Wie kann Wechselstrom überhaupt etwas speisen?

Ich verstehe den Unterschied zwischen AC und DC. Was ich nicht verstehe, ist, wie Wechselstrom etwas bewirkt, wenn dieselben Elektronen immer wieder verwendet werden, während sie sich hin und her bewegen?

Ein visuelles Bild ist dieser Link um 0:35 .

Würde es nicht neue Elektronen erfordern? Schließlich?

@ Die Antwort von Photon ist ziemlich umfangreich, es fehlt nur noch, wie die elektrische Energie nun tatsächlich übertragen wird. In einem einfachen Fall, in dem Sie nur eine Art ohmsche Last haben, ist es genau das gleiche wie für Gleichstrom, nur mit Polaritätswechsel.

Wenn Sie ein Bild möchten, stellen Sie sich eine Säge vor: Sie wird durch denselben Holzblock hin und her gezogen. Dieselben Sägezähne ermöglichen es, Schicht für Schicht zu entfernen, da beim Bewegen in beide Richtungen eine Kraft (und Kraft) aufgebracht wird.

Bei den Elektronen ist es ganz ähnlich. Eine Wechselspannung drückt sie immer wieder durch eine Last. Während sie die Last durchlaufen, bewegen sie sich von einem Hochspannungsknoten vor der Last zu einem Niederspannungsknoten nach der Last und geben die Energiedifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand ab.

Dann wird die Wechselstrompolarität umgekehrt und wieder befinden sie sich an einem Hochspannungsknoten, der durch die Last zu einem Niederspannungsknoten führt. Auch hier hatte ihr vorheriger Zustand mehr Energie, somit wird die Energie in die Last übertragen.

Die in einem Stromkreis verbrauchte Energie ist nicht in den Elektronen "enthalten", und Elektronen werden nicht verbraucht, wenn Energie in einem Stromkreis verbraucht wird.

Die Energie in Schaltkreisen kann in verschiedenen Formen vorliegen:

Elektrische Felder : Entstehen, wenn positive und negative Ladungsträger voneinander getrennt sind.

Magnetfelder : Werden erzeugt, wenn Ladungsträger in Bewegung sind.

kinetische Energie : Wird normalerweise nicht als Teil der Energie des Stromkreises angesehen, sondern als Zwischenschritt, da die Energie im Stromkreis von elektrischen in magnetische Formen umgewandelt wird. Oder zum Beispiel, wenn ein elektrisches Feld einen Ladungsträger beschleunigt, der dann seine kinetische Energie abgibt, um thermische Schwingungen in einem Widerstandsmaterial zur Erzeugung von Wärme zu erzeugen.

elektromagnetische Strahlung : Wird erzeugt, wenn ein oszillierendes elektrisches oder magnetisches Feld eine sich selbst erhaltende Schwingung im elektromagnetischen Feld erzeugt.

Als Analogie betrachten wir ein schwingendes Pendel. In einer schwingenden Masse wird ständig Energie zwischen potentieller Energie und kinetischer Energie übertragen. Die Masse des Pendels ist jedoch nicht aufgebraucht und muss niemals ersetzt werden (zumindest nicht aufgrund der Pendelbewegung).

Bearbeiten: Wir könnten natürlich auch über Fotodioden und piezoelektrische Wandler sowie Motoren und Gammastrahlenszintillatoren und andere Geräte sprechen, die es einem Schaltkreis ermöglichen, Energie in verschiedene andere Formen umzuwandeln. Ich ignoriere diese Sonderfälle hier und spreche nur über die Energie, die bei der Schaltungsanalyse anfällt.

Ich habe das Gefühl, dass Sie ein Missverständnis darüber haben, wie DC-Energie von der Quelle zur Last übertragen wird, was Ihre Fähigkeit beeinträchtigt, zu verstehen, wie AC-Energie übertragen wird.

Das Bild, das viele Menschen in ihren Köpfen haben, ist, dass die Energiequelle den Elektronen irgendwie Energie verleiht. Die Elektronen fließen dann über einen Draht, der diese Energie trägt, und geben sie dann irgendwie ab, wenn die Elektronen durch die Last fließen. Ich würde wetten, dass Ihr mentales Bild von Elektrizität so etwas ist. Und wenn das Ihrer Sichtweise von Elektrizität nahe kommt, ist die Frage, wie eine Wechselstrom-Energiequelle Energie überträgt, verwirrend. Schließlich fließen die Elektronen nicht 50 oder 60 Mal pro Sekunde von der Glühbirne in Ihrer Küche bis zum Generator im Kraftwerk hin und her. Wir wissen, dass sich Elektronen sehr viel langsamer bewegen (sie bewegen sich in der Größenordnung von einem Meter pro Stunde, abhängig von einer Reihe von Faktoren wie Strom, Größe des Leiters usw.). Und da sich zwischen Ihrem Küchenlicht und dem Generator Transformatoren befinden, ist dies noch weniger sinnvoll, da es sich um zwei verschiedene Stromkreise handelt, die unterschiedliche Elektronen enthalten. Die Drähte sind nicht einmal angeschlossen.

