Elektronen bewegen sich, weil sie sich in einem Raumbereich mit einem elektrischen Feld ungleich Null befinden. Sie beschleunigen in einem Draht nicht auf hohe Geschwindigkeit, weil sie immer wieder gegen Dinge stoßen. Eine Art Reibung, die Energie ableitet, ähnlich wie die Reibung, an die Sie gewöhnt sind, erklärt, warum Widerstände heiß werden. Tatsächlich hängt ihre Geschwindigkeit von der Stärke des lokalen elektrischen Feldes und der Art des Materials ab, in dem sie sich bewegen.

Wenn Sie einen Stromkreis an eine Spannungsquelle (Batterie, Generator, Wand-) anschließen. Warze, was auch immer), das elektrische Feld, das bereits zwischen dem Anschluss Ihres Netzteils vorhanden ist, bewirkt, dass sich einige Elektronen in den Drähten bewegen. Dabei wird das elektrische Feld neu angeordnet, um entlang der Drähte und durch die Komponenten usw. zu zeigen. Es gibt ziemlich viel Mischen, das unmittelbar nach dem Anschließen des Netzteils stattfindet, und ich werde es größtenteils ignorieren, um mich darauf zu konzentrieren, was passiert, wenn ein (kurzfristiger) stationärer Zustand hergestellt wird.

Grundlagen der Schaltung

Beobachten Sie die Schaltung in ihrem Betriebszustand: Das elektrische Feld zeigt entlang der Drähte und durch Komponenten auf verschiedene Weise. An einigen Stellen ist das Feld $ E $ schwach und an einigen Stellen ist es stark, und an einigen Stellen fließen die Elektronen schnell und an anderen langsam, aber es gibt zwei Regeln, die eingehalten werden müssen: ^{1 sup>}

• Der Strom (Anzahl der Elektronen, die einen Punkt passieren) ist im gesamten Stromkreis gleich. Dies folgt, weil ich mich auf die Zeit beschränkt habe, in der die Dinge nicht funktionieren. t würde sich ändern, und wenn mehr Punkt A als Punkt B (etwas weiter unten im Stromkreis) passieren würden, würden sich im Raum zwischen ihnen Elektronen ansammeln.

• Die gesamte Spannungsänderung um die Schaltung muss Null sein. Dies liegt daran, dass die Spannung eine Funktion ist und an jedem Punkt im Raum nur einen Wert haben kann. Wenn ich also einem Pfad folge, der kommt Zurück zu sich selbst müssen die Änderungen bei der Rückkehr gleich Null sein. ^{2 sup>}

Diese Regeln sind in Bezug auf Spannung und Strom geschrieben, aber vorher habe ich über elektrische Felder gesprochen. Wie ist also die Beziehung zwischen ihnen?

Der Strom kommt in Form des Ohmschen Gesetzes ins Spiel: $ V = IR $.

Die mögliche Änderung in einem Schaltungsabschnitt mit der Länge $ d $ und dem konstanten elektrischen Feld $ E $ ist $ \ Delta V = E d $, daher können wir die Spannungsregel als schreiben $ 0 = V_ {ps} - \ sum V_i = V_ {ps} - \ sum_i E_i d_i $ wobei $ V_ {ps} $ die Spannungsverstärkung der Stromversorgung darstellt. ^{3 sup> Ordnet dies neu an $$ V_ {ps} = \ sum_i V_i = \ sum_i E_i d_i \ ,. $$}

Eine letzte Sache, bevor wir bereit sind, die Frage zu beantworten: Das elektrische Feld in den Drähten wird normalerweise angenommen im Vergleich zum elektrischen Feld in anderen Dingen wie Widerständen sehr klein sein. Daher können wir die $ Ed $ -Beiträge aus den Drähten bei der Arbeit mit der Mathematik ignorieren. Dies gilt nicht für sehr lange Drähte oder für sehr feine Drähte unter niedrigen Spannungen, aber wir gehen trotzdem damit um.

Woher "wissen" die Elektronen?

Betrachten Sie a sehr einfache Schaltung mit einem Schalter darin. Ein Widerstand (Nummer 1) ist direkt mit der Batterie und dem Eingang des Schalters verbunden. Vom Schalter fließt der Strom entweder direkt oder über einen zweiten Widerstand (Nummer 2) zur Batterie zurück.

