Elektronen energieabgabe im Stromkreis?

6 Antworten

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Ich komme halt wieder mit meiner Potentialtreppe.

  • Nehmen wir einen bzw. zwei Widerstände, z.B. je 5 Ohm.
  • Teilen wir sie in je 5 "Widerstandsteilchen" ein.
  • Am Anfang jedes Widerstandsteilchens gibt das Elektron etwas Energie ab, und verliert Potential. (Das Potentialgefälle auf dem idealen Leiter ausserhalb des Widerstands wird vernachlässigt.)
  • Bei zwei Widerständen "weiss" das Elektron schon beim ersten Widerstandsteilen, dass es weniger Energie abgeben muss, weil es "sieht", dass die Stufe kleiner ist und noch 9 weitere Stufen folgen.
  • Bei nur bei einem Widerstand sind die Stufen grösser und es folgen nur noch 4 Stufen bis ans Ende.
  • Bei zwei Widerständen folgen die Widerstandsteilchen einfach häufiger aufeinander, weil das Gesamtpotential ja in beiden Fällen gleich ist.
  • Ergibt also halbe Stromstärke bei doppeltem Widerstand bei gleicher Spannung.

 - (Schule, Technik, Technologie)
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Das ist ein sehr verständliches Gebilde. Im ersten Beispiel fließt ja der doppelte Strom wie im zweiten, das sagt ja aus dass in der gleichen Zeit nur halb so viele Teilchen ihre Energie abgeben. Aber entscheidet die strim stromstärke auch darüber wo die Teilchen ihre Energie abgeben? Weil du sagtest auch mal was davon dass bei höherer stromstärke die Teilchen ihre Energie schneller abgeben?

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@Lukas2812

Die Verbindung zur Stromstärke ist mit diesem Bild schwierig.
Meine damalige Antwort mit dem "Energie schneller abegeben" war wohl eher verwirrend.

Ich sagte auch, bei doppelter Sromstärke machen einfach doppelt soviele Elektronen ihre Arbeit (wie Bauarbeiter, die ein Loch graben: 4 schaffen entweder doppelt soviele Löcher wie 2 in der gleichen Zeit, oder sie brauchen nur die halbe Zeit für die gleiche Arbeit (gleich viele Löcher).
Die Elektronen fliessen doppelt so dicht (nebeneinander oder hintereinander), es gibt doppelt soviele Kollisionen mit Atomen, womit doppelte Energie pro Sekunde umgesetzt wird.

Jemand anders hat bei einer andern Frage von dir auch mal erklärt, dass alle Elektronen ihre Arbeit gleichzeitig machen.
Wenn nur ein Elektron am Drahtanfang reingeschoben wird, dann schieben sich alle Elektronen im Draht um eine Position vorwärts, verrichten Arbeit, und eines verlässt den Draht am Ende.

Die Stromstärke "entscheidet" aber nicht darüber, wo die Teilchen ihre Energie abgeben.

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Spannung und Widerstand allein reichen nicht, um Energie abzugeben. Erst wenn ein Strom fließt, kommt es zu einer Umwandlung in Wärme.

Man kann sich das so vorstellen, dass sich die Elektronen im Draht (im Widerstand ) reiben. Die Größe des Widerstands ist somit ein Maß für die "Reibung". Die Elektronen müssen durch den Widerstand durch und je "enger" es wird (der Widerstand ist dann größer) wird auch die Reibung größer und der Widerstand wird wärmer.

Bei einer Reihenschaltung von Widerständen wird aber auch die Spannung an den Widerständen geteilt, denn durch beide muss ja der gleiche Strom hindurch.

Rechne mal selbst mit diesen Gleichungen:

P(Leistung) = U(Spannung) x I (Strom)
R (Widerstand) = U / I

Woher ich das weiß:
Berufserfahrung
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Aber warum wird sie geteilt ?

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@Lukas2812

es ist eine Reihenschaltung: (+)----R1----R2----(-)

Da kann doch nicht die Spannung an R1 nicht genau so groß sein, wie die zwischen (+) und (-) .

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Aber woher wissen die Elektronen denn dass sie (wenn nun ein zweiter widerstand da ist) ihre Energie auf beide verteilen müssen?

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@Lukas2812

sie müssen doch die Energie nicht verteilen. Bildlich gesehen, müssen sie sich durch den Draht zwängen und jeder Widerstand "verbraucht" dann genau die Energie, die der Größe des Stroms und seinem Widerstand entspricht.

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Der Stromfluss in einem Stromkreis geschieht nicht etwa, indem einzelne Elektronen vom Minuspol der Stromquelle durch den ganzen Stromkreis wandern, bis sie beim Pluspol ankommen. Wäre es so, dann müsste man sich tatsächlich fragen, warum ein Elektron nicht auf halbem Weg zum Erliegen kommen könnte, weil er an der Stelle schon seine ganze Energie verbraucht hat.

In Wirklichkeit funktioniert der Stromfluss etwas anders: Ein Elektron stößt das nächste, dieses das übernächste, usw. Das passiert aber nicht nacheinander, sondern zeitgleich: Alle Elektronen bewegen sich zugleich durch den Stromkreis, wie die Glieder einer Fahrradkette. Deshalb kann es nicht passieren, dass ein Elektron auf halbem Wege seine ganze Energie verbraucht hat, es ist ja Teil einer ganzen Kette von Elektronen, die sich durch den Stromkreis bewegt und die Energie an allen Widerständen gleichzeitig abgibt, wie eine Fahrradkette sie an mehreren Hinterrädern eines Fahrrads abgeben könnte, wenn ein Fahrrad mehrere Hinterräder hätte.

