Frage von Usedefault, 101

Stromverhalten im Widerstand?

Hallo!

Wenn man eine SQ mit 1V über fast widerstandslose Leitungen und einen Widerstand von 1Ohm zusammenfügt und auf diesem R somit ca. 1W lastet, so wird der R wärmer.

Wie sieht das im Innenleben des Widerstandes aus? Was geschieht, wenn Elektronen ihre Bewegungsenergie als Wärme abgeben? Verlieren sie dann Energie in Form von z. B. Photonen? Die Stromstärke hat ja überall gleich zu sein, aber trotzdem wird der Widerstand warm und die Leitungen nicht.

Lg

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von dompfeifer, 30
... ohne destruktive Kritik zu erhalten ...

Gedankliche Fehler lassen sich nicht erfolgreich kritisieren ohne deren Destruktion.
Elektrischer Strom ist die Verschiebung von Ladungsträgern gegenüber dem jeweiligen Leiter. Soweit ist Dein erster Abschnitt richtig, wenn Du endlich berücksichtigst, dass dem Elektronenüberfluss am Minuspol ein gleich großer Elektronenmangel am Pluspol gegenübersteht. Die Kraft an der „Elektronenperlenkette“ greift also von beiden Seiten gleichermaßen an. Deshalb gibt es auch keinen asymmetrischen „Stau“ am Widerstand, sondern eine elektrische Spannung.
Im Widerstand R wird es für die Elektronen „eng“, weil die spezifische Leitfähigkeit des Widerstand-Materials kleiner ist und/oder der Querschnitt kleiner ist als bei den zuführenden Leitern. Die Reibung der Elektronen erzeugt dort Wärme.
Aber kein Elektron muss irgendwann „den Widerstand erreichen“. Bei hochfrequentem Wechselstrom z.B. wechselt die Stromrichtung so schnell, dass die Elektronen nur noch im Nanometerbereich vibrieren. Da gibt es keine Ausgangs- oder Zielpunkte „auf dem Weg des Elektrons“, da gibt es nur Verschiebungen im Leiter. Und dabei wird je nach Widerstand mehr oder weniger Wärme erzeugt.
Wenn der Impuls der Elektronen den R erreicht, wird dort z. B. ein Photon ausgesendet


Wärme breitet sich u.a. über elektromagnetische Strahlung aus. Deren Quanten nennen wir Photonen. Die werden immerzu von allen Körpern mehr oder weniger ausgesandt (bei heißen Körpern mehr). Und was soll jetzt die Emission eines Photons mit dem sportlichen Ziel eines einzelnen Elektrons am „erreichten Widerstand“ zu tun haben? Das ergibt schlicht keinen Sinn. Die Elektronen wirken wie ein Transmissionsriemen zwischen Energiequelle und Widerstand. Die geben oder nehmen dabei auch so wenig Energie auf oder ab wie z.B. das Wasser im Pumpenkreislauf an einem mechanischen Widerstand (Drossel), der natürlich auch erwärmt wird wegen seines Reibungswiderstandes. In der Hinsicht nimmt natürlich das Wasser etwas Energie auf in Form von Wärme. Das gilt aber nicht für die Elektronen im Stromkreis.

Kommentar von Usedefault ,

Wenn zwei negative Pole verbunden werden, wobei der eine doppelt so negativ ist, so herrscht ja vorher auch Spannung und nach dem Stromfluss, welcher zum Ladungsausgleich führt, sind immer noch beide Pole negativ geladen, oder?

Solange keine Spannungsquelle anliegt, gibt es die symmetrische Perlenkette nicht, oder? Die Elektronen schwirren chaotisch im Elektronengas herum.

Wie lange dauert es, bis sich die Perlenkette nach Anlegen der Spannung einstellt?

Wenn man keinen R zwischen zwei Polen hätte (theoretisch), würde dann überhaupt Wärme entstehen?

