Woher weiß der Strom, wie viel er fließen muss, bevor er den Widerstand gesehen hat?

Mit den folgenden Schaltungen als Beispiele:

und

Wie wird der Strom Iwissen, wie viel er fließen soll? Würde sich eine andere Welle zuerst im Stromkreis ausbreiten und dann zurückkommen und sagen, dass so viel Strom fließen sollte?

Sie sind sich nicht sicher, ob Sie dies wünschen, aber ja, wenn die Batterie angeschlossen ist, wandert eine elektrische Feldwelle von der Batterie über die Drähte zur Last. Ein Teil der elektrischen Energie wird von der Last absorbiert (abhängig vom Ohmschen Gesetz) und der Rest wird von der Last reflektiert und wandert zurück zur Batterie, ein Teil wird von der Batterie absorbiert (Ohmsches Gesetz wieder) und ein Teil wird von der Batterie reflektiert. usw. Schließlich erreicht die Kombination aller Bounces den stabilen stationären Wert, den Sie erwarten würden.

Wir denken normalerweise nicht so, weil es in den meisten Schaltkreisen zu schnell passiert, um gemessen zu werden. Für lange Übertragungsleitungen ist es jedoch messbar und wichtig. Nein, der Strom "weiß" nicht, was die Last ist, bis die Welle sie erreicht. Bis zu diesem Zeitpunkt kennt es nur die charakteristische Impedanz oder "Stoßimpedanz" der Drähte selbst. Es ist noch nicht bekannt, ob das andere Ende ein Kurzschluss oder ein offener Stromkreis oder eine dazwischen liegende Impedanz ist. Nur wenn die reflektierte Welle zurückkehrt, kann sie "wissen", was sich am anderen Ende befindet.

Siehe Schalt Reflection Beispiel und Übertragungsleitungseffekte in Hochgeschwindigkeits - Logik - Systeme für Beispiele von Gitterdiagramme und eine grafische Darstellung, wie die Spannungsänderungen in Schritten über die Zeit.

Und falls Sie es nicht verstehen, ist der Strom in Ihrem ersten Stromkreis an jedem Punkt des Stromkreises gleich. Ein Kreislauf ist wie eine Rohrleitung, die mit Wasser gefüllt ist. Wenn Sie das Wasser mit einer Pumpe an einer Stelle fließen lassen, muss das Wasser an jeder anderen Stelle des Kreislaufs mit der gleichen Geschwindigkeit fließen.

Die elektrischen Feldwellen, von denen ich spreche, sind analog zu Druck- / Schallwellen, die sich durch das Wasser in der Leitung bewegen. Wenn Sie Wasser an einer Stelle in der Leitung bewegen, ändert sich das Wasser am anderen Ende der Leitungen nicht sofort. Die Störung muss sich mit Schallgeschwindigkeit durch das Wasser ausbreiten, bis sie das andere Ende erreicht.

Da die Theorie behandelt wurde, gehe ich mit einer groben Analogie vor (Ich hoffe, ich verstehe, was Sie richtig fragen, es ist nicht so klar)

Wie auch immer, wenn Sie sich eine Pumpe (die Batterie), einige mit Wasser gefüllte Rohre (die Drähte) und einen Abschnitt vorstellen, in dem sich das Rohr verengt (der Widerstand), ist
das Wasser immer da, aber wenn Sie die Pumpe starten, erzeugt es Druck (Spannung) ) und lässt das Wasser um den Kreislauf fließen (Strom). Die Verengung des Rohrs (Widerstands) begrenzt den Fluss (Strom) auf einen bestimmten Betrag und verursacht einen Druckabfall (Spannung über dem Widerstand, in diesem Fall gleich der Batterie).