Aber so funktioniert es nicht. Energie wird nicht über Elektronen von der Quelle zur Last transportiert. Energie fließt nicht einmal die Drähte hinunter. Stattdessen wandert elektrische Energie von der elektrischen Quelle über ein elektromagnetisches Feld (EM-Feld) in dem Raum, der die Quelle, die Drähte und die Last umgibt, zur elektrischen Last.

Sehen Sie sich das folgende Bild eines Gleichstromkreises an, der aus einer Batterie, einem Kabel und einem Widerstand besteht. Die grünen Pfeile stehen für das Magnetfeld, das durch den Stromfluss entsteht. Die roten Pfeile repräsentieren das elektrische Feld aufgrund der Spannungsquelle. Die blauen Pfeile stellen die Energieflussdichte oder den Poynting-Vektor dar , der das Kreuzprodukt der elektrischen und magnetischen Felder ist. Der Poynting-Vektor kann als die Geschwindigkeit der Energieübertragung pro Fläche angesehen werden.

Beachten Sie, dass der Energiefluss von der Batterie zum Widerstand erfolgt. Beachten Sie auch, dass die Energie nicht vom Draht in den Widerstand fließt, sondern durch den Raum, der die Drähte umgibt.

Wenn Sie die Gleichstromquelle durch eine Wechselstromquelle ersetzen, sollten Sie sich anhand der elektrischen und magnetischen Felder selbst davon überzeugen können, dass der Poynting-Vektor auch dann von der Quelle zur Last zeigt, wenn der Strom die Richtung wechselt. Da der Poynting-Vektor ein Kreuzprodukt der beiden Felder ist, bleibt seine Richtung auch dann gleich, wenn sich die Felder ändern.

In den Kommentaren gab es einige Fragen zur wissenschaftlichen Gültigkeit dessen, was ich oben gesagt habe. Wie sich elektromagnetische Energie in Stromkreisen bewegt, ist seit einiger Zeit bekannt ... zumindest seit dem späten 19. Jahrhundert. Der Poynting-Vektor, benannt nach John Henry Poynting, der diese Theorie 1884 in einem Artikel mit dem Titel Über den Energietransfer im elektromagnetischen Feld erklärte . Das Papier ist ziemlich lesbar und erklärt die Theorie ziemlich gut. Er erklärt:

Früher galt ein Strom als etwas, das sich entlang eines Leiters bewegte, wobei die Aufmerksamkeit hauptsächlich auf den Leiter gerichtet war, und die Energie, die an einem beliebigen Teil des Stromkreises auftrat, sollte, wenn überhaupt, durch den Strom durch den Leiter dorthin geleitet werden. Aber die Existenz induzierter Ströme und elektromagnetischer Einwirkungen in der Entfernung von einem Primärkreis, aus dem sie ihre Energie beziehen, hat uns unter der Anleitung von Faraday und Maxwell veranlasst, das Medium, das den Dirigenten umgibt, als sehr wichtig anzusehen die Entwicklung der Phänomene. Wenn wir an die Kontinuität der Bewegung der Energie glauben, das heißt, wenn wir glauben, dass sie, wenn sie an einem Punkt verschwindet und an einem anderen wieder auftaucht, durch den dazwischenliegenden Raum gegangen sein muss,

Er fährt fort zu sagen:

Ausgehend von Maxwells Theorie werden wir natürlich dazu gebracht, das Problem zu betrachten: Wie fließt die Energie eines elektrischen Stroms von Punkt zu Punkt, dh auf welchen Wegen und nach welchem ​​Gesetz wandert sie von dem Teil des Stromkreises, auf dem sie sich befindet ist erst als elektrisch und magnetisch für die teile erkennbar, in denen es in wärme oder andere formen umgewandelt wird?

$4\pi$

Anschließend zeigt er, wie Energie in einen Draht eindringt und diesen erwärmt:

Es scheint dann, dass keine der Energie eines Stroms entlang des Drahtes fließt, sondern dass sie von dem den Draht umgebenden nichtleitenden Medium eingeht, und dass die Menge, die aufeinanderfolgende Schichten kreuzt, sobald sie eintritt, in Wärme umgewandelt wird Der Draht nimmt ab, bis zum Erreichen des Zentrums, wo keine magnetische Kraft und daher keine Energie mehr fließt, alles in Wärme umgewandelt wurde. Man kann dann sagen, dass ein Leitungsstrom aus diesem einwärts gerichteten Energiefluss mit seinen begleitenden magnetischen und elektromotorischen Kräften und der Umwandlung der Energie in Wärme innerhalb des Leiters besteht.

