Wirkt sich die Spannungsdifferenz auf die Geschwindigkeit der Elektronen aus? [Duplikat]

tl; dr: Ja, die Spannung beeinflusst die Elektronengeschwindigkeit, aber nicht so, wie Sie denken.

Ohne angelegte Spannung rattern Elektronen in einem Leiter mit ihrer Fermi-Geschwindigkeit herum , die zwar hoch ist (0,81 x 10 ⁶ m/s für Kupfer), aber nicht zu einer Netto-Elektronenbewegung in die eine oder andere Richtung führt. Das heißt, die Vektorsumme aller Elektronengeschwindigkeiten ist Null.

Das Anlegen einer Spannung an den Leiter ändert dies: Das elektrische Feld beeinflusst die zufällige Fermi-Geschwindigkeitsbewegung, um eine Richtungsvorspannung von negativ nach positiv zu haben. Diese Vorspannung erzeugt einen Nettofluss. Die Geschwindigkeit dieses Nettoflusses, genannt Driftgeschwindigkeit oder$v_d$, hängt von der Ladungsdichte des Materials und dem Strom ab.

Das ist,

Von hier:

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/miccur.html#c1

Wir können sehen, dass für einen bestimmten Dirigenten$ne$(Ladungsdichte) und$A$(Querschnittsfläche) sind dabei konstant$I$Variable. Es folgt dem$v_d$ist eine zum Strom proportionale Variable.

Das ist,

• $v_d = \frac{I}{neA}$

Und nach dem Ohmschen Gesetz können wir Spannung mit Strom in Beziehung setzen und letztendlich$v_d$:

• $v_d = \frac{E}{RneA}$

Das macht Sinn: Die Elektronen werden durch das angelegte elektrische Feld in einem Nettofluss von negativ nach positiv beschleunigt, wodurch der Stromfluss erzeugt wird. Je größer das Feld, desto größer die Beschleunigung und damit der Strom.

Verwechseln Sie schließlich die Driftgeschwindigkeit nicht mit der Signalausbreitung. Die Driftgeschwindigkeit ist ziemlich langsam, in der Größenordnung von cm pro Sekunde. Andererseits beträgt die Signalausbreitungsgeschwindigkeit einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit (z. B. 0,8 °C für Koaxialkabel). Warum? Signale breiten sich als elektromagnetische Wellen aus, nicht als sich bewegende Elektronen.

Zugehörige Antwort: https://physics.stackexchange.com/questions/376452/why-is-current-slowed-down-by-resistance

Und zur Fermi-Geschwindigkeit: https://physics.stackexchange.com/questions/150015/how-to-calculate-the-speed-of-electrons-in-a-metal

Sie haben nicht angegeben, wohin sich die Elektronen bewegen. Wir können Elektronen aus ihren atomaren und molekularen Bahnen reißen, wenn wir ein ausreichend starkes elektrisches Feld haben. Das geschieht in elektrischen Vakuumröhren. Diese Geräte sind NICHT veraltet. Sie werden immer noch in Hochleistungsradarsendern und Röntgenröhren verwendet. Und natürlich gefällt vielen Klangsubjektivisten und Musikern der Klang von Röhrenverstärkern. Sie verwenden die gleiche Art von Röhren wie in den 1950er Jahren.

Die größten von Menschen gebauten Vakuumröhren sind die Teilchenbeschleuniger, die von forschenden Physikern verwendet werden.

In Vakuumröhren bewegen sich die Elektronen bei höheren Spannungen schneller. Man kann die erreichte Geschwindigkeit berechnen, indem man annimmt, dass die gesamte Energie des elektrischen Felds in kinetische Energie umgewandelt wird. Das Ding wird hier vorgestellt https://physics.stackexchange.com/questions/403913/calculating-velocity-of-electrons-in-a-vacuum-tube-read-description

Die angegebene Formel ist nicht exakt. Ein Teil der Geschwindigkeit geht als elektromagnetische Strahlung verloren, die entsteht, wenn sich die Geschwindigkeit der Elektronen ändert. Eine weitere Ungenauigkeit besteht darin, Einsteins Relativitätstheorie zu ignorieren. Es muss berücksichtigt werden, wenn die Geschwindigkeit ein wesentlicher Teil der Lichtgeschwindigkeit ist, sagen wir 30 m/us oder mehr. Die Relativitätstheorie zeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht erreicht werden kann, egal wie hoch die Spannungen sind, die wir haben.

In Metallen ist die schiere Anzahl von Elektronen in sehr lockeren Bahnen, die elektrischen Strom zulassen, sehr hoch. Alle praktisch erreichbaren Ströme benötigen in normalen Drähten einen so geringen Prozentsatz der verfügbaren leicht beweglichen Elektronen, dass die Geschwindigkeit der Elektronen sehr langsam sein kann, sehr wahrscheinlich weniger als ein Millimeter pro Sekunde. Siehe dies für weitere Details: https://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity#Numerical_example

Die Signale treten tatsächlich in den Feldern außerhalb des Metalls auf; Das ist eine Welle, genau wie die Radiowelle, aber Metalldrähte (eigentlich die Elektronen im Metall) leiten sie zur Last. Ein sehr kleiner Teil der Energie der Signale (oder auch der elektrischen Leistung) wandert innerhalb der Metallleiter, der größte Teil wandert außerhalb des Metalls, aber in Richtung der Drähte.

