Woher „weiß“ ein Widerstand, dass er die Potentialdifferenz an seinen Enden erhöhen soll?

Mein Buch sagt, dass der Strom in einer einfachen elektrischen Reihenschaltung, die aus Drähten, einer Zelle und wenigen Widerständen besteht, konstant sein muss, und daher haben Widerstände eine höhere Potenzialdifferenz als der Rest des Drahtes mit geringerem Widerstand.

Woher "weiß" die Schaltung, dass sie einen konstanten Strom aufrechterhalten muss? Woher weiß es, dass es die Potentialdifferenz darüber erhöhen muss? Ich weiß, dass die Potentialdifferenz in einem Stromkreis die im Widerstand verbrauchte Energie ist, und mit mehr Widerstand ist die Potentialdifferenz aufgrund des Ohmschen Gesetzes größer. Aber warum fließt der Strom nicht einfach durch den Widerstand, erfährt dieselbe Potentialdifferenz wie alle anderen zwei Punkte in der Schaltung mit geringerem Widerstand, was bedeutet, dass weniger Strom durch ihn fließt?

@JunSeo-He Ich denke, eine Zelle ist eine Spannungsquelle. Ich spreche von einer einfachen elektrischen Reihenschaltung.
@JunSeo-He, du hast es falsch verstanden, ich frage, woher der Widerstand weiß, dass er eine höhere Spannung zwischen seinen Enden haben muss als der Draht, an den er angeschlossen ist, an dem (der Draht) aufgrund des geringeren Widerstands eine niedrigere Spannung hat. Bitte lesen Sie meine Frage noch einmal richtig durch, ich weiß, dass der Strom in der Gesamtschaltung aufgrund von Ersatzwiderständen und so abfällt
Woher „weiß“ eine Kerze, dass sie Feuer fängt, wenn man ein Streichholz daran hält? Woher „weiß“ ein Ei, dass es gar ist, wenn man es in eine heiße Pfanne legt? Woher „weiß“ ein Stein, dass er zu Boden fällt, wenn man ihn loslässt? Keines dieser Dinge ist das Ergebnis einer bewussten Entscheidung.
Woher weiß ein Wasserfall, dass er das Wasser niedriger machen soll?
Woher "weiß" Ihr Wasserhahn, dass er die gleiche Wassermenge ausgießt, die aus der Versorgung in ihn eindringt?
Ein Widerstand "weiß" nichts über Spannung, dh elektrische Energie. Der Widerstand R ist eine physikalische Eigenschaft von Elementen und Mineralverbindungen und das Ohmsche Gesetz ist in dieser Hinsicht sehr irreführend, zB 1 E=IXR, wenn Sie annehmen, dass I konstant ist, da R-> unendlich V gegen unendlich gehen muss 2 I=E/R aber Gl 2 Zustände, wenn R sich unendlich nähert, gehe ich auf Null, so dass man nicht annehmen kann, dass ich konstant bin. Sie müssen nichts über das Maxwellsche Gesetz wissen (das sind gekoppelte Differentialgleichungen auf College-Level-Physik)), um das Ohmsche GESETZ zu verstehen = einfache High-School-Algebra

Antworten (5)

(a) "Woher "weiß" die Schaltung, dass sie einen konstanten Strom aufrechterhalten muss?"

Wenn der Strom (die Flussrate der Ladung) nicht überall im Stromkreis gleich wäre, würde sich an einem oder mehreren Punkten elektrische Ladung ansammeln. Dies konnte nicht lange so weitergehen, weil die aufgestaute Ladung (sagen wir mal negativ) verhindern würde (durch Abstoßung), dass sich weitere Ladungen dem Stapel anschließen. In sehr kurzer Zeit nach Abschluss des Stromkreises ist der Strom im gesamten Stromkreis gleich, sodass die Ladung, die pro Sekunde in ein Leitersegment eindringt, dieselbe ist wie die Ladung, die es verlässt.

Dieser stationäre Strom wird durch den von der Stromversorgung bereitgestellten pd und den Widerstand der Schaltung bestimmt. [Du scheinst damit zufrieden zu sein.]

(b) „Woher weiß [die Schaltung], dass sie die Potentialdifferenz über [einer Komponente mit höherem Widerstand] erhöhen muss?

Meiner Meinung nach ist das eine ziemlich tiefgründige Frage – wenn man sich das nicht einfach sagen lassen will v = ICH R . Ich glaube, dass die Antwort in diese Richtung geht ... Als ich in (a) über das Anhäufen von Ladung sprach, sagte ich nicht, dass die Anhäufungen weggingen, sondern nur, dass sie selbstbegrenzend waren. Ich denke, dass (Oberflächen-) Ladungen auf dem Leiter für die unterschiedlichen pds über die verschiedenen Komponenten hinweg verantwortlich sind. Aber wir bewegen uns auf einem Gebiet, in das sich nur wenige vorwagen, am allerwenigsten Lehrbuchautoren.