Die Schaltung beginnt mit dem Schalter, der so eingestellt ist, dass nur ein Widerstand beteiligt ist. Wenn wir es anschließen, ordnen sich die Felder neu an, so dass wir sehr schwache Felder in den Drähten und ein sehr starkes Feld im Widerstand haben: $ V_1 = E_1 d_1 = V_ {ps} $. Damit die aktuelle Regel funktioniert, bewegen sich viele Elektronen langsam in den Drähten und einige Elektronen sehr schnell im Widerstand (denken Sie an fließendes Auto).

• $ t = 0 $ Der ursprüngliche Zustand der Schaltung hat ein Feld im Widerstand 1 $ E_1 = V_ {ps} / d_1 $ und überall in den Drähten sehr schwache Felder. Es gibt nirgendwo Elektronenansammlungen und der Stromfluss ist durchgehend konstant.

• $ t = 0 + \ epsilon $ Der Schalter hat seinen Zustand geändert, aber die elektrischen Felder wurden noch nicht neu angeordnet, sodass im Widerstand 2 kein Feld vorhanden ist. Die Elektronen fahren fort Bewegen Sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie zuvor durch Widerstand 1, wenn sie durch ihn kommen, gibt es kein Feld, um sie durch Widerstand 2 zu bewegen. Sie beginnen sich zwischen den Widerständen 1 und 2 zu stapeln. Dabei beginnen sie, das Feld im Widerstand zu reduzieren 1 und erhöhen Sie es in Widerstand 2.

• $ t = 0 + (2 \ epsilon) $ Jetzt gibt es ein kleines Feld in Widerstand 2 und etwas weniger in Widerstand 1. Strom fließt durch Widerstand 2, aber es fließt immer noch weniger als durch Widerstand 1. Zwischen ihnen baut sich mehr Ladung auf und das treibt das Feld in 2 mehr nach oben und das Feld in einem nach unten Mehr.

• $ t = 0 + (\ text {mehrere} \ epsilon) $ Das Feld in Widerstand 2 ist angestiegen und das Feld in Widerstand 1 ist angestiegen fallen gelassen, bis sie fast übereinstimmen. Der Stromfluss durch die beiden Widerstände ist nahezu gleich, wobei nur eine geringe Menge mehr durch den Widerstand 1 fließt. Die Ladung zwischen ihnen hat sich fast, aber nicht ganz geändert, und das bedeutet, dass die Felder in ihnen ebenfalls fast fest sind.

• $ t = 0 + (\ text {many} \ epsilon) $ Das Feld in Widerstand 2 ist so hoch angestiegen, dass sein Strom mit dem in Widerstand 1 übereinstimmt stellt den neuen Strom der Schaltung als Ganzes dar und ist niedriger als der ursprüngliche Strom.

Aus dieser Überlegung lernen wir, dass jedes Mal, wenn der Elektronenfluss durch einen Teil des Stromkreises schneller ist als durch einen anderen, sich Elektronen so ansammeln, dass das elektrische Feld im Stromkreis so neu verteilt wird dass der Fluss gleichmäßiger ist als zuvor und dass dieser Prozess kontinuierlich abläuft, bis der Fluss im gesamten Kreislauf gleichmäßig wird. Die Stärke des elektrischen Feldes hängt auch mit der Spannungsänderung über jeder Komponente zusammen und wird angepasst, bis die Summe der zugeführten Spannung entspricht.

^{1 sup> Regeln, die in einer Form geschrieben wurden, die nur für Reihenschaltungen gilt. Eine vollständigere Version finden Sie unter Kirchoffs Gesetze.}

^{2 sup> Dies gilt, wenn Sie die magnetische Induktion vernachlässigen.}

^{3 sup> Ich gehe davon aus, dass es nur eine Stromversorgung gibt. Die vollständige Behandlung von Kirchoffs Gesetzen kann diese Einschränkung lockern.}

Diese Gesetze basieren auf einer Schaltung im Gleichgewicht. Wenn Sie eine Schaltung mit +1 Volt links, 1 Ohm in der Mitte und +2 Volt rechts hätten und mit einem Widerstand beginnen würden, der keiner Spannung unterliegt, würde sich die Elektrizität in Richtung der Mitte von bewegen den Widerstand, bis er eine Spannung von ca. 1,5 Volt aufbaut. (Es würde sich allmählich von 1 Volt auf zwei Volt ändern, je nachdem, an welcher Quelle Sie näher sind.)

