Was passiert eigentlich mit den Elektronen im Draht, wenn ein einfacher Kupferdraht an AC oder DC angeschlossen wird?
Dh welchen Weg gehen sie, wenn sie das Ende des Drahtes erreichen? Wenn jemand einen Videodemonstrationslink bereitstellen kann, wäre dies großartig.
Antworten:
Atome enthalten mehrere Schichten oder Schalen von Elektronen. Das Wasserstoffatom hat ein Elektron in der ersten Schicht, das Heliumatom hat zwei in der ersten Schicht, das nächste Atom (Lithium) hat zwei in der ersten Schicht, dann eines in der zweiten Schicht usw. Jede Schicht kann typischerweise nur eine bestimmte Schicht enthalten Anzahl der Elektronen.
Die besten Leiter haben ein Atom in ihrer äußersten Schicht und geben es gerne auf. Betrachten Sie das Kupferatom . Es hat die folgende Elektronenzahl in jeder Schicht: 2, 8, 18, 1. Es gibt dieses eine Elektron unter einem schwach geladenen Feld auf, und es wird dann positiv geladen und "zieht" ein Elektron von einem benachbarten Kupferatom. Wenn Sie Silber und Gold betrachten, sind sie auf ähnliche Weise angeordnet: 2, 8, 18, 18, 1 für Silber und 2, 8, 18, 32, 18, 1 für Gold.
Sie können jedes Atom eines Elektrons abstreifen, aber die besten "Leiter" benötigen dazu nur ein schwaches Feld.
Wenn ich also ein Elektron mit einem schwachen elektrischen Feld vom Ende eines Kupferdrahtes abziehe, kann dieses Atom ein Elektron von seinem Nachbarn abziehen, und irgendwann verliert ein Kupferatom irgendwo im Draht sein Elektron, kann es aber nicht bekommen jemand anderes ist, weil er zu weit weg ist oder mit einem anderen Bereich interagiert. Wenn ich ein Elektron in das Ende des Drahtes drücke, hat das Kupferatom, das es erhält, zu viele, zeigt eine negative Ladung und schiebt sein zusätzliches Elektron im Wesentlichen auf ein anderes Kupferatom, bis es ein Atom findet, das es nicht bekommen kann loswerden oder ein Atom, dem bereits eines fehlt.
Sie können auch Elektronen auf Isolatoren schieben und von diesen abziehen - dies geschieht, wenn Sie statische Aufladungen aufbauen, z. B. mit Stoff und Kunststoff.
Leiter verteilen die Ladung jedoch intern neu. Wenn Sie also ein Ende eines Drahtes mit zusätzlichen Elektronen aufladen, können Sie das andere Ende des Drahtes als ähnlich geladen betrachten.
Eine Batterie, die häufig eine chemische Reaktion verwendet, baut an einem Ende eine positive und am anderen eine negative Ladung auf. Wenn Sie einen Leiter zwischen den beiden Enden anschließen, werden Sie Elektronen durch den Leiter zwingen, wenn sie von der negativ geladenen Seite (zu viele Elektronen) zur positiv geladenen Seite (zu wenige Elektronen) wandern.
Die Elektronen bewegen sich nur für Gleichstrom in eine Richtung und für Wechselstrom in eine Richtung und dann in die andere. Aufgrund des sich ändernden Magnetfelds (dh der Draht wird zu einem Induktor) wandern hochfrequente Wechselstromsignale typischerweise in der Nähe der Oberfläche des Drahtes. Sie können "Hauteffekt" nachschlagen, um dies besser zu verstehen. Die Elektronen bewegen sich zwischen den Atomen des Leiters.
Jedes Mal, wenn Sie 6,28 x 10 ^ 18 Elektronen durch den Draht schieben, haben Sie einen Ampere Strom bewegt. Das sind 6,28 Milliarden Milliarden Elektronen. Es gibt jedoch ungefähr 4,38 x 10 ^ 22 Kupferatome in einem Meter Draht mit 20 Gauge. Wenn Sie also einen vollen Verstärker durch ihn schieben und eine gleichmäßige Verteilung annehmen, werden Sie keine der Elektronen herausholen, die Sie hineingeschoben haben - Sie würden haben Elektronen herausgeschoben, die bereits im Draht waren. Elektronen bewegen sich langsam, individuell, aber die Ladung verteilt sich schnell - sobald Sie ein Elektron einschieben, fällt es Ihnen leichter, eines vom anderen Ende fast mit Lichtgeschwindigkeit am anderen Ende abzuziehen. Es ist nicht dasselbe Elektron, aber die Wirkung und Ladung sind gleich.
