Wie fließt Strom in einer Leitung über das elektrische Feld?
Mein Wissen: (von diesem video: https://www.youtube.com/watch?v=bHIhgxav9LY )
Die annahme das sich elektronen in einem Leiter bewegen ist falsch, sie werden lediglich hin und hergeschoben. Um den Leiter baut sich ein Magnetfeld auf und dieses transportiert sozusagen den Strom. Deshalb leuchtet eine Leuchtstofflampe in der Nähe einer Hochspannungsleitung ohne dass diese irgendwo angeschlossen ist.
Wird also bestimmt wie gut ein Kabel strom leitet, dadurch wie gut es ein elektrisches Feld aufbauen und halten kann? Also wenn sich die Leitung erwärmt wird das elektrische Feld kleiner und deshalb steigt der widerstand und der Strom nimmt ab?
3 Antworten
Vorsicht! elektrischer Strom ist erstmal nichts anderes als die gerichtete Bewegung von Ladungsträgern
I=Q/t
das heißt die elektrische Stromstärke I (in Ampere) entspricht der Ladungsmenge Q (in Coulomb) pro Zeiteinheit t (in Sekunde). Ladungen müssen nicht immer Elektronen sein, es können auch Ionenströme sein. Aber in der Regel handelt es sich in einem üblichen Stromkreis um Elektronen.
das heißt wir haben durchaus Elektronen, die durch den elektrischen Leiter bewegt werden und von + nach - wandern (technische Stromrichtung). Nur die Elektronen die hinten wieder ankommen sind nicht die gleichen die beim Start losgehen. Sie schubsen sich gegenseitig aus ihrer Bahn ähnlich wie beim Domino.
wie die Ladungen durch den elektrischen Leiter fließen hängt von der Spannung ab. In einer Gleichspannungsquelle fließen sie tatsächlich von + nach - (technische Stromrichtung). Bei der 50Hz Wechselspannung aus unserem Netz jedoch fließen sie tatsächlich hin und her.
Das heißt es kommt auf die Spannungsquelle an. Das ganze hat einen einfachen Hintergrund. Ladungen werden über das elektrische Feld beschleunigt es gilt ähnlich wie bei der klassischen Mechanik:
F=m*a
ABER in diesem Fall ist es nicht m*a sondern E*q. Also was für Masse F=m*a ist, ist für Ladungen:
Fel=E*q
Ladungen erfahren durch das elektrische Feld also eine sogenannte "Lorenzkraft" der die Ladung beschleunigt.
Die elektrische Spannung ist Arbeit pro Ladung:
U=W/Q
die Arbeit wiederum ergibt sich aus "Kraft * Weg"
Das heißt, wenn wir Ladungen trennen wollen, dann müssen wir eine Kraft aufwenden und "Trennen" bedeutet "räumlich trennen". Das heißt wir verrichten eine Kraft entlang eines Weges und das ist Arbeit, also Arbeit pro Ladung.
Das heißt in der elektrischen Spannung ist unser elektrisches Feld bereits drin. Das heißt je größer das elektrische Feld ist, desto größer ist auch die Spannung.
Die Spannung gibt also an wie schnell und welche Richtung. Wenn die Spannung seine Richtung Wechselt, dann macht es der Strom genauso. Wenn die Spannung aussieht wie eine Ente, dann sieht auch der Strom aus wie eine Ente.
Zumindest im einfachen Fall komplexe Widerstände wie Induktivitäten und Kapazitäten usw, sind hier ausgenommen.
Man kann sagen, dass die Leitfähigkeit eines Materials hat weniger mit der Durchlässigkeit für das Magnetische Feld zu tun auch "Permittivität" genannt. Man verwendet den begriff eher bei isolierenden Stoffen.