Kommentar von dompfeifer ,

Dein erster Abschnitt hier ergibt schlicht keinen Sinn. Was soll die Verbindung zweier „negativer Pole“ mit Ladungen, vorherigem und nachherigem Stromfluss zu tun haben?

Was soll ein „doppelt so negativer Pol“ sein? Der Pol einer Taschenlampenbatterie z.B. ist nicht mehr oder weniger negativ. An ihm alleine kann auch gar keine Spannung anliegen. Die Spannung liegt nur zwischen den jeweiligen beiden Polen an und sonst nirgends. Deshalb sind bei Spannungsangaben grundsätzlich die beiden Punkte der Differenzialdifferenz anzugeben. Sonst ergibt die Angabe im Prinzip keinen Sinn. Im praktischen Alltag vernachlässigen wir bei Angaben zur Strangspannung am öffentlichen Stromnetz die Angabe des Gegenpols, weil hier immer der geerdete Leiter (Neutralleiter) gemeint ist. Mit „230 V“ ist da immer gemeint: „230 V zwischen Außenleiter und Erde“. 

Und weshalb hier Deine Pole ausgerechnet „negativ geladen“
sein sollen, bedarf erst einer Erklärung. Aufladen lassen sich z.B. Kondensatoren. Dort finden auch Entladungen statt („Ladungsausgleich“). Dort hast Du auf einer Platte eine Verdichtung und auf der anderen Platte eine Verdünnung der Elektronen (Siehe Influenz). Mit „Akku-Ladung“ ist wieder etwas anderes gemeint, da geht es um chemische Prozesse. Wir sind aber hier erst einmal beim einfachen Stromkreis. Und da verwechselst Du beharrlich Spannung mit Ladung, und das gleich im doppelten Sinne des
Wortes.

Solange keine Spannung anliegt, fließt kein Strom. Und solange kein Strom fließt, kreisen die Elektronen geordnet um ihren heimischen
Atomkern, ohne Wanderschaft. Die „Elektronenwanderschaft“ im Leiter habe ich hier einmal als „Perlenkette“ veranschaulicht um zu verdeutlichen, dass die Stromstärke an jeder Stelle gleich ist im unverzweigten Stromkreis.

Im ohmschen Stromkreis folgt der Stromfluss ohne Zeitverzögerung
der Spannung. Die Spannung selbst breitet sich im Leiter mit angenäherter Lichtgeschwindigkeit aus.

Was soll nun heißen „Wenn man keinen R zwischen zwei Polen hätte …“? Wenn der Stromkreis unterbrochen ist mangels Widerstands-Bauteil, dann ist der Widerstand theoretisch unendlich und die Stromstärke null. Ohne Strom wird keine Wärme erzeugt. Wird dagegen der Wert des Widerstandes gegen null geführt, dann geht die Stromstärke rechnerisch gegen unendlich: Kurzschluss. Der Leiter erwärmt sich derart, dass er wegschmilzt, soweit das Leistungsangebot der Stromquelle dazu hinreicht.

Kommentar von Usedefault ,

Mit zwei negative Pole meine ich einen Ort mit vielen Elektronen, der mit einem Ort mit sehr sehr vielen Elektronen verbunden ist.

Mit Leiter der 0 Ohm hat meine ich, dass sich die Ladungen ohne Leiter und Widerstände ausgleichen, quasi eine unmittelbare Verbindung von Plus und Minus.

Kommentar von dompfeifer ,

Im Ohmschen Stromkreis gibt es keine Verdichtungen und Verdünnungen von Elektronen. So etwas gibt es bei Kondensatoren (siehe Influenz), und die haben nicht „zwei negative Pole“, sondern zwei entgegen gesetzte Pole. Und wenn die über einen Leiter verbunden werden, dann wird der Kondensator per Kurzschluss entladen. Nach dem Ladungsausgleich ist dort keine Ladung mehr!