Bei hohen Frequenzen begegnen wir Drahtkonstruktionen, die dazu neigen, etwas Energie an den Raum um den Draht herum zu verlieren. Antennenbauer versuchen, diesen Effekt zu maximieren und die Strahlungsrichtung zu steuern. Übertragungsleitungsbauer versuchen, es zu minimieren.

Der beste Weg, über diese Frage nachzudenken, besteht darin, sich sehr genau mit der Definition des Wortes "Bewegung" auseinanderzusetzen. Hier sind drei verschiedene Arten, wie sich das Elektron bewegt:

1. Das Elektron umkreist den Kern seines Atoms. Dies geschieht mit einer sehr hohen Geschwindigkeit, die für einige Atome nahe der Lichtgeschwindigkeit liegen kann. https://www.quora.com/What-is-the-speed-of-an-electron Bearbeiten: Wie wizzwizz4 betont, ist dies nicht wirklich wahr - wenn man an die "Geschwindigkeit" eines Elektrons im Atom denkt ist ein grundlegend falsches Modell. Siehe zum Beispiel diese Antwort hier: https://chemistry.stackexchange.com/a/26505 .
2. Das Elektron bewegt sich innerhalb des Leiters von Atom zu Atom. Wenn kein Spannungsfeld vorhanden ist, dann ist diese Bewegung zufällig mit einem langfristigen Durchschnitt von Null Bewegung (dh in Abwesenheit eines Spannungsfelds wird das Elektron wahrscheinlich wieder dort landen, wo es begonnen hat). Dies geschieht mit der Fermi-Geschwindigkeit. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html
3. Bei Vorhandensein von Spannung hat diese zufällige Bewegung des Elektrons auch einen langfristigen Trend. (Mit der Zeit landet das Elektron weiter unten im Draht als dort, wo es begonnen hat.) Dies wird als "Driftgeschwindigkeit" bezeichnet, und dies ist die Geschwindigkeit, nach der Sie in Ihrem Beitrag wirklich fragen. https://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity

Wie Sie dem Wikipedia-Artikel entnehmen können, ist die Driftgeschwindigkeit wirklich ziemlich langsam (wie andere darauf hingewiesen haben) und kann aus dem Strom (und den Eigenschaften des Leiters) abgeleitet werden.

Elektronen haben Masse. Deshalb erreichen sie nie Lichtgeschwindigkeit.

Andere Teile Ihrer Frage hängen davon ab, wo sich Ihre Elektronen befinden.

Im Vakuum (wie in einer Vakuum-Termionikröhre oder einem alten Röhrenfernseher): Elektronen beschleunigen im elektrischen Feld. Dann treffen sie normalerweise auf die positive Elektrode, die das Feld erzeugt, und erhitzen es oder tun stattdessen etwas Interessantes (wie das Emittieren von Röntgenstrahlen oder sichtbarem Licht wie in der Fernsehröhre).

Man kann Energie in Einheiten "Elektronenvolt" messen - die Energie, die ein Elektron gewinnt oder verliert, wenn es sich an einen Ort mit 1 V höherem oder niedrigerem Potential bewegt. Die Einheit ist in Prozessen im atomaren Maßstab nützlich und wird in der Physik und Chemie weit verbreitet verwendet.

In Metallen: Die thermische, chaotische Bewegung der " freien " Elektronen (z. B. ~ 1000 km / s bei Raumtemperatur) ist normalerweise um Größenordnungen schneller als alles, was ein externes elektrisches Feld induzieren kann (z. B. 2-3 mm / s bei a stark belasteter Kupferleiter). Andere Antworten (siehe @Mr. Snurb oder @hacktastic) haben es gut erklärt. Es gibt auch eine große Mehrheit von Elektronen in Metallen, die an ihre Wirtsatome gebunden sind und nirgendwo hingehen.

In Isolatoren (Luft, Plastik, Glas, etc...): Fast alle Elektronen an ihre Atome oder Moleküle gebunden. Ein elektrisches Feld bewirkt nur eine geringe Verformung dieser Atome und Moleküle. Eine sehr kleine Minderheit freier Elektronen wandert wie in Metallen thermisch und driftet auch in Richtung des elektrischen Feldes.

Nein, die Elektronen in normalen Schaltkreisen bewegen sich ziemlich langsam. Sie könnten leicht viel schneller gehen, als sich ein Elektron bewegt. Ich bin kein Physiker, also ist meine Sprache vielleicht nicht ganz korrekt, aber ich sage gerne, dass sich die elektromagnetische Welle (die wir als Spannung messen) mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ausbreitet.