Warum ein elektrischer Leiter ein elektrischer Leiter ist, ein Isolator ein Isolator und ein Halbleiter ein Halbleiter ist erklärt das sogenannte "Energiebändermodell" Im Metall bildet sich auf Molekularer Ebene ein Gitter, Die Atome sind so nah beieinander, sodass sie sich gegenseitig die Valenzelektronen aus der Bahn werfen. So entstehen freie Elektronen die zu keinem Atom richtig dazu gehören. Alle Elektronen gehören zu jedem Atom gleichzeitig. Diese Elektronen werden jetzt als ein System im Leiter betrachtet und genau wie Elektronen im Atom bestimmte Energieniveaus annehmen kann, so können auch die Valenzelektronen bestimmte Energieniveaus erreichen. Nur Ladungen die sich im Energiebändermodell im "Leitungsband" sind, können zum elektrischen Stromfluss teilnehmen:
Das erwärmen des elektrischen Leiters führt zu einer erhöhten kinetischen Energie der Moleküle wodurch sich die Abstände zwischen den Atomen verändern. Elektronen wandern zurück in ihre Plätze und der Widerstand steigt. Kupfer ist also ein Kaltleiter. Das heißt der Widerstand steigt, wenn es warm wird.
Hier gibt es mehrere Aspekte... Natürlich bewegen sich Elektronen in den Leitern und natürlich entsteht der elektrische Widerstand (in klassischer Physik ohne Quantentheorie) u.a. durch "Kollisionen" mit Atomrümpfen... im Kabel. Die Stromstärke gibt dabei an, wie viele Elektronen pro Zeiteinheit durch einen Querschnitt des Kabels bewegen (Driftgeschwindigkeit). Bei Gleichstrom bewegen sich die Elektronen immer in die gleiche Richtung und wandern allmählich von Minus- zum Pluspol. Bei Wechselstrom bewegen sich Elektronen hin- und her.
Nun haben aber weder die kinetische Energie, noch Driftgeschwindigkeit direkt etwas mit den Phänomenen des elektrischen Stroms zu tun, denn es gibt eben elektrische Felder und Kräfte... benachbarte Elektronen üben Kraft aufeinander aus. Darüber lässt sich dann mit der speziellen Relativitätstheorie und Lorentztransformation auch die magnetische Kraft herleiten, die in Wirklichkeit auch nur elektrische Kraft ist... aber das nur am Rand.
Was in dem Video angesprochen wird, ist zunächst eine Definition des Energieflusses, der in Richtung des Poynting-Vektors zeigt. Der Energiefluss kommt durch die wirkenden Kraftfelder des elektrischen- und magnetischen Feldes zustande. In dieser Betrachtung findet im elektrischen Leiter selbst kein Energietransport statt, gleichwohl dient der Leiter zum Aufbau eines elektrischen- und magnetischen Feldes. Wobei es so ist, dass für den Transport nicht das elektrische Feld im Leiter entscheidend ist (das ist die Verlustleistung und im Poynting-Vektor eine Komponente, die zum Mittelpunkt des Leiters zeigt), sondern das elektrische Feld zwischen Hin- und Rückleiter. Insofern stimmt es schon, dass ein Kabel, das einen geringeren Widerstand hat und somit gut leitet besser ein elektrisches Feld zwischen Hin- und Rückleiter aufbauen kann, weil weniger Energie im Kabel selbst (also dem längsgerichteten elektrischem Feld) bleibt.
Entscheidend wird diese Betrachtungsweise z.B. bei Hochfrequenz. Ein typisches Antennenkabel hat z.B. einen Draht in der Mitte, ein Dielektrikum und ein Metallgeflecht konzentrisch außen herum. Der Energietransport findet im Dielektrikum statt, dort können sich die elektromagnetischen Wellen ausbreiten.
Des Wissens letzter Schluss ist aber auch die ganze Betrachtung nicht... Ich habe mich nie damit näher beschäftigt, aber die modernste und detaillierteste physikalische Betrachtungsweise wird von der Quantenelektrodynamik gegeben.
Hier muss man unterscheiden zwischen ohmscher, induktiver und kapazitiver Last. Die kapazitive Verlustleistung eines langen Kabels ist nur ein lästiger Nebeneffekt, der Energie kostet, aber ich kennen keinen rein kapazitiven Verbraucher, der dem Menschen irgendwie nützt, auch die Leuchtstofflampe leitet ja durch, um Licht zu erzeugen.