Mit Deinem zweiten Satz überstrapazierst Du meine Vorstellungskraft vollends! Wie sollen sich „Ladungen ohne Leiter und Widerstände ausgleichen“ bei einer „unmittelbaren Verbindung von Plus und Minus“. Entweder sind die beiden Pole über einen Leiter verbunden, dann fließt ein Strom. Wenn nicht, dann eben nicht! Du beschreibst hier eine elektrische Verbindung ohne elektrische Verbindung, und das ist eine krasse Kontradiktion!!

Kommentar von Usedefault ,

Heißt das, es ist schon vorher die Elektronendichte überall gleich und die Elektronen werden bloß herumgeschoben?

Ich dachte immer am Minuspol herrscht höhere Elektronendichte als am Pluspol.

Mit keine Leiter meine ich, dass sich die Pole berühren.

Kommentar von dompfeifer ,

Der ohmsche Stromkreis ist ein Stromkreis ohne kapazitive oder induktive Widerstände. Es kommen da also nur ohmsche Widerstände (gemessen in Ohm) in Frage und keine Kondensatoren oder Wicklungen.

Außerhalb eines Kondensators ist die Elektronendichte überall
gleich. Und die Elektronen werden nur herum geschoben, angetrieben von der Spannungsquelle, und zwar an beiden Seiten gleichzeitig.

Am negativen Pol ist die Elektronendichte rein theoretisch ein winziges bisschen größer durch die Eigenkapazität des Leiters. Das ist aber kaum nachweisbar, für die Praxis bedeutungslos und für das Verständnis des einfachen Stromkreises nur verwirrend.

Strom fließt grundsätzlich in elektrischen Leitern (von Kathodenstrahlröhren einmal abgesehen). Und die beiden Pole der Spannungsquelle sind elektrische Leiter! Wenn die Pole der Spannungsquelle zusammengebracht werden – unmittelbar
oder mit Draht, Brücke, Schiene und dergl. – genau dann ist der Stromkreis geschossen, und es fließt ein Strom. Wenn nicht, dann eben nicht. Du versuchst hier ständig, einen Stromkreis ohne elektrische Leiter zu schließen!

Und wenn zwischen den (elektrisch verbundenen) Polen kein nennenswerter Widerstand liegt, dann haben wir einen Kurzschluss.

Kommentar von Usedefault ,

Und wenn man über eine Batterie einen ohmschen Stromkreis schließt, dann ist die Elektronendichte während dem Stromfluss überall dieselbe? Und wenn die Batterie am Tisch liegt, kann man die Pole allein durch die Elektronendichte nicht unterscheiden?

Kommentar von Usedefault ,

Bedeutet ohmscher Stromkreis hier, dass die Spannung konstant ist?

Antwort
von newcomer, 41

nun da die Elektronen durch den Widerstand sausen stoßen sie mit den Atomen zusammen. Diese werden dadurch in Schwingungen versetzt.
Je heftiger nun die Atome schwingen um so wärmer wird der Widerstand. Klar werden da die Elektronen auch gebremst.
Da die Leitung so aufgebaut ist dass bezogen auf den Querschnitt die Elektronen mit weniger Atome kollidieren wird sich der Draht auch viel weniger erwärmen

Kommentar von Usedefault ,

Und wird diese Atomschwingung dann ebenfalls durch den Elektromagnetismus an die Nerven in der Haut übertragen, sofern man einen heißen R angreift?

Kommentar von dompfeifer ,

Die Wärme des heißen Widerstandes wird genauso auf die menschliche Haut geleitet (Wärmeleitung) wie von jedem beliebigen heißen Körper. 

Antwort
von syncopcgda, 33

"trotzdem wird der Widerstand warm und die Leitungen nicht°.