Mit der zweiten Schaltung (zwei Widerstände parallel) ist klar, dass die gleiche Strommenge, die in die obere Verbindung fließt, aus der unteren Verbindung herausfließen muss (siehe Kirchoff). Wenn die Widerstände gleich sind, teilen sie sich den Strom gleichermaßen. Dies kann sein, dass sich ein großes Rohr (Draht) in zwei engere Rohre (Widerstände) aufteilt und dann wieder zu einem großen Rohr verschmilzt. Wenn sie ungleich sind, nimmt einer mehr Strom auf als der andere, aber der Gesamtausgang summiert sich immer zum Gesamteingang.

Die gleiche Frage könnte man bei der Wasseranalogie stellen: Woher "weiß" das Wasser, wie viel es fließt? Weil es durch die Rohrbreite und den Pumpendruck begrenzt ist.

BEARBEITEN - Die gestellte Frage scheint etwas anders zu sein als ursprünglich angenommen. Das Problem ist, dass es auf verschiedenen Abstraktionsebenen einige unterschiedliche Antworten gibt (wie Sie sehen können), z. B. vom Ohmschen Gesetz über Maxwell bis zur Quantenphysik. Auf der Ebene der einzelnen Elektronen könnte es sein, dass Sie aufgrund der von Majenko erwähnten Teilchenwellen-Dualität und des Doppelpfades (siehe Doppelspaltexperiment mit Photonen) ein Problem haben.
Beachten Sie, dass der Grund, warum ich oben sagte, dass "das Wasser immer da ist", darin besteht, dass die Elektronen selbst nicht mit ~ 2/3 der Lichtgeschwindigkeit um einen Kreis herum fließen, sondern dass die Energie von einem zum nächsten weitergegeben wird (Art von). und so weiter. Ein bisschen wie zufällig und ineinander springende Bälle mit einer durchschnittlichen Tendenz, in Richtung des angelegten Potentials zu springen. Eine einfachere Art, sich das vorzustellen, ist wie eine Reihe von Snooker-Bällen - wenn Sie den weißen Ball in ein Ende schlagen, wird die Energie durch alle Bälle "übertragen" (sie ändern jedoch nicht ihre Position) und dann den Ball auf das andere Ende wird abbrechen.
Ich habe das Gefühl, die Quantenerklärung könnte ungefähr so ​​lauten: Wir können nur die Wahrscheinlichkeit vorhersagen dass ein einzelnes Elektron einen Weg "wählt" (oder sich in einem bestimmten Bereich befindet), der Prozess aber nicht direkt beobachtbar ist (dh theoretische Physik)

So oder so halte ich dies für eine ausgezeichnete Frage und brauche eine gute Antwort (werde versuchen, diese zu verbessern, wenn es die Zeit erlaubt), obwohl auf der untersten Ebene möglicherweise besser auf dem Physik-Stapel behandelt werden kann.

Die Strömung weiß es zunächst nicht so recht. Angenommen, ein großer Cartoony-Schalter in der Leitung ist im geöffneten Zustand eine große Impedanz. Auf beiden Seiten baut sich eine (kapazitive) Ladung auf. Insbesondere drängen Elektronen den negativen Anschluss und dem positiven Anschluss fehlt die gleiche Anzahl von Elektronen von normal (Bildladung). Der Stromfluss ist vernachlässigbar (fA *), sodass am Widerstand kein Potenzialabfall auftritt. Elektronen haben keine Nettobewegung oder keinen Nettofluss, da die elektrostatische Abstoßung mit ihren Nachbarn, einschließlich des großen Bündels am Schalter, gleich der Kraft aus der externen Vorspannung des elektrischen Feldes ist.

Wenn der Schalter zum ersten Mal geschlossen wird, werden die zusätzlichen Elektronen in der Nähe des Schalters an den anderen Kontakt weitergeleitet und füllen die Bildladung aus. Jetzt, da es nicht mehr ^_viele Tyrann-Elektronen gibt, die sich weigern, sich zu bewegen und zurückzudrängen, wird der Rest ballistisch ^{_{(hah! Aber eigentlich nicht )}} und beginnt, durch die Rennstrecke zu ^_rasen .