Ein guter Leiter verteilt die Ladung sehr, sehr schnell und wandelt einen Großteil der Bewegung nicht in Wärme um. Wenn Sie den gleichen Strom durch den gleichen Golddraht und den gleichen Kupferdraht drücken, erwärmt sich der Golddraht stärker, da es für diese Goldatome schwieriger ist, Elektronen aufzugeben und aufzunehmen.
Dh welchen Weg gehen sie, wenn sie das Ende des Drahtes erreichen?
Sie tun es nicht. Wenn es einen offenen Stromkreis gibt, gibt es keinen Strom.
Strom ist eigentlich nur Elektronenfluss: 1A Strom in eine Richtung = 6,24 x 10 18 Elektronen fließen in die andere Richtung. (Vielen Dank an Benjamin Franklin dafür: Er ist derjenige, der die Zeichenkonvention für aktuell festgelegt hat, basierend auf der Bewegung dessen, was er für eine positive Ladung hielt.)
Strom in einem Leiter wird gewissermaßen durch elektrische Felder verursacht. In einem Leiter ist die Stromdichte J = σE, wobei J in Ampere / m 2 ist , σ die Leitfähigkeit des Materials ist und E das elektrische Feld ist.
Wenn Sie einen Draht in einem Stromkreis mit Komponenten (z. B. Widerständen usw.) an eine Spannungsquelle angeschlossen haben, legt diese Spannung elektrische Felder entlang des Stromkreises an, wodurch Strom fließt. Wenn die Elektronen das Ende des Drahtes erreichen, der mit einer anderen Komponente verbunden ist, bewegen sie sich in diese Komponente und fahren in einer Schleife um den Stromkreis fort.
Die einfachste Analogie ist hier wahrscheinlich der Wasserfluss. Strom ist analog zum Wasserfluss, Spannung ist analog zum Druck, Batterien sind analog zu Pumpen, Drähte sind analog zu Schläuchen oder Rohren. (Im Gegensatz zur Wasseranalogie stoppt der Strom, wenn Sie einen Stromkreis unterbrechen, da die Leitfähigkeit der Elektronen in der Luft sehr gering ist. Wenn Sie einen Schlauch abschneiden, tritt Wasser aus.)
Ein Metallleiter ist ein Meer freier Elektronen, die durch die positive Ladung der Atomkerne, aus denen das Metall besteht, in einer Potentialwanne gehalten werden. So funktioniert es: Einige Elektronen sind fest an den Atomkern gebunden, andere können frei wandern. Die fest gebundenen bewegen sich nicht, aber die freien können gehen, wohin sie wollen ... irgendwie. Hitze (Brownsche Bewegung) lässt all diese Partikel herumwirbeln und sie gehen schneller, wenn die Temperatur steigt. Da sich einige Elektronen frei bewegen können, neigt das Drängeln dazu, sie weiter vom Rest der Atome abzuprallen. Eine Elektronenwolke beginnt sich hinter der Oberfläche des Drahtes zu bilden und wird größer, wenn wir die Dinge erhitzen. Wenn sich die Elektronenwolke weiter nach außen bewegt, Die Atome, die an Ort und Stelle stecken (tatsächlich in einem Kristallgitter), entwickeln eine positive elektrische Ladung, die dazu neigt, die Elektronen zurückzuziehen. Es besteht also ein Gleichgewicht zwischen dem Drängeln aufgrund von Wärme, das dazu führt, dass sich die Elektronenwolke ausdehnt (so etwas wie die Moleküle in einem Gas, das sich beim Erhitzen ausdehnen möchte), und dem elektrischen Feld, das sich entwickelt, weil negative Elektronen einen Teil ihrer Zeit weiter verbringen vom Draht entfernt als die zurückgelassenen positiven Atome. Der Nettoeffekt ist, dass alle Elektronen in der Nähe des Drahtes bleiben müssen, sich aber mit steigender Temperatur weiter nach außen bewegen. Es gibt eine Reihe von Dingen, die aufgrund dieses „Elektronenmeeres“ passieren. Es besteht also ein Gleichgewicht zwischen dem Drängeln aufgrund von Wärme, das dazu führt, dass sich die Elektronenwolke ausdehnt (so etwas wie die Moleküle in einem Gas, das sich beim Erhitzen ausdehnen möchte), und dem elektrischen Feld, das sich entwickelt, weil negative Elektronen einen Teil ihrer Zeit weiter verbringen vom Draht entfernt als die zurückgelassenen positiven