Das hängt vom Drahtquerschnitt des Widerstandes ab. Jeder Leiter erwärmt sich, wenn er stromdurchflossen ist, je kleiner der Querschnitt, desto wärmer wird der Draht bei einer bestimmten Stromstärke. Extrem heiß wird daher die sehr dünne Glühwendel einer Glühlampe, obwohl die Stromstärke bei Netzspannung relativ klein ist. Ein  Anschlusskabel für die Lampe  mit einem Querschnitt von 1,5 mm^2 hingegen wird nicht merklich warm.

Kommentar von Usedefault ,

Bedeutet das, ein Widerstand, egal wo er ist, bekommt immer die Kraft von allen Elektronen ab bzw. von dem einen Elektron, dass die Kettenreaktion am Minuspol auslöst? Und jedes Elektron was beim Pluspol angekommen ist, hat seine Energie abgegeben und dabei Spannung in Wärme umgewandelt?

Kommentar von dompfeifer ,

Das Bild trifft die Sache nicht so recht. Was für eine "Kettenreaktion" soll am Minuspol ausgelöst werden, und warum ausgerechnet dort?

Im geschlossenen Stromkreis kreisen ständig tausende von freien Elektronen wie an einer Perlenkette aufgereiht herum von Atom zu Atom durch den Leiter. Und diese wandernden Elektronen übertragen in ihrer Gesamtheit die Energie von der antreibenden Stromquelle zum Widerstand wie ein umlaufender Transmissionsriemen zwischen Antriebs- und Abtriebsriemen. Die Elektronen selbst verlieren dabei so wenig Energie wie ein Treibriemen.

Kommentar von Usedefault ,

Ich will ein einzelnes Elektron auf seiner Reise begleiten und dachte mir:

Am Minuspol ist 1 Elektron zu viel und es drängt sich auf den Anfang des Leiters. Dann ist dort wieder eines zu viel und so weiter.

Wenn der Impuls der Elektronen den R erreicht, wird dort z. B. ein Photon ausgesendet, weshalb dieser Bereich wärmer wird als der Rest.

Ich will mir einfach - ohne destruktive Kritik zu erhalten - ein Bild vom Stromkreis entwickeln und dabei das Elektronverhalten zu verstehen.

Antwort
von WeicheBirne, 27

Stell Dir den Stromkreislauf wie einen Fluß vor. Die Leitung bzw. der Widerstand ist das Flußbett und die Elektronen sind das Wasser.

Wie newcomer bereits gesagt hat, hat eine Leitung einen relativ breiten Querschnitt. Sie ist also ein breites "Flußbett". So wie in einem breiten Fluß das Wasser ganz ruhig und langsam dahinfließt so bewegen sich auch die Elektronen langsam durch die Leitung.

Jedes Elektron hat also nur wenig Bewegungsenergie. Wenn es mit einem Atom zusammenstoßt gibt es daher auch nur wenig Energie ab. Darum bleibt die Leitung relativ kalt.

Jetzt betrachten wir den Widerstand. Der hat einen kleinen Querschnitt. Da müssen aber genau so viele Elektronen pro Sekunde durchfließen als durch die Leitung. Du hast es ja selbst gesagt, die Stromstärke ist überall gleich.

Ein Widerstand ist also wie ein enges Flußbett, durch das ganz viel Wasser fließen muß. Das Wasser fließt dann natürlich unheimlich schnell.

Die Elektronen, die durch den Widerstand fließen sind auch ganz schnell, sonst klappt das ja nicht mit der gleichen Stromstärke im gesamten Stromkreis. Ein schnelles Elektron hat natürlich viel mehr Energie. Wenn es daher mit einem Atom zusammenstößt gibt es daher auch ordentlich viel Energie ab. Daher wird der Widerstand warm.

Das Elektron gibt seine Energie aber nicht in Form eines Photons ab. Es übt einfach eine Coulumb-Kraft auf die Elektronen des Atoms aus, mit dem es "zusammenstößt".