Trotz der anthropomorphen Formulierung denke ich, dass Fragen der Art "Woher weiß Objekt X, was zu tun ist?" kann anregend sein. Ein weiterer Favorit von mir ist "Woher weiß ein Gewicht, das an einem Punkt an einem Lineal hängt, das auf einem Drehpunkt balanciert ist, wie weit das andere Gewicht entfernt ist?"
Wenn wir akzeptieren, dass unbelebte Objekte Berechnungen und Berechnungen durchführen können (wenn Sie dies lesen, akzeptieren Sie das wahrscheinlich bereits), glaube ich nicht, dass der Sprung weit ist, um zu akzeptieren, dass sie "wissen" können wie Dinge „richtig“ zu machen. "Wollen" (wie beispielsweise dynamische Systeme im niedrigsten Energiezustand sein wollen) ist schlimmer, aber ich habe immer noch keine großen Probleme damit. Solange es (implizit oder explizit) verstanden wird, dass es sich um einen Anthropomorphismus handelt.
@PhilipWood Ich stimme Ihrem Kommentar zu. Allerdings kann man den Verstand verlieren, wenn man sich fragt, wie Wasser den tiefsten Punkt findet. Die Tendenz des Universums sicherzustellen, dass alles darin Energie hasst und wünscht, dass sie minimiert wird, ist eine Lektion, die verinnerlicht werden muss. Am Ende ist es der Zeit- und Entropiepfeil.
Ähnlich wie das Wasser in einem Behälter "weiß", dass es an allen Stellen den gleichen Stand hat. Es ist einfach die stabilste Konfiguration.
@StianYttervik Ja, es ist nicht so sehr, dass das Universum Energie hasst. Es ist so, dass die Entropie tendenziell zunimmt und es mehr Möglichkeiten gibt, Energie in der Umgebung (einem großen Reservoir) zu verteilen als in unserem kleinen Wasserkrug. Zumindest bei niedriger Temperatur (für kT << Energie der Wellenbewegungen des Wassers) gibt unser System jede verfügbare Energie in das Reservoir ab.
@WaterMolecule Es sind die Dinge im Universum, die Energie hassen. Ich mag diese Vereinfachung, sie funktioniert in fast jeder Situation – wie wird sich die Zukunft entwickeln? Dinge werden versuchen, ihre Energie zu minimieren, wenn sie können. Sei es elektrisch, gravitativ, kinetisch oder chemisch. Dass das entsprechende thermodynamische Attribut Entropie heißt, ist nur Nomenklatur.
@StianYttervik "Dinge werden versuchen, ihre Energie zu minimieren, wenn sie können" und wurden so als Hamiltonsche Mechanik geboren?
@StianYttervik Entropie ist nicht dasselbe wie Energie. Masse-Energie ist eine konservierte Größe, wie ein Haufen anderer Größen; währenddessen scheint die Entropie informationstheoretisch zu sein und wird nicht konserviert. Der Zeitpfeil scheint fast vollständig entropisch zu sein; Dieser entropische Pfeil bewirkt, dass Energie nach und nach "ausgebreitet" wird (wie z. B. Hitze). Energiegleichungen in der Physik sind zeitsymmetrisch; Entropiegleichungen sind es nicht. Daher verstehe ich deine Behauptungen nicht. Es ist plausibel, dass Sie Physik besser verstehen als ich, was wollen Sie damit sagen?
Die Formulierung "dann würde sich an einem oder mehreren Punkten elektrische Ladung ansammeln" ist nett, aber der Schriftsteller schreibt über elektrische Ladung, die die Menschen nicht sehen können und daher schwer zu verstehen ist. Stellen Sie sich einen langen Wasserkanal vor, in diesem Beispiel einen kreisförmigen, in den das Wasser aufgrund der Pumpe (Quelle) fließt, in Segmenten mit gleicher Breite ist die Wassergeschwindigkeit gleich. Breiterer Kanal, langsamerer Strom, schmalerer Kanal, schnellerer Strom. Woher „weiß“ der Wasserfall (vertikales Segment des Kanals), dass er eine Potenzialdifferenz liefert? Es ist ein Wasserfall, es liegt in seiner Natur, einen größeren Unterschied als ein horizontales Segment / einen horizontalen Kanal bereitzustellen.
@Barmar, PhilipWood, für mechanische Systeme "weiß" das System einfach, wo es das Gleichgewicht erreichen soll, dass es in jeder Nicht-Gleichgewichtsposition eine Nettokraft (und / oder ein Nettomoment) gibt, die das System in Richtung Gleichgewicht drückt (und wie genau das passiert ist Dynamik). Wie du weißt.

Ich glaube, Sie haben die Titelfrage falsch gestellt und ignorieren die Definition von Widerstand. Lassen Sie uns zuerst den Widerstand untersuchen.

