Fließen Elektronen tatsächlich, wenn eine Spannung angelegt wird?

Denken Sie an den Strom in Bezug auf Elektronen, die sich bewegen Beginnen Sie einen Weg zu einem schlechten mentalen Modell der Funktionsweise von Elektrizität. Hier sind nur ein paar Dinge falsch:

• Elektronen sind nur einer von vielen Ladungsträgern. Jedes Ion ist auch ein Ladungsträger.

• Die Protonen, die die Elektronen ausgleichen, sind ebenso wichtig. Wenn Sie nur Elektronen hätten, würden alle Elektronen im Universum voneinander abgestoßen und in das Universum geschossen.

• Elektronen sind negativ geladen, und Sie werden sich selbst verwirren ohne guten Grund darüber nachdenken, wie sie von negativ nach positiv fließen. Es spielt eigentlich überhaupt keine Rolle.

• Elektronen schwärmen tatsächlich die ganze Zeit in alle zufälligen Richtungen herum, und ihre Bewegung aufgrund des Stroms ist im Vergleich dazu winzig.

Wichtig ist Folgendes: Ladungsträger (Elektronen sind solche) können zur Übertragung einer elektromotorischen Kraft verwendet werden (normalerweise nur Spannung genannt). Dies ist wirklich ein ziemlich gewöhnliches Konzept. Sie können ein Ende einer Stange drücken und eine mechanische Kraft auf das andere Ende der Stange übertragen. Bewegt sich die Stange, wann tun Sie das? Vielleicht, aber hier passieren zwei Dinge:

1. Kraft wird durch den Stab übertragen, als Wellen, die sich mit Schallgeschwindigkeit in diesem Material ausbreiten
2. genau dann, wenn wir Auch die Kraft übertragen, bewegt sich der Stab, in den meisten Fällen mit einer viel langsameren Geschwindigkeit.

Der Unterschied ist für einen Stab offensichtlich, aber da wir keine elektrische Ladung sehen können, ist der Unterschied nicht offensichtlich

Ihre Frage war also: Fließen Elektronen tatsächlich w Wenn eine Spannung angelegt wird? Genau genommen lautet die Antwort vielleicht und hängt davon ab, was Sie unter flow verstehen. Es ähnelt der Frage, bewegt sich ein Seil, wenn Sie daran ziehen? Nun, wenn es an einem Ballon befestigt ist, kann es sich viel bewegen. Wenn es an einer Mauer befestigt ist, bewegt es sich möglicherweise überhaupt nicht.

Die Bewegung von Ladungsträgern (wie Elektronen) ist Strom . Wenn wir einen Strom haben, dann Es gibt eine Nettobewegung von Ladungsträgern. Wirklich schwärmen sie überall, so wie die einzelnen Wassermoleküle in einem Rohr herumschwärmen, selbst wenn es keinen Nettofluss gibt. Der Strom beschreibt die durchschnittliche Bewegung. Im Fall von Gleichstrom befindet sich die durchschnittliche Bewegung in einem Kreis.

Wie die einzelnen Ladungsträger interagieren, um dies zu erreichen, ist kompliziert, und es ist wirklich eine physikalische Frage, keine elektronische Frage. Ich würde vorschlagen, dass Sie sich dieses MIT-Tutorial zu Feldern ansehen.

Kommentare

• Aber afaik wird ein Haufen Elektronen auseinander fliegen und nicht zu einer Kugel zusammenkuscheln.
• @WoutervanOoijen ja, ich denke du hast recht 🙂 Auf jeden Fall wäre es eine ganz andere Welt!
• 90% von allem, was ich lese, ist einfach falsch, wenn es um sich bewegende Elektronen und lose Elektronen geht.

Elektronen bewegen sich physisch, wenn eine Spannung angelegt wird – extrem langsam .

In einem Stromkreis mit 100 VDC, der eine 1A-Last (wie eine Glühbirne) über einen Kupferdraht mit 2 mm Durchmesser mit Strom versorgt, bewegen sich die Elektronen mit einer Geschwindigkeit von:

\ $ \ dfrac {I} { Q \ cdot e \ cdot R ^ 2 \ cdot \ pi} \ $

wobei

• Q die Anzahl der Elektronen pro Kubikzentimeter Kupfer ist (ungefähr \ $ 8.5 \ mal 10 ^ {22} \ $)
• R ist der Radius des Drahtes
• e ist die Ladung pro Elektron (ungefähr \ $ 1,6 \ mal 10 ^ {- 19} \ $ coulombs)

Dies entspricht 8,4 cm / Stunde . Nicht gerade schnell.