Dabei bewegt sich die Kette eben langsamer, diese entspricht der Stromstärke (Anzahl der Kettenglieder/Elektronen pro Zeit, die an einem Punkt der Kette / des Kabels passieren).

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Aber wie geben alle gleichzeitig Ihr Energie ab?

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Bist du denn noch nie Fahrrad gefahren? ;) Du drückst auf die Pedale und steckst Energie in das System (du und die Pedale entsprechen einem Spannungsgenerator). Die Energie wird mithilfe der Fahrradkette (entspricht einem Kabel mit Elektronen) aufs Hinterrad (entspricht einem Widerstand) übertragen. Wie passiert es, dass alle Glieder der Fahrradkette ihre Energie gleichzeitig an das Hinterrad abgeben?

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Das ist eine geniale Analogie.

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@pixeldef

Ja, ich finde sie auch recht schön, habe sie in einer Physikdidaktik-Vorlesung gelernt.

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Wie soll man sich das dann bei einer reihenschaltung vorstellen?

Bsp man hat eine konstante Spannung und einen widerstand. Die Energie der Elektronen ist ja durch die Spannung gegeben. Jetzt fließt ein bestimmter Strom und die Elektronen geben ihre Energie im widerstand ab. Schalte ich einen zweiten in Reihe dazu geben die Elektronen ihre Energie gleichermaßen verteilt in beiden Widerständen ab. Und es fließt ja weniger Strom beeinflusst der strom wo die Elektronen wie viel Energie abgegeben?

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@Lukas2812

Die Energie ist gegeben durch Strom x Spannung x Zeit, nicht allein durch die Spannung allein. Es wirkt also alles zusammen, sodaß viele Elektronen auch viel Energie transportieren. Sie transportieren Ladung. Der Widerstand erwärmt sich umso mehr, sich je "länger"er ist. Um die ganze "Länge" zu erwärmen, braucht man eine höhere Spannung. Je kleiner der Widerstand ist, desto mehr Strom kann fließen, daher der Name Widerstand.

Es erleichtert die Sache, wenn man sich nicht auf einzelne Elektronen konzentriert, sondern den Strom als Kollektiv von vielen Elektronen betrachtet, die als Ganzes eine Wirkung ausüben.

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Also ich stelle mir das so vor dass sich der Strom so einstellt dass die Elektronen in einer geschlossenen Schleife ihre Energie abgeben wird der Strom größer und der widerstand kleiner so geben Sie diese Energie einfach schneller ab weil die Erwärmung oder Reibung im Draht dann intensiver ist

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@Lukas2812

Die Reibung ist nicht "intensiver", sondern die Masse macht's. Bei großem Strom sind viele Elektronen beteiligt, die viel Ladung transportieren. Die Elektronen werden nur durch höhere Spannung schneller.

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Der Widerstand entspricht doch in etwa der Reibung im Draht, jetzt schreibst du einerseits, dass der Widerstand kleiner wird, andererseits aber dass die Reibung größer wird - das haut nicht hin!

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Ja aber es fließt ja ein größerer Strom dh die Elektronen sind schneller und dementsprechend geben Sie mehr Energie ab

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@Lukas2812

Nun, lass uns überlegen, die elektrische Leistung ist gegeben durch P=U*I. Also: Je höher der Strom umso mehr Leistung wird am Widerstand freigesetzt, richtig.

Aber der Strom hängt ja vom Widerstand ab, während die Spannung von außen vorgegeben ist. Nach dem Ohmschen Gesetz ist U=I*R oder, umgestellt nach der Stromstärke, I=U/R. Das ist die Stromstärke, die durch einen Widerstand R fließt, wenn die Spannung U angelegt wird.

Setzen wir diese Stromstärke in die Formel für die Leistung ein, dann erhalten wir

P = U*I = U*(U/R) = U²/R

Bei vorgegebener Spannung U, die am Widerstand anliegt, ist also die freigesetzte Leistung umgekehrt proportional zum Widerstand, weil der Strom durch den höheren Widerstand kleiner wird und somit weniger Elektronen pro Sekunde durch das Kabel fließen und Energie im Widerstand abgeben können.

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Aber wie erklärt man dann dass sich die Spannung bei einer reihenschaltung auf beide widerstände aufteilt?

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@Lukas2812

Es fließt durch die Reihenschaltung nur ein Strom durch beide Widerstände. Man spricht hier am einzelnen Widerstand von einem Spannungsabfall, der sich berechnet nach Ohm mit

U = I * R

Da der Strom an normalen Widerständen proportional zur Spannung ist, liegt ein lineares System vor, und die Spannung verteilt sich im Verhältnis der Widerstandswerte.

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Kann man das so erklären dass sich der Strom so einstellt dass es genau passt oder wie? Aber wenn ja warum?

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@Lukas2812

Es fließt soviel Strom, wie es Spannung und Widerstand zuläßt. Wenn man die Formel des Ohmschen Gesetzes R = U/I

umstellt, sieht man das:

I = U/R

Mit anderen Worten: die Spannung drückt umso mehr Elektronen durch den Widerstand, je kleiner er ist. Die dabei aufgewendete Leistung durch die äußere Spannungsquelle berechnet man mit P= U*I. Es ist einfacher, sich den Draht pauschal als blackbox vorzustellen, als über das Schicksal eines einzelnen Elektrons zu grübeln. Die Energie erhält man aus Leistung x Zeit, also wie lange der Stromfluss dauert.

Das Schicksal des einzelnen Elektrons ergibt sich dann aus dem großen Zusammenhang.

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Aber die Spannung gibt doch die Energie pro Ladung an
Kann man dass dann wirklich wie einen Antrieb auffassen?

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