Der Widerstand eines einfachen Widerstands ist das Verhältnis der Energieaufnahme pro Ladung zur Ladungsflussrate, dh Potenzialdifferenz/Strom. Aber das weißt Du. Der konzeptionelle Unterschied besteht jedoch darin, dass der Widerstand nichts "weiß". Es absorbiert Energie, und je schneller Sie Ladung durchschieben, desto mehr Energie pro Ladung verbraucht es. Außerdem können die Widerstände nicht mehr Energie verbrauchen, als von der Quellenzelle in das Feld eingebracht wird.

Nun, die Frage, die Sie später stellen, ist besser, aber die Schaltung "weiß" es auch nicht. Es geht einfach darum, wie das physikalische Universum funktioniert. Die gleichen Ströme durch jeden Reihenwiderstand sind auf die Ladungserhaltung zurückzuführen , aufgrund der Messinvarianz des elektromagnetischen Felds, das die Schaltung antreibt. Grundsätzlich gilt die Ladungskontinuitätsgleichung,

∂ ρ ∂ T + ∇ ⋅ J → = 0 ,
sagt uns, dass, wenn es keine Ladungsakkumulation gibt (eine zeitliche Änderung der Ladungsdichte, ρ ) muss die räumliche Ableitung der Stromdichte 0 sein. Da Widerstände keine Ladung speichern, muss der Strom durch Reihenwiderstände gleich sein. Sie können die Kontinuitätsgleichung aus den Maxwell-Gleichungen entwickeln.

Wenn sich die Spannung über einem Stromkreis ändert, breitet sich die Änderung durch den Stromkreis aus. Während einer sehr kurzen Zeit schwanken die Spannungen und Ströme, und der Strom kann entlang eines Leiters sogar unterschiedlich sein. Aber schnell werden die Spannungen und Ströme entsprechend den verschiedenen Parametern der Schaltung (wie Widerständen und Spannungen von Stromquellen) ein Gleichgewicht finden. Dabei sind die Gesetze der Elektrizität (Kirchhoffsches und Ohmsches Gesetz) erfüllt.

Du beziehst dich auf Transmissionline-Effekte. Dinge wie Reflexionen, Schwingungen, Klingeln und Spannungsspitzen, die immer dann auftreten, wenn Änderungen/Transienten in der Schaltung auftreten. Dazu gehören Dinge wie das Anschließen der Stromversorgung an einen ansonsten stationären Gleichstromkreis.

Diese instabilen Zustandssignale, die zwischen Komponenten der Schaltung hin und her springen, sind effektiv unterschiedliche Teile der Schaltung, die miteinander kommunizieren, um ein Gleichgewicht zu erreichen.

Woher "weiß" die Schaltung, dass sie einen konstanten Strom aufrechterhalten muss?

Wenn Physik-Lehrbücher darüber sprechen, wie Elektrizität funktioniert, sprechen sie im Allgemeinen davon, wie stationäre Elektrizität funktioniert, obwohl sie diese Annahme oft nicht ausdrücklich angeben. Alle realen Elektronikkomponenten haben eine gewisse Kapazität. Wenn sich also die Spannung ändert, gibt es Unterschiede im Strom, aber diese Unterschiede dauern Millisekunden. Sobald ein Gleichgewicht erreicht ist, ist der Strom im gesamten Stromkreis gleich, da es sonst zu einem Ladungsaufbau kommen würde.

Denken Sie daran, dass der Strom aus einem Bit der Schaltung der Strom in das nächste Bit ist. Wenn weniger Strom aus dem Widerstand kommt, muss der Teil der Schaltung nach dem Widerstand weniger Strom haben (es sei denn, er hatte zuvor eine Ladung aufgebaut, die er entlädt). Eine Analogie für Elektrizität ist Wasser. Die Wassermenge, die durch einen Rohrabschnitt fließt, muss gleich der Durchflussmenge durch den nächsten sein. Sie können Wasser nicht aus dem Nichts erscheinen lassen.

Woher weiß es, dass es die Potentialdifferenz darüber erhöhen muss? [...] und je größer der Widerstand, desto größer die Potentialdifferenz aufgrund des Ohmschen Gesetzes

Sie können das Ohmsche Gesetz schreiben als v = ICH R , aber das ist etwas irreführend, da Spannung nicht durch Widerstand oder Strom verursacht wird. Strom wird durch Spannung verursacht, und der Widerstand bestimmt, wie viel. Sie formulieren es so, als ob mehr Widerstand mehr Spannung verursacht. Das ist nicht der Fall. Der Widerstand erhöht nicht die Potentialdifferenz darüber, er reagiert auf die Potentialdifferenz, die die EMF erzeugt. Ohmsches Gesetz schreiben als ICH = v / R ist in vielerlei Hinsicht eine weniger irreführende Form, da sie die kausale Richtung besser darstellt. Beispielsweise liefert in einem von einer Batterie betriebenen Schaltkreis die Batterie eine Spannungsdifferenz. Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz über dem Widerstand, und je höher der Widerstand ist, desto weniger Strom fließt. Du kannst die Spannung nicht reduzieren, indem du den Strom reduzierst.

Woher „weiß“ ein Widerstand, dass er die Potentialdifferenz an seinen Enden erhöhen soll?
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