Warum ist der Strom in einer Reihenschaltung gleich?

Ich bin überrascht, dass noch niemand die hydraulische Analogie für Elektrizität erwähnt hat , um dem OP zu helfen, sie besser zu verstehen. Eine kurze Zusammenfassung dieser Analogie lautet:

Electricity is like water flowing through pipes.
Current = amount of water flowing through pipe
Voltage = pressure of water
Power = water pressure x water flow (voltage x current)
Resistors = constrictions in pipe. Pressure (voltage) drops occur across them.

An jedem Punkt in einem Rohr (Reihenschaltung) fließt die gleiche Menge Wasser wie an jedem anderen Punkt vorbei.

Jeder Split in einem Rohr (Parallelschaltung) teilt das gesamte Wasser, das in den Split fließt (der Strom aller Zweige ist gleich dem Strom vor dem Split).

Es gibt auch Wasseranalogien für andere elektrische Komponenten wie Spulen und Kondensatoren; Besuchen Sie den Link, wenn Sie interessiert sind.

Stellen Sie sich einen Block vor, der einen Hang hinunterrutscht und zwischen dem Hang und dem Block so viel Reibung besteht, dass der Block mit konstanter Geschwindigkeit den Hang hinunterrutscht.

Wenn der Block den Abhang hinunterrutscht, verliert er potenzielle Gravitationsenergie, und aufgrund der Reibung zwischen dem Abhang und dem Block wird eine gleiche Wärmemenge erzeugt.
Der Block ändert sich nicht, ist aber Teil des Mechanismus, durch den potenzielle Gravitationsenergie in Wärme umgewandelt wird.

Sie können sich die Elektronen als geladene Blöcke vorstellen, die elektrische potentielle Energie verlieren (entlang eines Potentialgradienten mit der Driftgeschwindigkeit gleiten), und diese Energie wird in einer Glühbirne in Wärme und Licht umgewandelt.
Wenn die Elektronen den positiven Anschluss der Spannungsquelle erreichen, erhalten sie dann mehr elektrische potentielle Energie von der Spannungsquelle und können so wieder entlang des Potentialgradienten gleiten.
Die Elektronen verändern sich nicht und werden nicht erzeugt oder zerstört, sondern sie sind Teil des Mechanismus, durch den elektrische potentielle Energie in Wärme und Licht umgewandelt wird.

Warum bleibt der Strom gleich?

Interessante Frage. Wie Sie an den Beispielen mit fallendem Wasser oder Gleitsteinen sehen konnten, ist das Gravitationspotential für die Energiefreisetzung in mechanischen Speichern verantwortlich. Bei einer Batterie kann dies nicht der Grund für die Energiespeicherung sein. Kinetische Energie in einer Batterie kann auch nicht der Grund sein. Am Ende in der Batterie ordnet eine elektromagnetische Wechselwirkung die Elektronen in verschiedene chemische Bindungen um. Und indem Elektronen in Umordnungen geschoben werden, geht ein Teil der EM-Strahlung zu den Elektronen über. Elektronen können EM-Strahlung oder genauer gesagt Photonen speichern. Meist wird ein Teil der Energie in Form langwelligerer Photonen wieder freigesetzt, weshalb die Energiespeicherung in Akkumulatoren ineffizient ist.

Neben der potentiellen (Gravitations-) Energie und der kinetischen Energie gibt es also eine Speicherung von EM-Energie. Sie fühlen es richtig mit unserer Frage. Die Elektronen am Ende des Stromkreises haben die gleiche Menge und natürlich die gleiche Ladung. Die Energiefreisetzung in einer Glühbirne sowie im Draht aufgrund des Ohmschen Widerstands ist nur möglich, weil vorher die Elektronen mit EM-Energie aufgeladen werden.

