Häufiges Missverständnis der Elektrodynamik?
Guten Tag,
Mich interessiert einfach nur mal ob ihr auch dieses Missverständnis der Elektrodynamik bezüglich der Stromübertragung hattet.
Es ist nämlich so, das viele Menschen glauben, der Strom werde durch die Elektronen im Leiter einer Schaltung übertragen. In Wirklichkeit erfolgt die Energieübertragung durch die elektrischen Felder, während die Elektronen im Leiter nur eine Driftbewegung ausführen. Das elektrische Feld erzeugt eine Kraft auf die Elektronen, die dann durch den Leiter strömen.
Elektrische Felder sind Felder welche bei einem Potentialunterschied (Spannung) zwischen dem Positiven und Negativen Pol durch eine Spannungsquelle in einer Schaltung auftreten. Ein Elektrischen Feld beeinflusst alle geladenen Teilchen und erstreckt sich über den gesamten Leiter. Das Feld beeinflusst ebenfalls umgebende elektrisch geladene Komponente und Leiter in der Schaltung. Das führt zur Übertragung von elektrischer Energie. Sprich drahtlose Energieübertragung durch das übertragen von elektrischen Energie über die Elektromagnetischen Felder.
Ein weiteres Missverständnis betrifft die Geschwindigkeit der Elektronen. Obwohl der elektrische Strom fast sofort zu fließen beginnt, bewegen sich die Elektronen selbst nur mit einer sehr geringen Driftgeschwindigkeit. Die elektrischen Felder sorgen jedoch für eine schnelle Signalübertragung in der Schaltung.
(Das kann man alles mit Hilfe den Maxwell Gleichungen beweisen jedoch würde das zu lange dauern)
Insgesamt ist es also tatsächlich so, dass es die elektrischen Felder sind, die die Energieübertragung ermöglichen, während die Elektronen lediglich eine relativ langsame Driftbewegung ausführen.
LG
5 Antworten
Das ist eigentlich ein Katz und Maus Spiel oder ein Henne-Ei Ding. Letzen Endes ist die Ursache einer elektromagnetischen Welle die beschleunigte Ladung. Eine EM-Welle ist die Übertragung einer Störung des EM-Feldes, was dann geschieht, wenn das Gleichgewicht gestört ist und das wiederum geschieht bei bewegten/beschleunigten Ladungen. Diese Übertragung geschieht im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit und braucht kein Medium (was schwer greifbar ist), was aber nicht bedeutet, dass die Störung keine Ursache braucht.
Ohne EM-Welle kein Energietransport, doch ohne Ladungsbewegung keine EM-Welle. Deshalb: Ohne Ladungsbewegung kein Energietransport.
Missverständnisse würde ich das nicht nennen, vielmehr benutzt man das Elektronenmodell, weil es für Anwendungen intuitiver und handhabbarer ist. Die Praxis zeigt, dass man damit hervorragend arbeiten kann (natürlich nicht allen Gebieten).
Es stimmt aber schon, dass für tiefere Einblicke das Modell an seine Grenzen kommt, wie z.B. der Strom, der zu Beginn in einem auch offenen Stromkreis fließt, wenn man an einem Ende eine Spannung anlegt. Hier wandert die EM-Welle bzw. die Auswirkung auf die Ladungen bis quasi zum Ende des Leiters und "prallt" dort ab bzw. wird dort reflektiert. Dieser Vorgang ist sehr kurz und nach dem Einschwingen wird der gesamte Leiter auf das Potential der Quelle, mit der es mit einem Ende verbunden ist, gebracht. Die Quelle bekommt quasi eine "Rückmeldung".
Ein ähnliches "Missverständnis" ist, dass imer behauptet wird, dass die Energie in einem Trafo über den Eisenkern läuft. In Wirklichkeit wird diese über das Streufeld übertragen. Die Situation ist völlig analog zu deiner und darüber war ich selbst auch verblüfft 😀
Dass das Signal im Leiter ohne Verzoegerung auftritt, haengt damit zusammen, dass sich ueberall im Leiter Elektronen befinden, die sich gegenseitig quasi ohne Verzoegerung beeinflussen.
Elektromagnetische Felder spielen eher bei drahtloser Elektronik eine Rolle, in einem Leiter bewegen sich Elektronen. Dass diese aufgrund des elektrischen Widerstands recht langsam sind, ist klar, aber das Signal hat aufgrund der direkten Beeinflussung nahezu Lichtgeschwindikeit.