Richard Feynman spricht darüber auch in seinen Vorlesungen über Physik . Nach einer Erklärung dieses Phänomens leitet Feynman ab, wie ein Ladekondensator seine Energie erhält, und sagt dann:

Aber es sagt uns etwas Besonderes: Wenn wir einen Kondensator aufladen, fließt die Energie nicht über die Drähte; es kommt durch die Ränder der Lücke herein.

Feynman erklärt dann wie Poynting, wie Energie in einen Draht gelangt:

Als weiteres Beispiel fragen wir, was in einem Stück Widerstandsdraht passiert, wenn dieser Strom führt. Da der Draht Widerstand hat, gibt es ein elektrisches Feld, das den Strom antreibt. Da entlang des Drahts ein Potentialabfall auftritt, gibt es auch ein elektrisches Feld direkt außerhalb des Drahts parallel zur Oberfläche. Zusätzlich gibt es ein Magnetfeld, das aufgrund des Stroms um den Draht herum verläuft. E und B stehen im rechten Winkel. daher gibt es einen Poynting-Vektor, der radial nach innen gerichtet ist, wie in der Figur gezeigt. Überall fließt Energie in den Draht. Dies entspricht natürlich dem Energieverlust im Draht in Form von Wärme. Unsere "verrückte" Theorie besagt also, dass die Elektronen ihre Energie bekommen, um Wärme zu erzeugen, weil von außen Energie in den Draht fließt. Die Intuition scheint uns zu sagen, dass die Elektronen ihre Energie erhalten, indem sie entlang des Drahts geschoben werden, sodass die Energie entlang des Drahts nach unten (oder nach oben) fließen sollte. Die Theorie besagt jedoch, dass die Elektronen tatsächlich von einem elektrischen Feld angetrieben werden, das von einigen weit entfernten Ladungen stammt, und dass die Elektronen ihre Energie zur Erzeugung von Wärme aus diesen Feldern beziehen. Die Energie fließt irgendwie von den entfernten Ladungen in einen weiten Raum und dann nach innen zum Draht. und dass die Elektronen ihre Energie zur Wärmeerzeugung aus diesen Feldern beziehen. Die Energie fließt irgendwie von den entfernten Ladungen in einen weiten Raum und dann nach innen zum Draht. und dass die Elektronen ihre Energie zur Wärmeerzeugung aus diesen Feldern beziehen. Die Energie fließt irgendwie von den entfernten Ladungen in einen weiten Raum und dann nach innen zum Draht.

Was Sie wissen müssen, ist P = IV. I ist das Hin- und Herbewegen der Elektronen. Während der Zeit, in der sich die Elektronen zurückbewegen, ist V immer negativ, sodass das Vorzeichen von P = (-) * (-) positiv ist. So wird positive Arbeit (zum Beispiel das Erhitzen des Wolframfadens einer Glühbirne) sowohl während des Vorwärts- als auch des Rückwärtsflusses des Stroms verrichtet.

Ignoriere die Elektronen. Das Erlernen von Elektrizität durch Elektronen führt Sie die meiste Zeit in die Irre. Zum einen gehen sie in die falsche Richtung. Zweitens fahren sie mit der falschen Geschwindigkeit. Die Driftgeschwindigkeit ist viel langsamer als die Geschwindigkeit eines elektrischen Signals.

Die Elektrizitätsübertragung in einem Metall ähnelt viel eher einer "Newton's Cradle" : Ein Elektron strömt an einem Ende, die Kraft wird durch Abstoßung elektrischer Felder übertragen und ein Elektron tritt am anderen Ende aus.

(Situationen, in denen Sie sich um Elektronen kümmern müssen: Halbleiterübergänge, Kathodenstrahlröhren, Gasentladungsvorrichtungen, thermionische Ventile.)

Ich wollte nur ausdrücklich sagen, dass Elektrizität nur Energie ist, die zum Bewegen von Elektronen verwendet wird. Elektronen werden niemals hergestellt oder gehen verloren oder werden geladen oder verbraucht. Alle Arbeiten mit Elektrizität werden mit der Bewegung von Elektronen ausgeführt.