Beachten Sie, dass eine solche Erklärung, wenn Sie sie nicht in der Literatur finden konnten, nicht falsch sein sollte, sondern neu sein könnte. Ihre Frage berührt also einen interessanten Punkt der Wechselwirkung zwischen Elektronen und EM-Strahlung.

Woher kommt die Energie, wenn die Menge der Elektronen gleich bleibt?

In Batterien ist Energie gespeichert. Die Energie in einer Batterie könnte Elektronen auf eine sehr hohe Geschwindigkeit beschleunigen. Dies geschieht jedoch nicht in einer Schaltung. So wie die Batterie ein Elektron beschleunigt, trifft das Elektron auf ein anderes und bleibt mit konstanter Geschwindigkeit. Die Batterie drückt das Elektron also ständig, aber am Ende kommt es mit der gleichen Geschwindigkeit zu ihm zurück. Es ist, als würde man einen Ball von einer hohen Stelle mit einer Geschwindigkeit von nach unten schießen$10$und es kommt mit der gleichen Geschwindigkeit zu Boden; obwohl wir erwarten, dass es mit größerer Geschwindigkeit auf den Boden trifft (aufgrund der Gravitationskraft).

Die Batterie drückt ständig, aber das Elektron bleibt in der gleichen Geschwindigkeit, jetzt macht es Sinn. Die von der Batterie freigesetzte Energie wird im Stromkreis verwendet und wird zu Wärme, die später zu Licht werden kann.

Ein gutes Beispiel für das, was ich beschreibe, wären Wasserturbinen. Wenn eine Wasserturbine aufgestellt wird, beispielsweise entlang eines Wasserfalls, entspricht die Wassermenge, die hereinkam, der Wassermenge, die abfließt. Woher kommt also die Energie? Wie beim Elektron- und Schaltungsfall geht es um Geschwindigkeiten und Elektronen und Wasser sind nur Energieträger.

(Beachten Sie, dass diese Antwort auf dem Modell freier Elektronen basiert, das jetzt durch genauere ersetzt wird, die auf Universitätsniveau gelehrt werden.)

Aber wenn die Strommenge, die in den Glühfaden der Glühbirne fließt, = die Strommenge, die aus dem Glühfaden fließt, und gleichzeitig Photonen (Lichtenergie) [und auch etwas Wärmeenergie] erzeugt werden, dann erzeugen wir keine Energie ? Was nicht möglich ist.

Strom ist der Ladungsfluss über die Zeit, Q/t. Er kann je nach Widerstand im Stromkreis größer oder kleiner sein. Angenommen, Sie haben eine Batterie mit einem Spannungsabfall Delta (V), der mit dem Strom in Beziehung steht

Delta(V) = R*I

Wobei R der Widerstand im Stromkreis ist. Wenn der Widerstand geringer ist, z. B. beim Entfernen der Lampe, ist der Strom höher.

Es ist die Batterie, die die geladenen Elektronen mit Energie versorgt, die in der Glühbirne gestreut werden und Licht und Wärme erzeugen. Es ist also eine Gesamtlösung der Schaltung, die bestimmt, wie viel Licht die Glühbirne gibt. Der Strom ist der Träger.

Der Strom ist ein Maß dafür, wie viele Elektronen pro Sekunde an einem bestimmten Punkt im Stromkreis vorbeiströmen. Also gibt es Elektronen, die in die eine Seite der Glühbirne hinein rauschen und auf der anderen Seite heraus rauschen. Die Zahl, die jede Sekunde IN rauscht, ist gleich der Zahl, die jede Sekunde OUT rauscht. Wenn das nicht der Fall wäre, würden sich Elektronen in der Glühbirne ansammeln; was den weiteren Stromfluss behindern würde.

Obwohl die Anzahl der Elektronen, die jede Sekunde in die Glühbirne rauschen, gleich der Anzahl ist, die aus ihr heraus rauscht, verliert jedes Elektron auf seinem Weg durch die Glühbirne ein wenig Energie; und von dort kommt das Licht.