Was der Schlüssel ist, ist die Tatsache, dass die Energie rast fast augenblicklich durch den Stromkreis – nicht die Elektronen selbst. (Die Elektronen bilden eine bequeme „Autobahn“, auf der die Energie schnell fließen kann.)

Es ist bedauerlich, dass die langsame Drift von Elektronen unter einer Spannung denselben Namen erhielt wie der Energiefluss, der tatsächlich fließt funktioniert in einer Schaltung.

Kommentare

• Ohne diese langsame Drift der Elektronen gibt es keinen Strom, also können wir ‚ haben keinen Energiefluss. Ein Energiefluss heißt Energie, und wie wir wissen, \ $ P = IE \ $. Wenn \ $ I = 0 \ $, kann es keinen Energiefluss geben Vielleicht haben sie nur die Hälfte den gleichen Namen 🙂
• Richtig. Wohlgemerkt, in AC wackeln sie nur und ziehen ‚ an t zirkuliert wirklich per se.
• Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektronen / cm ^ 3 ist die Gesamtzahl Elektronen pro Cu-Volumen. Nur ein Bruchteil dieser Elektronen sind freie Elektronen, die an der Leitung teilnehmen ( en.wikipedia.org/wiki/Free_electron_model ). Diese Formel lautet also falsch.
• @Curd Ihre Nummer ist falsch, woher haben Sie sie? > “ Q = 8,5 × 10 ^ 22 Elektrons / cm ^ 3 ist die Summe Anzahl der Elektronen pro Volumen Cu. “ Nein, die Gesamtzahl der Elektronen / cm 3 für Kupfer beträgt 2,46 x 10 24. Wenn also jedes Atom nur ein mobiles Elektron zum Elektronenmeer des Metalls ‚ beiträgt, ist die Dichte der freien Elektronen = 2,46e24 / N, wobei N = 29 für Kupfer ist. Ihre obige Gleichung ist korrekt. Siehe dieselbe Berechnung in der Halliday / Resnick-Physik oder in Wikipedia, Drift_velocity
• @wbeaty: Ja, Sie haben Recht (ich habe ‚ habe keinen Halliday, aber) Ich habe neu berechnet und ungefähr Rho / Mm * Na * 29 = 2,44E24 als Gesamtzahl der Elektronen pro cm ^ 3 (Rho-Dichte, Mm-Molmasse, Na = AVogadro) erhalten ‚ s Nummer). Ich ‚ kann mich nicht an meine Berechnung vor 2 Jahren erinnern …

Wir sprechen hier über Metalle. Typischerweise besteht ein Metallobjekt nicht aus Molekülen. Es besteht aus Metallatomen, die alle gruppiert sind. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt:

Die roten Kreise sind Elektronen. Wie Sie sehen, können Sie „nicht wirklich sagen, zu welchem Atom ein Elektron“ gehört „.Diese Elektronen bilden die Verbindungen zwischen den Atomen – sie gehören also zu zwei Atomen.

Wenn nun ein Strom fließt, bewegen sich diese Elektronen tatsächlich. Wenn ein Strom fließt, wird Energie übertragen. Da sich die Atome nicht leicht bewegen können, müssen sich die Elektronen bewegen.

Sie können dies auch in der Einheit Ampere des Stroms sehen: 1 Ampere entspricht 1 Coulomb pro Sekunde. Das Coulomb (C) ist das Ladungseinheit (Q). 1 Ampere bedeutet 1 Coulomb der Ladung passiert einen bestimmten Punkt in 1 Sekunde. Diese Ladung wird von den Elektronen erzeugt, die tatsächlich von Objekt eins zu Objekt zwei fließen.

Wenn wir „sind Wenn es um Gleichstrom geht (z. B. normale batteriebetriebene Anwendung), kehren diese Elektronen nicht zu ihrer Quelle zurück. Betrachten Sie diese Schaltung:

Zu Beginn gibt es einen Ladungsunterschied zwischen dem Negativen und dem Positiven Pol: Der negative Pol hat einen Überschuss an Elektronen. Dies erzeugt eine Kraft (Spannung), und da zwischen den beiden Polen (dem Draht und der Glühbirne) eine Verbindung besteht, beginnen die Elektronen zu fließen. Die Elektronen bewegen sich vom negativen Pol durch die Glühbirne zum positiven Pol, bis kein Ladungsunterschied mehr besteht (oder es so wenig ist, dass kein Strom mehr fließt).