Diejenigen in und in der Nähe des Widerstands treffen auf ... Widerstand (komm schon, ich musste) . Es gibt nicht annähernd so viele freie Elektronen oder Stellen, so dass sich, ähnlich wie bei der sehr großen Impedanz, die der Schalter zuvor gezeigt hat, an beiden Enden eine Ladung aufbaut, während die ungeduldigen Kerle um einen Platz in der Reihe drängen. Es baut sich weiter auf, bis das Gleichgewicht erreicht ist: Das elektrostatische Feld des Elektronenbündels, das darauf wartet, durch den Widerstand zu gelangen, entspricht der externen elektrischen Feldvorspannung.

Zu diesem Zeitpunkt weiß der Strom , wie viel er fließen soll, und ändert sich nicht [bis Sie feststellen, dass Sie einen 1,3-Ohm-Widerstand anstelle des 1,3-kOhm-Widerstands einsetzen und dieser wieder brät und die Stromkreise öffnet].

Wenn die Quelle zuerst vollständig aus dem System entfernt würde, gäbe es keine kapazitive Anfangsladung. Eine augenblickliche Verbindung mit der Quelle (DPST-Schalter) würde dazu führen, dass sich ein elektrisches Feld entlang des Kabels in der Nähe von c ausbreitet , Elektronen beschleunigt und mitzieht und an den Widerständen die gleiche Menge wie im Fußballstadion zurückbleibt. Bei Parallelwiderständen können die Türen des Stadions jedoch unterschiedlich breit sein, so dass sich die Gleichgewichtsströme unterscheiden.

Woher "weiß" die Strömung in einem Flussdelta, welchen Abzweig sie nehmen soll? "Strom" bedeutet in jedem Fall den aggregierten Fluss von Wassermolekülen oder Elektronen. Ersetzen Sie daher zunächst die Frage durch "Woher weiß jedes Elektron (oder Molekül), in welche Richtung es gehen soll?". Das tut es nicht. es wird nur in der unmittelbar lokalen Strömung mitgerissen und tritt auf der Mikro- oder Atomebene an die Stelle des Abreisenden unmittelbar davor. Also, was passiert genau am Punkt der Abweichung? Für unsere Makroaugen ist die Richtung zufällig, verteilt als Verhältnis (e) der Zweigströme. Auf der niedrigsten Stufe wird es durch eine winzige Störung auf die eine oder andere Weise angestupst.

(Sehr grobe Beschreibung / Analogien, ich weiß - vergib die impliziten Ungenauigkeiten.)

"Wissen", wie viel fließt, impliziert Wissen, was Intelligenz impliziert.

Strom ist nicht intelligent und fließt nicht per se. Strom wird von der Last gezogen oder "gezogen" - in diesem Fall die Widerstände.

Die Strommenge, die die Last zieht, wird durch das Ohmsche Gesetz bestimmt:

$I=\dfrac{V}{R}$

In der ersten Schaltung ist das einfach genug zu berechnen.

Die zweite Schaltung ist etwas komplexer. Die Berechnung von ist einfach genug, solange Sie den Gesamtwiderstand berechnen können:$I_S$

$\dfrac{1}{R_T} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}$

oder

$R_T = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Die dann durch jeden Widerstand fließende Strommenge wird dann durch das Verhältnis der beiden Widerstände bestimmt. Wenn die Widerstände gleich sind, fließt jeweils genau die Hälfte des Stroms. Wenn zweimal , fließt ein Drittel des Stroms durch und zwei Drittel durch (beachten Sie, dass das Stromverhältnis das Gegenteil des Widerstandsverhältnisses ist).R 2 R 1 R $R_1$$R_2$$R_1$$R_2$

Tatsächlich weiß der Strom nicht, wie viel bei t = 0 fließen soll.