Wenn Sie die Sandwich-Analogie erweitern möchten, stellen Sie sich aus irgendeinem Grund vor, dass die Stärke der Menschen proportional ist zu ihren Sandwiches. Sie haben auch keine Ahnung, wohin sie gehen, und sie pushen nach dem Zufallsprinzip. Und die Anzahl der Sandwiches, die sie fallen lassen, ist proportional zu ihrer Geschwindigkeit.

In meiner Schaltung werden die Leute zuerst von den Leuten hinter ihnen geschoben, bis sie in die Mitte kommen. Zu diesem Zeitpunkt haben die Jungs auf der rechten Seite mehr Sandwiches, also schieben sie die Leute auf der linken Seite zurück, bis Sie nur noch eine Gruppe von Leuten haben, die von rechts nach links gehen. Sie sind genau genug verlangsamt, um am Ende ein Sandwich zu haben, denn wenn sie langsamer würden, hätten sie mehr Sandwiches als die Jungs, gegen die sie drücken, und beschleunigen sie. Wenn sie schneller gingen, hatten sie weniger, was sie verlangsamte.

Der Grund dafür, dass immer alle die gleiche Anzahl an Sandwiches haben, wenn sie sich an einem Knoten treffen, ist, wenn sie dies nicht tun Jungs mit mehr Sandwiches drücken die Jungs mit weniger zurück und verlangsamen sie, bis sie am Ende die gleiche Anzahl Sandwiches haben. Es könnte für eine Weile ausgeschaltet sein, aber es wird schnell ein Gleichgewicht erreichen.

ACHTUNG DER SANDWICHES !!!

:)

Im Sinne des Sandwich-Jonglierens zur Vermeidung von Mathematik ist hier eine bessere Analogie, eine sichtbare. Die beweglichen Ladungen in leitenden Schaltkreisen sind wie silberne Perlenketten, wie jene kleinen Ketten, die die Stifte an Schreibtischen in Banken der alten Schule befestigen. (Als ich aufgewachsen bin, habe ich immer damit gespielt, als Mama in der Kasse war. Gibt es diese Bankstiftketten überhaupt irgendwo?)

Offensichtlich können diese Perlenketten Zugkräfte wie jede Kette übertragen. Sie können aber auch "Push" übertragen, wenn wir die Kette so komprimieren, dass alle Perlen aneinandergereiht sind und sich berühren. Elektrische Schaltkreise machen beides, ebenso wie die Wulstketten.

Machen Sie einen Antriebsriemen mit einer Wulstkettenschleife mit zwei Riemenscheiben und zwei Rohren. (Die Kette befindet sich in den Rohren, sodass die Perlen in eine gerade Linie gedrückt werden.) Drehen Sie nun das Antriebsrad. Es komprimiert eine Seite der Kettenschleife. Die feste Perlensäule wächst nach außen und Sie können beobachten, wie sich die Welle zum anderen Rad bewegt. Die Drehung des Antriebsrads zieht auch an der anderen Hälfte, und diese Seite der Kette wird nach und nach entkomprimiert. Eine Welle breitet sich entlang beider Hälften der Kettenschleife von Antriebsrad zu angetriebenem Rad aus, und wenn die Wellen am angetriebenen Rad ankommen, dreht sich auch dieses Rad. Drehen Sie das Antriebsrad um, und die Wellen bewegen sich immer noch in die gleiche Richtung, von Antriebsrad zu angetriebenem Rad.

Beachten Sie, dass sich diese Kettenwellen viel schneller bewegen als die Perlen selbst (die Elektronen). ) Außerdem bewegen sich die Wellen entlang beider Hälften der Schleife und gehen nur in eine Richtung von der "Generator" -Riemenscheibe zur "Motor" -Riemenscheibe ... während sich die Kette selbst in einem vollständigen Kreis bewegt, wobei die Hälfte der Schleife rückwärts verläuft gegen die Welle.

Die Welle ist das Joule. Die Kette sind die Coulomb. Die Geschwindigkeit der Kette ist die Ampere.