Um die klischeehafte Analogie der Wassermechanik zu verwenden, stellen Sie sich einen Wasserkanal mit einer darin befindlichen Turbine vor. Wenn das Wasser nicht fließt, dreht sich die Turbine nicht und es werden keine Arbeiten durchgeführt. Wenn das Wasser kontinuierlich fließt (wie im Gleichstrom), dreht sich auch die Turbine kontinuierlich und es wird gearbeitet. Wenn das Wasser hin und her fließt (Wechselstrom), dreht sich die Turbine ebenfalls hin und her und es wird gearbeitet. Der Zustand, die Qualität oder die Menge des Wassers ändert sich zu keinem Zeitpunkt, außer in Bezug auf den Durchfluss.

Eine alternierende Turbine ist genauso nützlich wie eine sich kontinuierlich drehende Turbine, muss jedoch anders angewendet werden. Ebenso wie bei Elektrizität kann die Drehung einer an einer kontinuierlich rotierenden Turbine angebrachten Achse in eine Pendelachse umgewandelt werden und umgekehrt, wenn die richtigen Mechanismen angewendet werden.

Sie machen sich im Allgemeinen keine Sorgen um die Elektronen für Schaltkreise. in winzigen Geräten wie auf einem IC, möglicherweise.

Kommt darauf an, wie tief man in die Theorie eintauchen will, aber im Allgemeinen denkt man an Elektronen, die wie Wasser in einem Schlauch fließen, sobald das Wasser in Bewegung ist.

Der Transformator besteht nur aus 2 Drahtwicklungen, die nahe beieinander liegen. Er funktioniert nur aufgrund von Wechselstrom. Die Kupferdrähte reagieren auf die Änderung des Stroms. Wenn es Gleichstrom wäre, würde er dort sitzen und es würde kein Strom durchkommen. Wann ändert sich der Strom? In diesem Fall wird die Leistung innerhalb des Transformators von einer Spule zur anderen übertragen.

Wenn Sie also Gleichstrom in eine Drahtspule stecken, wird dies zu einem Magneten. Wenn Sie diesen Magneten bewegen und eine andere Spule in der Nähe ist? es wird Strom aufnehmen. Es ist definitiv keine freie Energie. Die Lichtmaschine eines Autos funktioniert wie folgt: Der mittlere Teil wird zum Magneten (der Teil, der sich dreht) und die Spulen werden gewickelt und in die Nähe des sich drehenden Ankers gebracht und nehmen Strom auf, normalerweise 3 Spulen. Eine (gefährliche) Möglichkeit, um zu testen, ob eine Lichtmaschine in Betrieb ist, besteht darin, den Zündschlüssel für den Betrieb einzuschalten, die Lichtmaschine nicht zu starten und einen Magnetschraubendreher in die Mitte der Lichtmaschinenscheibe zu stecken, wenn die Lichtmaschine eingeschaltet ist. Der Schraubendreher wird fest in die Riemenscheibe hineingezogen. Wenn nicht? Das liegt normalerweise daran, dass die Bürsten abgenutzt sind oder die Lichtmaschine nicht funktioniert.

Ich denke, die Erklärungen für die Funktionsweise der Lichtmaschine helfen bei der Visualisierung von Wechselstrom

Die angelegte Kraft (Spannung) in einem Stromkreis verursacht ein elektrisches Feld, das bewirkt, dass sich Elektronen (geladene Atompartikel) in eine bestimmte Richtung bewegen (sehr schnell, aber eine sehr kurze Strecke). Diese Elektronen beeinflussen andere in der Nähe befindliche Elektronen, indem sie sie anstoßen (Elektronen stoßen sich magnetisch ab, so dass die aufgebrachte Kraft extrem schnell durch die Leiteratome übertragen wird). Diese anderen Elektronen widerstehen dieser Beule & Wärme ein wenig, aber der größte Teil der Energie wird durch einen Stromkreis als Energiewelle kaskadiert, die irgendwann zu einem Gerät gelangt, um dort etwas zu arbeiten (z. B. eine Glühbirne anzünden, um ein sehr widerstandsfähiges Material zu erzeugen) Aufheizen oder Wicklungen in einem Motor, um zu bewirken, dass eine Magnetkraft einen Motorrotor usw. dreht. Die Elektronen, die die Atome in einem Leiter umgeben, dienen nur als Medium für den Energiefluss - ähnlich wie Wasser in einem Teich, das auf einen fallenden Kiesel reagiert. Sie brauchen kein Wasser mehr, damit die Energiewelle durch den Teich fließt - aber sobald die Energie verbraucht ist (oder der elektrische Strom aufhört), ist die Show vorbei - das ist die Natur der elektrischen Energieübertragung.

Es ist die Bewegung der Elektronen, die Energie von einer Form zur anderen überträgt. Die Elektronen verbrauchen sich nicht, sie bewegen sich nur und übertragen dabei Energie von einem Punkt zum anderen.