Jeder Widerstand hat eine gewisse Kapazität, da er aus leitenden Seiten besteht, die durch einen Isolator getrennt sind (auch wenn sie nicht perfekt sind). Aufgrund dieser Kapazität fließt bei t = 0 so viel Strom, wie die Stromversorgung liefern kann. Dann verlangsamt es sich nach einer Weile auf seinen normalen Wert. Jeder praktische Widerstand kann als Widerstand und Kondensator parallel modelliert werden. Ihre erste Schaltung ist also eine parallele RC-Schaltung.

Vergessen Sie auch nicht, dass das E-Feld (elektrisches Feld) das B-Feld (magnetisches Feld) erzeugt und umgekehrt. Wenn Sie eine Spannung an den Widerstand anlegen, erzeugen Sie ein elektrisches Feld im Widerstand. Dies führt zu einer Änderung des Zustands des elektrischen Feldes (Sie erhöhen das elektrische Feld von Null auf einen Wert ungleich Null). Die Änderung des elektrischen Feldes erzeugt ein Magnetfeld und schließlich einen Stromfluss.

Weitere Informationen finden Sie in den Maxwell-Gleichungen .

Wie aktuell weiß? Aufgrund der statistischen Mechanik (mit Beteiligung von Boltzman und später von Fermi-Dirac und später von Maxwell) ist bekannt, wann Fermionen (Elektronen) bei einer bestimmten Temperatur dazu neigen, das Volumen des Leiters (Metall) einzunehmen, wenn Elektronen wie Partikel des idealen Gases frei fliegen und abprallen gegen Atome. Die Geschwindigkeit (Energie) der einzelnen Partikel beträgt ungefähr 1 km / s (weniger als die Lichtgeschwindigkeit), die Driftgeschwindigkeit beträgt einige Millimeter pro Sekunde (siehe Wiki "Driftgeschwindigkeit"). Die durchschnittliche freie Flugstrecke der Elektronen definiert die "Leitfähigkeit". Für den Beobachter des Elektronenflusses scheint das Verhalten der Elektronen eine Tendenz der Teilchen zur Aufrechterhaltung der "Elektroneutralität" zu sein, wenn jeder lokale Teil des Leiters ungefähr die gleiche Menge an Elektronen und Protonen enthält. Elektronen werden aufgeladen, so dass sie sich gegenseitig abstoßen. Die Einbeziehung von Kraft, Geschwindigkeit und Masse über die Zeit bedeutet, dass während der Beschleunigung und Verzögerung von Elektronen virtuelle Photonen emittiert und absorbiert werden. Diese Photonen breiten sich viel schneller aus als Teilchen und erzeugen "Druck". Insgesamt liegt die Geschwindigkeit der Druckwand je nach Material nahe an der Lichtgeschwindigkeit. Es kann "Welle" genannt werden. Der Rest der Geschichte wird oben von Endolith besser erklärt.

Die Zahlen für Kupfer bei Raumtemperatur finden Sie in diesem Artikel .

TLDR: Ideales Elektronengas mit statistischer Mechanik-> Boltzman-> Fermi-Dirac-> Maxwell-> Ohm

Niemand erwähnte die Tatsache, dass alle Schemata das sogenannte konzentrierte Elementmodell übernehmen .

In einem Schaltplan ist ein Draht kein Draht im üblichen Sinne, sondern eine vereinfachende Beziehung zwischen Knoten. Wenn Sie Schritt für Schritt beschreiben möchten, was mit dem Strom entlang eines Drahtes geschieht (oder was er "spürt"), müssten Sie eine unendliche Reihe passiver Elemente zeichnen.

Die beste Analogie, die mir geholfen hat, es wirklich schnell und einfach zu verstehen. Ich habe mich irgendwo im Internet getroffen, kann aber im Moment nicht auf die Quelle verweisen. Wenn jemand weiß, wo es ist, lass es mich wissen, damit dies eingeschlossen werden kann. Die Analogie ist sehr kurz und dies wird eine sehr kurze Antwort sein. Keine Formeln. Es ist also eine Art nichtwissenschaftliche, aber elegante Analogie und für den Menschen wirklich einfach vorzustellen und zu verstehen.

