge an Elektronen und Protonen enthält. Elektronen sind geladen, also üben sie eine abstoßende Kraft aufeinander aus. Die Einbeziehung von Kraft, Geschwindigkeit und Masse über die Zeit bedeutet, dass während der Beschleunigung und Verzögerung von Elektronen virtuelle Photonen emittiert und absorbiert werden. Diese Photonen breiten sich viel schneller aus als Teilchen und erzeugen "Druck". Insgesamt liegt die Geschwindigkeit der Druckwand je nach Material nahe der Lichtgeschwindigkeit. Es kann "Welle" genannt werden. Der Rest der Geschichte wird von Endolith oben besser erklärt.

Die Zahlen für Kupfer bei Raumtemperatur sind in diesem Artikel zu sehen .

TLDR: Ideales Elektronengas mit statistischer Mechanik->Boltzman->Fermi-Dirac->Maxwell->Ohm

Niemand erwähnte die Tatsache, dass alle Schaltpläne das sogenannte Lumped-Element-Modell verwenden .

In einem Schaltplan ist ein Draht kein Draht im üblichen Sinne, sondern eine vereinfachende Beziehung zwischen Knoten. Wenn Sie Schritt für Schritt beschreiben wollten, was mit dem Strom entlang eines Drahtes passiert (oder was er „fühlt“), müssten Sie eine unendliche Reihe passiver Elemente zeichnen.

Die beste Analogie, die mir geholfen hat, es wirklich schnell und einfach zu verstehen, habe ich irgendwo im Internet getroffen, kann aber im Moment die Quelle nicht angeben. Wenn jemand weiß, wo es ist, lassen Sie es mich wissen, damit dies aufgenommen werden kann. Analogie ist sehr kurz und dies wird eine sehr kurze Antwort sein. Ganz ohne Formeln. Es ist also etwas unwissenschaftlich, aber eine elegante Analogie und für den Menschen wirklich leicht vorstellbar und zu verstehen.

Die meisten Menschen stellen sich einfache Schaltungen wie in den Beispielen wie ein leeres Rohr oder Rohr vor, das mit Wasser gefüllt ist. Dies liegt zum Teil an der Analogie des fruchtbaren Wasserflusses.

In Wirklichkeit ist es viel mehr wie eine Röhre, die mit festen Kugeln gefüllt ist, wie eine Bowlingröhre. Diese Röhre ist von Ende zu Ende mit Kugeln gefüllt und es gibt keine Lücken zwischen ihnen. Wenn Sie den Ball in ein Ende schieben, legen alle Bälle die gleiche Strecke zurück .

Diese Bewegung ist der Elektronenstrom und die Kraft, die zum Bewegen der Kugeln benötigt wird, ist die angelegte Spannung.

Eine weitere Quelle der Verwirrung ist der Satz „Pfad des geringsten Widerstands“. Jemand kann sich eine Person an der Kreuzung vorstellen, die den einen von drei möglichen Wegen wählt. Wenn eine Person einen Weg eingeschlagen hat, gehen alle Menschen diesen Weg, und genau so fließt der Strom NICHT . Stattdessen wird sich der Strom "aufteilen" und in alle möglichen Richtungen fließen, aber auf diese Weise proportional zum Widerstand. Manchmal ist der Widerstand so hoch, dass der Strombetrag so klein ist, dass er zur Vereinfachung vernachlässigt werden sollte.

Tatsächlich haben Wellen viel damit zu tun, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Selbst der einfachste Schaltkreis, der aus einer Batterie, einem Schalter, einem Draht und einem Widerstand besteht, ist zunächst eine Übertragungsleitung, die von elektromagnetischen Wellen umgeben ist, und erfordert eine transiente Analyse, um sie zu verstehen. Diese transiente Analyse wird die anfängliche Frage in diesem Blog beantworten, wenn ich die Frage verstehe ... Sogar die Batterie ist komplex und erfordert zunächst, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, eine Analyse, die von Maxwells-Gleichungen und mehr geregelt wird. In den vergangenen Jahren wurde DC101 zunächst unter Verwendung der Analogie von Wasser in Rohren usw. gelehrt. Analogien wurden auch für Induktivität und Kapazität gezogen. Es ist eine großartige Möglichkeit, jemandem zu helfen, DC zu verstehen, wenn Sie fünf Minuten Zeit haben, um es ihm beizubringen, und das Ohmsche Gesetz ist so weit, wie Sie Ihren Schüler bringen werden.

Ihre Frage ist etwas verstümmelt und ich verstehe nicht, wie Wellen etwas damit zu tun haben. Das grundlegende Ohmsche Gesetz ist jedoch in Ihrem Beispiel leicht zu erklären. Beide Widerstände führen Spannung$V_S$über sie. Das heißt, der Strom durch sie wird sein$\frac{V_S}{R}$. Speziell

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$ist lediglich die Summe der beiden Ströme durch die Widerstände:

$I_S = I_1 + I_2$

Du kannst bekommen$I_S$auf andere Weise, indem der äquivalente Widerstand von berücksichtigt wird$R_1$und$R_2$parallel zu.

Allgemein:$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Unter erneuter Verwendung des Ohmschen Gesetzes ist es einfach, Is zu berechnen:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

Beachten Sie, dass dies die gleiche Antwort wie oben ist, wo wir den Strom durch jeden Widerstand berechnet und addiert haben, um zu erhalten$I_S$:

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Es ist wie eine Autobahn voller Autos, wo die Autobahn der Leiter und die Autos die Elektronen sind. Wenn vor Ihnen Straßenarbeiten stattfinden, die die Autobahn von drei auf eine Fahrspur begrenzen, werden alle Fahrspuren langsamer und die Autos 20 Meilen dahinter können auch auf dem dreispurigen Abschnitt nicht schneller fahren, weil die vorausfahrenden Autos sie nicht zulassen.