An sich wollte ich darauf hinaus, dass viele Menschen glauben, dass die elektrische Energie von den Elektronen selbst im Leiter übertragen wird. Das ist aber faktisch falsch. Ganz vereinfacht und simpel gesagt meine ich das so, dass die elektrische Energie nicht im Leiter selbst von den Elektronen befördert wird sondern die elektrischen Felder welche sich außerhalb des Leiters um ihn herum befinden die elektrische Energie übertragen. Bezüglich der Geschwindigkeit der Elektronen im Leiter: Die Elektronen bewegen sich ja mit einer Driftgeschwindigkeit durch den Leiter. Diese Geschwindigkeit hängt von verschiedenen Faktoren ab aber liegt typischerweise im Bereich von mm/s und cm/s. Das liegt weit unter der Lichtgeschwindigkeit "c" welche bei aufgerundet 300 Millionen Metern pro Sekunde liegt. Das war zum Mindest worauf ich hinaus wollte in meiner Frage. Ich hab mich auf die Driftgeschwindigkeit bezogen und nicht auf die Signalgeschwindigkeit. Aber ja du hast an sich Recht damit. Das Signal wird in einem Leiter mit 50% bis 99% der Lichtgeschwindigkeit übertragen. Die große Spanne kommt wegen den verschiedenen Faktoren welche die Signalgeschwindigkeit beeinträchtigen können.
Ich hoffe ich habe das ein bisschen klarer dargestellt.
LG
Gut, dann lassen wir die driftenden Elektronen weg, und nehmen für die Leitung statt Metall einfach Bindfäden. Kannst Du uns erklären, wie nun die elektrischen Felder in der drahtlosen Schaltung aussehen, und wie nun Energie übertragen wird?
Ich habe ja nicht gesagt das die Elektronen überflüssig wären denn das sind sie nicht. Sie übertragen lediglich nicht die elektrische Energie sondern die Kinetische und Thermische Energie. Die Kernaussage die ich übermitteln wollte war ja, dass die Elektronen anders als von vielen vermutet nicht die elektrische Energie übertragen. Die elektrische Energie wird nämlich außerhalb des Leiters von den elektrischen Feldern übertragen.
Die Elektronen selbst spielen dadurch aber nicht wie du mit deiner Antwort aussagst keine Rolle, denn die Kinetische und Thermische energie machen ebenfalls einen großen Teil des Gesamtpakets aus.
Spaßeshalber gehen wir aber mal auf deine gegebene Situation ein und nehmen an das wir eine Schaltung haben welche keine Elektronen beinhaltet und ebenfalls kein Metall für die Leitung verwendet.
Eine Schaltung würde nicht ohne Elektronen funktionieren, da Elektronen eine entscheidende Rolle bei der elektrischen Leitfähigkeit spielen. Elektrischer Strom in einem Leiter beruht auf der gerichteten Bewegung von Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Das elektrische Feld sorgt für die Driftbewegung der Elektronen, was wiederum den Stromfluss verursacht.
Wenn es keine Elektronen gäbe, wäre die Ladungsträgerbewegung nicht möglich, und somit würde kein Strom fließen. Elektronen sind die negativ geladenen Teilchen, die die Ladungsträger in den meisten elektrischen Leitern darstellen. Daher sind sie unerlässlich für die Funktionsweise elektrischer Schaltungen.
Wenn wir ebenso keine metallische Verbindung haben dann liegen auch keine Elektronen in dem "Nichtmetall-Leiter" vor. Das würde ebenfalls bedeuten, dass es auch kein elektrisches und magnetisches Feld geben kann.
Denn ein elektrisches Feld wird durch eine elektrische Ladung erzeugt. Eine geladene Teilchenquelle, wie beispielsweise ein Elektron oder ein Proton, erzeugt ein elektrisches Feld in der Umgebung. Die Stärke und Ausrichtung des elektrischen Feldes hängt von der Art und Menge der Ladung ab.
Das magnetische Feld hingegen wird durch bewegte elektrische Ladungen erzeugt. Wenn elektrische Ladungen, wie beispielsweise Elektronen, sich bewegen, erzeugen sie ein Magnetfeld. Dies ist gemäß den Maxwell-Gleichungen, die die elektromagnetischen Phänomene beschreiben. In einer elektrischen Schaltung können sowohl elektrische als auch magnetische Felder miteinander interagieren, insbesondere wenn es sich um Wechselstrom handelt.
Ich hoffe das hat für mehr verständnis gesorgt.
LG
Die Elektronen haben schon natürlich auch damit zu tun denn sonst könnte Gleichstrom nicht fließen und auch keine Ladung übertragen werden, aber ja die Elektrische Welle bewegt sich mit (fast) Lichtgeschwindigkeit am Leiter entlang.
Ist aber am Ende auch ein alter Hut wenn man sich mal damit beschäftigt hat.