Sie können jetzt sehen, dass diese Elektronen nicht zu ihrer Quelle zurückgekehrt sind: Sie begannen am negativen Pol und endeten am positiven Pol.

Wir nennen dies einen geschlossenen Pfad, weil dort “ Ein Kreis: Der Strom beginnt an der Batterie und endet an der Batterie. Es gibt Verwirrung, weil die Batterie tatsächlich aus zwei Objekten besteht: dem positiven und dem negativen Pol.

Sehen Sie sich diese Schaltung an (die im Grunde dieselbe ist, aber stattdessen einen Kondensator anstelle einer Batterie und einen Widerstand hat einer Glühbirne):

Strom fließt von der rechten Seite des Kondensators (negativ geladen, Elektronenüberschuss) ) durch den Widerstand zur linken Seite des Kondensators (positiv geladen, Elektronenmangel). Hier sind die Kondensatorplatten getrennt, so dass Sie leicht erkennen können, dass es sich tatsächlich nicht um einen geschlossenen Pfad handelt.

Wir nennen es einfach einen geschlossenen Pfad, weil der Strom am Kondensator beginnt und endet.

Da die Elektronen nicht wirklich zu ihrer Basis zurückkehren müssen, können Sie das jetzt verstehen Elektronen können auch in die Erde fließen. Dies passiert auch mit Blitzen. Elektronen fließen von den Wolken zur Erde (oder umgekehrt, ich würde es nicht wissen), nur um den Ladungsunterschied zu neutralisieren.

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• In Bezug auf Blitz: Beide Richtungen. “ Im Durchschnitt machen negative Blitze weltweit die überwiegende Mehrheit aus, etwa 90 Prozent aller Streiks. … Übrigens werden positive Blitzeinschläge als die gefährlichsten angesehen, da sie sehr große Ströme von bis zu 300.000 Ampere erzeugen können! “ ( source )
• Ich mag Ihre Energie @Camil (Wortspiel beabsichtigt), aber Sie sollten sich bewusst sein, dass diese Antwort einige subtile Ungenauigkeiten aufweist. Die Verwirrung ist nicht, dass eine Batterie zwei Pole hat, die Verwirrung ist, dass Schaltkreise ‚ nicht die Bewegung eines einzelnen Elektrons beschreiben – sie beschreiben das Aggregatverhalten und die Energieübertragung … Ihre Die Antwort macht weiterhin dieselben verwirrenden Annahmen, die das OP dazu veranlasst haben, die Frage zu stellen. Entweder in der Zusammenfassung diskutieren, in welchem Fall der Strom zur Quelle zurückkehren muss – oder – das Physikalische mit Elektronen und ihre Einstellung zu einer beliebigen Äquipotentialoberfläche diskutieren.
• p.s. – Ich habe nicht abgestimmt. Nur für den Fall, dass es jemand anderes tut. – “ nicht ich! „;)
• Es wäre auch erwähnenswert, dass sich Elektronen zwar nicht bewegen durch Batterien tut Strom . Aus diesem Grund muss eine Batterie einen Elektrolyten haben, und dies funktioniert genau deshalb, weil Elektronen ‚ nicht durch sie wandern können, positive Ionen jedoch. Die positiven Ionen, die sich in die entgegengesetzte Richtung der Elektronen bewegen, verhindern, dass die Elektronen, die sich durch den Kreislauf bewegen, ein Gleichgewicht herstellen, bis die chemische Energie erschöpft ist. Obwohl sich die Ionen und Elektronen in entgegengesetzte Richtungen bewegen, haben sie entgegengesetzte Ladungen und bilden zusammen einen vollständigen Stromkreis in einer Richtung.
• @CamilStaps Ein einzelnes Elektron nimmt einen zufälligen Weg, wo immer es kann. Wahrscheinlich ist der größte Teil dieser Bewegung auf thermisches Rauschen zurückzuführen und nicht auf die elektrische Maschine, zu der sie gehört. Nur wenn Sie die durchschnittliche Bewegung von vielen (mehr als Milliarden) Elektronen ausführen, werden Sie feststellen, dass sie sich mehr in eine Richtung als in eine andere bewegen. Und Schaltkreise beschreiben ‚ nicht den Elektronenfluss: Sie beschreiben den Stromfluss.