Atome. Der Nettoeffekt ist, dass alle Elektronen in der Nähe des Drahtes bleiben müssen, sich aber mit steigender Temperatur weiter nach außen bewegen. Es gibt eine Reihe von Dingen, die aufgrund dieses „Elektronenmeeres“ passieren. Es besteht also ein Gleichgewicht zwischen dem Drängeln aufgrund von Wärme, das dazu führt, dass sich die Elektronenwolke ausdehnt (so etwas wie die Moleküle in einem Gas, das sich beim Erhitzen ausdehnen möchte), und dem elektrischen Feld, das sich entwickelt, weil negative Elektronen einen Teil ihrer Zeit weiter verbringen vom Draht entfernt als die zurückgelassenen positiven Atome. Der Nettoeffekt ist, dass alle Elektronen in der Nähe des Drahtes bleiben müssen, sich aber mit steigender Temperatur weiter nach außen bewegen. Es gibt eine Reihe von Dingen, die aufgrund dieses „Elektronenmeeres“ passieren.
Erstens ist es ein Meer und wir können eine Analogie zum Ozean ziehen. Entlang der Ostküste der USA gibt es den sogenannten Golfstrom. Es ist eine Strömung im Meer. Es bewegt sich ein paar Meilen pro Stunde und trägt viel Wasser nach Norden. Im Ozean gibt es auch Wellen. Bei einem Erdbeben im Atlantik würde sich ein Tsunami mit einer Geschwindigkeit von 600 Meilen pro Stunde über den Ozean bewegen. Wir haben also die Erfahrung gemacht, dass sich Wellen in einem Meer sehr schnell bewegen können, während sich die Strömung viel langsamer bewegt. In einem Draht ist es ähnlich. Wenn Sie ein positives Potential an das Ende eines Drahtes anlegen, werden die Elektronen in der Wolke um den Draht dorthin gezogen. Tatsächlich konkurriert Ihre positive Ladung jetzt mit der positiven Ladung der Atome, und einige der Elektronen verschieben sich in Ihre Richtung. Einige können sich sogar physisch in Ihre positive Ladung hineinbewegen, die Sie angewendet haben. Aber meistens verschiebt sich die Elektronenwolke am Ende des Drahtes zu Ihnen. Sobald sie sich verschieben, sehen diejenigen, die etwas weiter innen sind, die Verschiebung, da sich jetzt weniger negative Elektronen auf der Seite zu Ihnen befinden. Also werden sie sich verschieben. Dieser Prozess breitet sich über den Draht aus, wobei sich jede Charge von Elektronen aufgrund der Änderung des Feldes aufgrund anderer Verschiebungen verschiebt. Wenn die 'Welle' das andere Ende des Drahtes erreicht, verschiebt sich die Wolke dort zum entgegengesetzten Ende und legt mehr von der positiven Ladung der Atome frei, so dass Sie am Ende ein positives Potential sehen. Aber es passiert nicht sofort. Das Feld im Kabel muss sich ändern und das braucht Zeit. Hier ist der wirklich interessante Teil: Elektrische Felder bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit außerhalb des Drahtes, aber sie bewegen sich SEHR LANGSAM innerhalb des Drahtes. Ich habe keine genauen Zahlen, aber außerhalb der Drahtfelder beschleunigen sie mit 3x10 ^ 8 Metern / Sek. Innerhalb des Kabels ist es nicht einmal ein Meter pro Sekunde. Wenn Sie Gleichstrom anlegen, dauert es sehr lange, bis ein einzelnes Elektron tatsächlich den Draht zum anderen Ende hinunter wandert. Wenn Sie jedoch einen positiven Impuls an den Draht anlegen, sehen Sie am anderen Ende einen positiven Impuls mit etwa der Lichtgeschwindigkeit (wenn Sie einen Isolator um den Draht legen, geht dieser tatsächlich etwas langsamer, aber das ist ein Detail für den Draht Moment). Wie kann das sein? Wenn sich die Felder im Draht sehr langsam bewegen, wie kommt der Puls so schnell zum anderen Ende? Dies geschieht aufgrund des Feldes UM den Draht. Ein Draht, insbesondere für Wechselstromsignale, wirkt bis zu einem gewissen Grad wie ein Inside-Out-Wellenleiter. Felder können nicht in den Draht gelangen, bleiben also in der Nähe der Oberfläche und drängen nur die Elektronen in der Nähe der Oberfläche. Für DC, Die Felder