Es gibt also Ihre Antwort. Das Antriebsrad "weiß", was sich am anderen Ende befindet, da sich die Perlen auf einer Seite stapeln und Gegendruck erzeugen. Das Antriebsrad kann das entfernte angetriebene Rad "fühlen", fühlen, ob es frei oder blockiert ist oder Widerstand leistet. Und auf der anderen Seite der Rennstrecke ziehen alle Perlen aneinander. Somit wird jeder Widerstand am angetriebenen Rad der gesamten Kette bekannt, unabhängig davon, in welche Richtung sie sich dreht.

Beachten Sie, dass beide Hälften des Perlenkreises Energie übertragen. Es gibt keinen "Rücklaufdraht", der mit nutzlosen "leeren Kindern" gefüllt ist, die keine Sandwiches tragen.

Beachten Sie, dass elektrische Energie eine Welle ist und die Ladungsreihe das Medium ist, durch das es breitet sich aus. (Und der gesamte Stromkreis ist mit Ladungen vorgefüllt.) Die langsame Ampere-Geschwindigkeit und die schnelle Wattzahl sind mysteriös, es sei denn, wir erkennen, dass elektrische Stromkreise eine Wellen- und Mediensituation sind. Natürlich bewegt sich das Medium langsam. Normalerweise bewegt sich das Medium überhaupt nicht vorwärts / rückwärts, sondern vibriert nur, während nur Wellen tatsächlich voraus "fließen". Die Elektronen in Drähten sind ein Medium zur Ausbreitung von Wellen, und die Wellen sind die elektrische Energie. Die Energie haftet nicht wie einzelne Sandwiches an einzelnen Elektronen. Ohne diese Schlüsselerkenntnis von Welle und Medium werden wir immer etwas Verwirrung über Watt gegenüber Verstärkern und über Joule gegenüber Coulomb haben.

Bei Wechselstromkreisen sind die Dinge viel klarer: Die Coulomb wackeln hin und her, während sich die Joule kontinuierlich vorwärts bewegen, bewegen sich die Wellen durch ein Medium. Leider ignorieren viele Grundschullehrbücher (und Ihr Lehrer) dies alles und versuchen, Schaltkreise auf DC-Basis zu unterrichten, bei denen die gesamte sich schnell bewegende Wellenenergie vollständig glatt und unsichtbar wird. Nein, die Batterien und Lampen sind nicht einfacher. Verwenden Sie stattdessen Wechselstromgeneratoren mit Glühbirnen. Auf diese Weise werden die langsamen Vibrationen und die schnellen Wellen zu einem Hauptproblem. Oder verwenden Sie mindestens einen Gleichstrom-Handkurbelgenerator anstelle einer Batterie. Bewegen Sie dann den Griff heftig hin und her, um die entfernte Glühbirne anzuzünden.

Versuchen Sie, die "Sandwiches" mit einem Wechselstromkreis zu machen, und Sie werden sehen, wie alles auseinander fällt.

Die Sandwiches funktionieren nicht, da der Elektronenstrom in Metallen sehr langsam fließt und die Lichter sofort aufleuchten. Wie sind die "Sandwiches" so schnell dorthin gekommen, wenn die Kinder nur mit Fuß pro Stunde zurechtkommen können? Die Kinder müssen abgeben; Übertragen von schnellen Sandwiches zwischen Kindern auf der ganzen Linie! Und für eine richtige Schaltung benötigen Sie einen vollständigen Kreis von Kindern, wobei die Hälfte der Kinder in die falsche Richtung zeigt und ihre Sandwiches an das Kind hinter ihnen sendet.

Wenn sich die beiden Sandwichströme treffen Bei der entfernten Last werden sie in Wärme umgewandelt. Wir müssen einen großen Sandwichhaufen machen und sie in Brand setzen. Verwenden Sie Fleisch-Subs mit extra Olivenöl, sie würden wie eine Fackel hochgehen. Halten Sie es jedoch genau: Wenn der Stapel brennt, legen Sie kontinuierlich mehr Sandwiches ab, damit er nicht kleiner wird.

Nun, das wissen sie eigentlich nicht. Das Bild, mit dem Sie vertraut sind, ist ziemlich vereinfacht. Um die offensichtlichen emergenten Eigenschaften zu erklären, benötigen Sie Statistiken und Kenntnisse der mikroskopischen Physik. Was passiert also mit diesem Elektron, wenn es den Stromkreis durchläuft? Beginnen wir mit Widerständen. Warum gibt es überhaupt Widerstand? Das liegt daran, dass Elektronen mit dem Kristallgitter des Leiters kollidieren und dadurch Energie verlieren (lassen Sie mich diesen bekannteren Begriff anstelle Ihrer Sandwiches verwenden). Wie viel? Nun, es kommt auf die genaue Realisierung der Kollision an. Einige Elektronen streuen elastisch (verlieren überhaupt keine Energie, ändern nur die Bewegungsrichtung), andere nicht. Wenn Sie dies jedoch über alle Elektronen mitteln (weil es so viele davon im Material gibt), erhalten Sie das bekannte Ohmsche Gesetz für die Wärmeverluste.

