Bedingungen für die Existenz von elektrischem Strom

Beantworten wir zunächst die Frage, was elektrischer Strom ist. Eine einfache Tischbatterie erzeugt selbst keinen Strom. Und eine Taschenlampe, die auf dem Tisch liegt, erzeugt nicht einfach so ohne Grund Strom durch ihre LEDs. Damit Strom entsteht, muss irgendwo etwas fließen, sich zumindest bewegen, und dafür muss der Stromkreis der LEDs der Taschenlampe und der Batterie geschlossen sein. Nicht umsonst wurde elektrischer Strom früher mit der Bewegung einer bestimmten geladenen Flüssigkeit verglichen.

Tatsächlich wissen wir das jetzt Elektrizität – Dies ist die gerichtete Bewegung geladener Teilchen, und dass ein geladenes Gas, ein Gas aus geladenen Teilchen, das sich unter der Wirkung eines elektrischen Feldes bewegt, eine nähere Analogie zur Realität wäre. Aber das Wichtigste zuerst.

Elektrischer Strom ist die gerichtete Bewegung geladener Teilchen

Elektrischer Strom ist also die Bewegung geladener Teilchen, aber selbst die chaotische Bewegung geladener Teilchen ist ebenfalls Bewegung, aber immer noch kein Strom.Ebenso erzeugen Flüssigkeitsmoleküle, die sich ständig in thermischer Bewegung befinden, keine Strömungen, da die Gesamtverschiebung des gesamten ruhenden Flüssigkeitsvolumens genau Null ist.

Damit ein Flüssigkeitsfluss stattfinden kann, muss eine Gesamtbewegung stattfinden, das heißt, die Gesamtbewegung der Flüssigkeitsmoleküle muss gerichtet sein. Somit kommt die chaotische Bewegung der Moleküle zur gerichteten Bewegung des gesamten Volumens hinzu und es kommt zu einer Strömung des gesamten Flüssigkeitsvolumens.

Ähnlich verhält es sich mit elektrischem Strom – die gerichtete Bewegung elektrisch geladener Teilchen ist ein elektrischer Strom. Die Geschwindigkeit der thermischen Bewegung geladener Teilchen, beispielsweise in Metall, wird in Hunderten von Metern pro Sekunde gemessen, aber bei gerichteter Bewegung, wenn ein bestimmter Strom im Leiter angelegt wird, wird die Geschwindigkeit der allgemeinen Bewegung von Teilchen in gemessen Teile und Einheiten von Millimetern pro Sekunde.

Wenn also in einem Metalldraht mit einem Querschnitt von 1 mm² ein Gleichstrom von 10 A fließt, beträgt die durchschnittliche Geschwindigkeit der geordneten Elektronenbewegung 0,6 bis 6 Millimeter pro Sekunde. Dies wird bereits ein elektrischer Schlag sein. Und diese langsame Bewegung der Elektronen reicht aus, damit sich ein Draht, beispielsweise aus Nichrom, gut aufheizt und gehorcht Das Joule-Lenz-Gesetz.

Die Teilchengeschwindigkeit ist nicht die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Feldes!

Beachten Sie, dass der Strom im Draht fast augenblicklich im gesamten Volumen beginnt, das heißt, diese „Bewegung“ breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Drahtes aus, aber die Bewegung der geladenen Teilchen selbst ist 100 Milliarden Mal langsamer. Sie können sich die Analogie eines Rohrs vorstellen, durch das eine Flüssigkeit fließt.

Sich entlang eines 10 Meter langen Rohrs bewegen, zum Beispiel Wasser.Die Geschwindigkeit des Wassers beträgt nur 1 Meter pro Sekunde, die Strömung breitet sich jedoch nicht mit der gleichen Geschwindigkeit aus, sondern viel schneller, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt hier von der Dichte der Flüssigkeit und ihrer Elastizität ab. Somit breitet sich das elektrische Feld mit Lichtgeschwindigkeit entlang des Drahtes aus und die Teilchen beginnen sich 11 Größenordnungen langsamer zu bewegen. Siehe auch: Geschwindigkeit des elektrischen Stroms

1. Geladene Teilchen sind für die Existenz von elektrischem Strom notwendig

Elektronen in Metallen und im Vakuum, Ionen in Elektrolytlösungen – dienen als Ladungsträger und sorgen für das Vorhandensein von Strom in verschiedenen Stoffen. In Metallen sind Elektronen sehr mobil, einige von ihnen können sich frei von Atom zu Atom bewegen, wie ein Gas, das den Raum zwischen den Knoten eines Kristallgitters ausfüllt.

In Elektronenröhren verlassen Elektronen bei thermionischer Strahlung die Kathode und strömen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes zur Anode. In Elektrolyten zerfallen Moleküle im Wasser in positiv und negativ geladene Teile und werden in Elektrolyten zu freien Ladungsträgerionen. Das heißt, überall dort, wo elektrischer Strom vorhanden sein kann, gibt es freie Ladungsträger, die sich bewegen können elektrisches Feld… Dies ist die erste Voraussetzung für die Existenz von elektrischem Strom – das Vorhandensein freier Ladungsträger.

2. Die zweite Voraussetzung für die Existenz eines elektrischen Stroms ist, dass auf die Ladung äußere Kräfte einwirken müssen

Wenn Sie sich nun einen Draht ansehen, sagen wir, es ist ein Kupferdraht, dann können Sie sich fragen: Was braucht es, damit darin ein elektrischer Strom entsteht? Es gibt geladene Teilchen, Elektronen, sie können sich frei bewegen.

Was wird sie bewegen? Es ist bekannt, dass ein elektrisch geladenes Teilchen mit einem elektrischen Feld wechselwirkt. Daher muss im Draht ein elektrisches Feld erzeugt werden, dann entsteht an jedem Punkt des Drahtes ein Potenzial, zwischen den Enden des Drahtes entsteht eine Potenzialdifferenz und die Elektronen bewegen sich in Richtung des Feldes – nach innen die Richtung von „-“ nach „+“, also in eine Richtung entgegengesetzt zum elektrischen Feldstärkevektor. Das elektrische Feld beschleunigt die Elektronen und erhöht ihre (kinetische und magnetische) Energie.

Wenn wir also ein elektrisches Feld betrachten, das einfach von außen an den Draht angelegt wird (wir haben den Draht entlang der Kraftlinien in ein elektrisches Feld gebracht), sammeln sich Elektronen an einem Ende des Drahtes an und dort entsteht eine negative Ladung Ende, und da die Elektronen vom anderen Ende des Drahtes bewegt werden, ist er positiv geladen.

Infolgedessen weist das elektrische Feld eines Leiters, der durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld aufgeladen wird, eine solche Richtung auf, dass das äußere elektrische Feld durch seine Wirkung geschwächt wird.

Der Prozess der Umverteilung der Ladungen wird fast augenblicklich fortgesetzt und nach Abschluss wird der Strom im Kabel aufhören. Das resultierende elektrische Feld im Inneren des Leiters wird Null und die Kraft an den Enden ist gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet zum von außen angelegten elektrischen Feld.

Wenn das elektrische Feld im Leiter durch eine Gleichstromquelle, beispielsweise eine Batterie, erzeugt wird, wird eine solche Quelle zu einer Quelle äußerer Kräfte für den Leiter, d. h. zu einer Quelle, die im Leiter eine konstante EMK erzeugt und die Potentialdifferenz aufrechterhalten.Damit der Strom durch eine externe Kraftquelle aufrechterhalten werden kann, muss der Stromkreis natürlich geschlossen sein.