können schließlich den gesamten Draht durchdringen und alles in Bewegung bringen, aber bei Wechselstrom kehrt sich das Feld in regelmäßigen Abständen um. Sobald es ein wenig in den Draht eindringt, kehrt es sich um und muss von vorne beginnen. Der Nettoeffekt besteht darin, dass Ströme in Drähten in einem engen Bereich nahe der Oberfläche fließen: Dies wird als "Hauteffekt" bezeichnet. Ich glaube nicht, dass es von Dr. Skin entdeckt wurde (aber ich könnte mich irren), ich denke, es bezieht sich nur auf den Strom, der an der Oberfläche oder "Haut" des Drahtes haftet. Wenn Sie sich fragen, wie wichtig das ist: sehr, sehr, sehr viel. Tonnen. Tolle Tropfen. Ich habe professionell Kabelentzerrer für Videosignale gebaut. Durch den Hauteffekt konnte ich einige Jahre lang ein gutes Gehalt verdienen. Nehmen Sie ein 24-Gauge-Kabel (z. B. Cat 5) und legen Sie ein Signal an, dessen Frequenzen von sehr niedrig (z. B. 30 Hz) bis relativ hoch (z. B. 5 MHz) sind. Die niedrigen Frequenzen können viel weiter in das Kupfer eindringen und sehen tatsächlich ein viel größeres Kabel. Die hohen Frequenzen sehen nur eine dünne Röhre. Was ist der Unterschied? Widerstand! Signale fließen in einem dicken Draht viel leichter als in einem dünnen Rohr. So werden die hohen Frequenzen immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Für ein Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und die Farbe schließlich verschwindet. Nach einer Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen. So werden die hohen Frequenzen immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Für ein Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und die Farbe schließlich verschwindet. Nach einer Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen. So werden die hohen Frequenzen immer kleiner, wenn Sie das Kabel hinuntergehen. Für ein Videosignal bedeutet dies, dass Ihr Bild immer unschärfer wird und die Farbe schließlich verschwindet. Nach einer Meile Cat 5-Kabel sind die 5-MHz-Teile eines Videosignals etwa eine Million Mal kleiner als die niedrigen Frequenzen.
Eine andere Sache, die dieses "Elektronenmeer" erklärt: Kathodenstrahlen. In der guten alten Zeit wurden elektrische Signale durch Vakuumröhren verstärkt. Die Vakuumröhre selbst hatte ein Filament (durch das Strom gedrückt wurde, so dass es orange heiß glühte) und ein Gitter (ein bisschen wie ein Metallgitter) neben dem Filament. Weiter entfernt befand sich eine sogenannte Platte (die nur eine Metallplatte mit Anschlussklemme war). Wenn das Filament heiß war, dehnte sich das Elektronenmeer aus und viele Elektronen wanderten ziemlich weit von ihrem Heimkabel weg. Wenn Sie eine positive Ladung auf das Gitter aufbringen, kann dies dazu führen, dass einige dieser Elektronen vom Filament gereinigt werden. Wenn Sie gleichzeitig eine positive Ladung auf die Platte aufbringen, huschen sie über das Vakuum im Inneren des Gitters Rohr und landen auf der Platte und verursachen einen Strom. Das Netz konnte also den Strom durch die Röhre steuern, und das war der erste elektronische Verstärker. Es wurde aus den ersten Glühbirnen erfunden. Tatsächlich hätte Edison es fast erfunden, aber das Experiment nie beendet, also geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und das wurde der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, die durch diese Ansicht eines Drahtes / Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Elternatomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, wenn ich es gelernt habe. Viel Glück. Dave Aber das Experiment wurde nie beendet, daher geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und das wurde der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, die durch diese Ansicht eines Drahtes / Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Elternatomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, wenn ich es gelernt habe. Viel Glück. Dave Aber das Experiment wurde nie beendet, daher geht das Nicken an einen Gentleman namens DeForrest. (Ich denke ... vielleicht sollte ich Wikipedia überprüfen). Wenn diese Platte ein mit Leuchtstoffen beschichteter Bildschirm war, wurde sie zu einer CRT (Kathodenstrahlröhre) und das wurde der erste Fernseher. Es gibt also eine Menge, die durch diese Ansicht eines Drahtes / Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Elternatomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, wenn ich es gelernt habe. Viel Glück. Dave Ein Los, das durch diese Ansicht eines Drahtes / Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Elternatomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, wenn ich es gelernt habe. Viel Glück. Dave Ein Los, das durch diese Ansicht eines Drahtes / Leiters als ein Meer von Elektronen erklärt werden kann, die von ihren Elternatomen lose an Ort und Stelle gehalten werden. Ich bin mir nicht sicher, ob Sie danach gesucht haben, aber es hat mir immer geholfen, wenn ich es gelernt habe. Viel Glück. Dave
Wenn ein elektrischer Strom fließt, bewegen sich Elektronen mit einer sehr geringen Geschwindigkeit vom negativen zum positiven Pol, etwas in der Größenordnung von in einem Standarddraht in Richtung einer Glühbirne. Elektronen bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung zu dem, was wir den Strom nennen. Wenn sie das Ende des Drahtes erreichen, übertragen sie sich tatsächlich in das Material des Anschlusses, der Glühbirne oder was auch immer. Die Leichtigkeit der Elektronenmobilität nennen wir Leitfähigkeit.
In Wechselstromkreisen wackeln die Elektronen tatsächlich ein wenig, abhängig von der Frequenz des Wechselstroms, entsprechend der Polarität des Stroms.
Wenn Gleichstrom angelegt wird, verlassen freie Elektronen in Kupfer den Minuspol der Batterie und gelangen in den Pluspol der Batterie. Sie bewegen sich sehr langsam [Eine Referenz finden Sie in BL Theraja, Electrical Engieering]. Sie erreichen und beenden nicht nur ihre Reise. Die Strömung ist auf ihre Bewegung in eine bestimmte Richtung zurückzuführen, nicht darauf, dass sie ihr Ziel erreicht haben und jetzt sterben müssen.
Elektronen sterben nicht ab. Sie würden einfach ihren Weg vom Kupferdraht in die Batterie (die auch ein niederohmiger Leiter ist) fortsetzen.
AD-Strom ist ebenfalls. Die Elektronen bewegen sich einfach hin und her. Wie eine andere Antwort sagt, bewegen sie sich sehr langsam, also muss es wirklich ein kleines Wackeln sein. Aber nicht, dass sie sehr elastisch sind. Das heißt, wenn sich ein Elektron am Anfang des Konditors bewegt, bewegt es ein anderes Elektron am Ende des Leiters. Die Bewegung ist völlig unform. Das und es gibt immer Elektronen, die sich von Kupfer zu Teig und von Batterie zu Kupfer bewegen. Sowohl in AC als auch in DC.
Nur um die Analogie mit Wasser zu erweitern; Nehmen wir an, Sie haben ein langes Rohr mit einer Wasserquelle an einem Ende und einem Ventil am anderen: Das Rohr ist mit Wasser gefüllt und wenn Sie das Ventil öffnen, beginnt es "sofort" zu verschütten. Sie sagen nicht, dass das Wasser mit unendlicher Geschwindigkeit durch das Rohr floss, nur dass es sich darin befand und auf einen Weg wartete, um irgendwohin zu gelangen.
Das gleiche passiert mit Elektrizität: Die Elektronen befinden sich im Draht, und wenn Sie die Spannung anlegen, beginnen sie sich zu bewegen. Sie sehen den Effekt fast sofort, weil am Ende des Drahtes einige "Wartezeiten" aufgetreten sind, die von denjenigen in ihrer Nähe gedrückt wurden und so zur Quelle gingen. Selbst wenn Elektronen langsam sind , breiten sich die Signale aufgrund dieser Kettenreaktion viel schneller aus (2/3 c ist eine häufige Referenz).