Die meisten Menschen stellen sich einfache Schaltkreise wie die in Beispielen vor, wie eine leere Röhre oder ein Rohr, das mit Wasser gefüllt ist. Dies liegt zum Teil an der starken Wasserflussanalogie.

In Wirklichkeit ist es viel mehr wie eine Röhre, die mit festen Kugeln gefüllt ist, wie eine Bowlingröhre. Diese Röhre ist von Ende zu Ende mit Kugeln gefüllt und es gibt keine Lücken zwischen ihnen. Wenn Sie den Ball in ein Ende schieben, bewegen sich alle Bälle um die gleiche Strecke .

Diese Bewegung ist der Elektronenstrom und die Kraft, die zum Bewegen der Kugeln benötigt wird, ist die angelegte Spannung.

Eine andere Quelle der Verwirrung ist der Satz "Weg des geringsten Widerstands". Jemand kann sich eine Person an der Kreuzung vorstellen, die einen von drei möglichen Wegen wählt. Wenn eine Person einen Weg eingeschlagen hat, ist die ganze Person diesen Weg gegangen, und genau so fließt der Strom NICHT . Stattdessen "spaltet" sich der Strom und fließt in alle möglichen Richtungen, jedoch proportional zum Widerstand auf diese Weise. Manchmal ist der Widerstand so hoch, dass die Stromstärke so gering ist, dass es vorteilhaft ist, ihn zur Vereinfachung zu vernachlässigen.

$V_S$$\frac{V_S}{R}$

$I_1 = \dfrac{V_S}{R_1}$

$I_2 = \dfrac{V_S}{R_2}$

$I_S$

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S$$R_1$$R_2$

$R_1 || R_2 || ... R_n = \dfrac{1}{(\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + ... \dfrac{1}{R_n})}$

$R_1 || R_2 = \dfrac{1}{\dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{R_1 \times R_2}{R_1 + R_2}$

Wenn Sie das Ohmsche Gesetz wieder verwenden, können Sie ganz einfach Folgendes berechnen:

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1 || R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2}$

$I_S$

$I_S = I_1 + I_2$

$I_S = \dfrac{V_S}{R_1} + \dfrac{V_S}{R_2} = V_S \times \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} = V_S \times \dfrac{R_1 + R_2}{R_1 \times R_2} = V_S \times (R_1 || R_2)$

Tatsächlich haben Wellen viel damit zu tun, bis ein stabiler Zustand erreicht ist. Anfänglich ist sogar die einfachste Schaltung, die aus einer Batterie, einem Schalter, einem Draht und einem Widerstand besteht, eine Übertragungsleitung, die von elektromagnetischen Wellen umgeben ist und zum Verständnis eine transiente Analyse erfordert. Diese transiente Analyse beantwortet die erste Frage in diesem Blog, wenn ich die Frage verstehe ... Auch die Batterie ist komplex und erfordert zunächst, bis ein stabiler Zustand erreicht ist, eine Analyse, die von maxwells-Gleichungen und mehr bestimmt wird. In der Vergangenheit wurde DC101 zunächst mit der Analogie von Wasser in Rohren usw. unterrichtet. Analogien wurden auch für Induktivität und Kapazität gezogen. Es ist eine großartige Möglichkeit, jemandem zu helfen, DC zu verstehen, wenn Sie fünf Minuten Zeit haben, um es ihm beizubringen, und das Ohmsche Gesetz ist so weit, wie Sie es von Ihrem Schüler erwarten.

Es ist wie eine Autobahn voller Autos, auf der die Autobahn der Leiter und die Autos die Elektronen sind. Wenn Straßenarbeiten vor uns liegen, die die Autobahn von drei auf eine Fahrspur begrenzen, werden alle Fahrspuren langsamer, und die 20 Meilen dahinter liegenden Autos können auf dem dreispurigen Abschnitt auch nicht schneller fahren, weil die vorausfahrenden Autos sie nicht zulassen.