Kommentar von Usedefault ,

Aber was ich bereits herausgefunden habe, sind die Elektronen im R gleich schnell. Sie reiben dort bloß, aber die Kraft kommt von der SQ, welche die "Elektronenperlenkette" bloß im Kreis herumbewegt.

Kommentar von WeicheBirne ,

Aber was ich bereits herausgefunden habe, sind die Elektronen im R gleich schnell.

Meinst Du damit, daß die Elektronen im Widerstand genau so schnell wie in der Leitung sind? Das stimmt nicht.

Die Stromstärke, also die Anzahl an Elektronen, die pro Sekunde fließt, ist in der Leitung und im Widerstand gleich. Aber die Geschwindigkeit der einzelnen Elektronen ist in der Leitung und im Widerstand unterschiedlich.

Du kannst die Fließgeschwindigkeit v der Elektronen mit folgender Formel berechnen:

v = I / (n*A*q)

I = Stromstärke

n = Elektronendichte im Leiter

A = Querschnittsfläche des Leiters

q = Ladung eines Elektrons


https://en.wikipedia.org/wiki/Drift\_velocity#Numerical\_example

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html#c2


Laß uns mal einen dünnen Draht (Widerstand) mit einem dicken Draht (Leitung) vergleichen.

Da Widerstand und Leitung im gleichen Stromkreis sind ist die Stromstärke I gleich. Wenn Widerstand und Leitung aus dem gleichen Metall sind ist auch die Elektronendichte n gleich -also die Anzahl an Elektronen pro m^3 Metall.

Die Querschnittsfläche A ist aber nicht gleich. Wir haben ja gesagt, daß der Widerstand ein dünner Draht ist und die Leitung ein dicker. Darum ist die Querschnittsfläche des Widerstands kleiner als die Querschnittsfläche des Drahtes.

In der Formel kannst Du erkennen, daß die Fließgeschwindigkeit der Elektronen v um so größer wird je kleiner die Querschnittsfläche des Leiters A ist.

Also müssen die Elektronen durch den Widerstand schneller fließen als durch die Leitung.


aber die Kraft kommt von der SQ, welche die "Elektronenperlenkette" bloß im Kreis herumbewegt.

Die Kraft kommt von der SQ, das stimmt. Aber die gleiche Kraft kann entweder viele Elektronen langsam anschieben (Leitung) oder wenig Elektronen schnell anschieben (Widerstand).

Die Elektronenperlenkette ist in der Leitung dicker als im Widerstand. Darum bewegt sie sich dort langsamer. 

Du kannst Dir das wirklich vorstellen wie Wasser, daß in einem breiten Flußbett langsam und in einem engen Flußbett schnell fließt. 

Kommentar von Usedefault ,

Vielen Dank für diese Information! Mir wurde schon mehrmals erklärt, dass die Elektronengeschwindigkeit im Leiter und im Widerstand gleich ist.

Kommentar von dompfeifer ,

Die Triftgeschwindigkeit ("Wandergeschwindigkeit") der Elektronen variiert bei gegebener Stromstärke mit dem Leiterquerschnitt, genauso wie beim Straßenverkehr die Fahrzeuggeschwindigkeit mit der Straßenbreite.

Kommentar von Usedefault ,

Dompfeifer, kannst du bestätigen, was WeicheBirne gepostet hat? Mir wurde das schon paar mal anders gesagt, dass überall die Elektronen gleich schnell sind.

Antwort
von Alekru99, 36

Wärme ist Infrarote elektromagnetische Strahlung, also ja Photonen.

Kommentar von newcomer ,

aha deshalb leuchten Widerstände auf einer Leiterplatte besonders wenn sie mehrfach überlastet werden :-)

Kommentar von Usedefault ,

Ich dachte Wärme ist reine Teilchenbewegung und keine Strahlung.

Kommentar von dompfeifer ,

Wärme kann sich u.a. in der Fom von Strahlung ausbreiten.

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