Die Energiegewinnung durch Elektronen ist ziemlich gleich , aber umgekehrt. Es besteht die Möglichkeit, dass das Elektron ein Photon (das ein Quantum des elektromagnetischen Feldes ist) absorbiert und dies verstärkt. Auch hier spielt es keine Rolle, ob die Kollision elastisch ist oder nicht. Sobald Sie über alle Elektronen und Photonen gemittelt haben, bleibt Ihnen ein makroskopischer Effekt des Stroms, der durch das klassische EM-Feld erzeugt wird.

In Fortsetzung von Mareks Antwort möchte ich hinzufügen, dass in elektrischen Schaltkreisen der Wert des Stroms von den Elementen des Schaltkreises abhängt: Die Spannung, die Widerstände werden in Reihe summiert, umgekehrt, wenn sie parallel sind. Das Ganze definiert den Wert des Stroms und der Ströme in den parallelen Teilen gemäß den Elektrizitätsgesetzen. Die einzelnen am Strom beteiligten Elektronen folgen dem Fluss, es ist der Strom, der "weiß", wo die Widerstände sind.

Die Frage ist schlecht gestellt. Die Elektronen "wissen" nichts und die Spannung ist keine Eigenschaft des Elektrons (außer beispielsweise Ladung, die eine Eigenschaft ist). Tatsächlich ist Spannung ein ziemlich abstraktes Konzept. es ist Energie geteilt durch Ladung. Und das bedeutet, einen abstrakten Begriff durch einen anderen abstrakten Begriff zu erklären.

Seien wir grundlegender: Die Natur zeigt, dass Ladungen Kräfte aufeinander ausüben. Ladungen sind konservierte Mengen, sie sind additiv und die Kraft auf eine "Testladung" ist proportional zu dieser Ladung. Dies führt zum Konzept des elektrischen Feldes in der Elektrostatik: Das elektrische Feld ist die Kraft, die eine Testladung empfindet, geteilt durch die Ladung.

Eine Analogie wäre die Gravitation: Hier fühlt eine "Testmasse" eine Anziehungskraft proportional zu ihrer Masse, weshalb wir möglicherweise über ein Schwerefeld sprechen.

Kraftzeiten Abstand ist gleich Arbeit. Wenn Sie also in der Elektrostatik eine Testladung Q zwischen zwei Punkten A und B in einem Feld bewegen, ist damit Arbeit verbunden. Und da die Kraft proportional zur Testladung ist, ergibt sich auch die resultierende Arbeit, um Q von A nach B zu bewegen. Es ist also natürlich, von "Arbeit pro Ladung" zu sprechen, was Spannung ist.

Die Analogie in der Schwerkraft ist "Arbeit pro Testmasse" und nahe der Erdoberfläche, wo das Feld gleichmäßig ist ( Beschleunigung g), das bekannteste Maß dafür ist der Höhenunterschied.

Wenn man die Analogie weiter verfolgt, ist es nützlich, sich einen "Wasserstrom" als Analogon des elektrischen Stroms vorzustellen. Hier ist die Menge (Masse) von Wasser das Analogon der Ladung, und die Höhe (Höhe) des Stroms ist das Analogon des Potentials, und ein Delta in der Höhe ist das Analogon der Spannung.

Beachten Sie, dass Es gibt keinen grundlegend definierten absoluten Wert für das Potenzial, so wie es keinen absoluten Wert für Energie gibt. Es ist bis zu einer beliebigen Integrationskonstante definiert.

Hier schlägt die Sandwich-Analogie eindeutig fehl. Sandwiches sind einfach nichts, was man im Kreis gewinnt oder verliert, es sei denn, die Batterie macht ständig Sandwiches und die Elektronen fressen (in einem Widerstand) die Sandwiches auf. Aber ich sehe nicht, wie dies hilft, Spannungen zu erklären ...