Was Sie verstehen müssen, ist, dass sich Elektronen nicht von selbst bewegen, sondern als Kette ... wie ein Haufen Kindergartenkinder, die Hand in Hand zusammengebunden sind.

Betrachten Sie die folgende Zeichnung einer Reihe von Bällen in einem Schienensystem.

Es ist ziemlich offensichtlich, dass Sie die Kugelkette mit Ihrem Finger um eine der beiden Schleifen schieben können und sie sich frei bewegen.

Sie können jedoch KEINE Bälle über die Verbindungswanne unten schieben, da der Ball nirgendwo hingehen kann.

Das passiert auch bei Drähten.Wenn Sie es geschafft haben, ein Elektron in die rechte Schleife zu zwingen, möglicherweise unter Verwendung einer Induktionsspule oder Ähnlichem, würde zwischen den beiden Schleifen eine Ladungsdifferenz erzeugt, die das Elektron schnell zurückdrängen würde, sobald Sie die Kraft weggenommen haben.

Es gibt eine mathematischere und präzisere Antwort als die oben genannten, und es stellt sich heraus, dass dies eines der interessantesten und wichtigsten Konzepte im Elektromagnetismus ist.

Was bedeutet es zunächst "Strom fließt in Schleifen"? Es bedeutet einfach, dass sich die Ladung (positiv oder negativ) nicht an einem Ort ansammelt. Das heißt, der an einen Ort fließende Nettostrom ist gleich dem herausfließenden Nettostrom. Wir können das mathematisch präzise formulieren: \ $ \ nabla \ cdot \ vec {\ mathrm {J}} = 0 \ $, wobei \ $ \ vec {\ mathrm {J}} \ $ die aktuelle Dichte ist. Das Symbol \ $ \ nabla \ cdot \ $ wird als "Divergenz" bezeichnet und ist nur eine mathematische Darstellung des Nettoflusses in oder aus einem Raumbereich.

Stimmt es also, dass Strom immer in Schleifen fließt oder sich nicht an einem Ort ansammelt? Über lange Zeiträume ist das wahr, weil Gebühren abstoßen. Wenn Sie an einem Ort zu viel Ladung erhalten, wird es immer schwieriger, mehr hinzuzufügen. Wenn Sie genau hinschauen, können wir vorübergehende Ladungsungleichgewichte erzeugen. Einige Leute erwähnten den Aufbau statischer Aufladung und ähnliche Effekte, aber es gibt ein Beispiel, das in vielen einfachen Schaltkreisen existiert: den Kondensator.

Betrachten Sie die folgende Schaltung:

^{simulieren diese Schaltung - Schema erstellt mit CircuitLab sup>}

Sie können direkt im Schaltplan sehen, dass die "Schleife" unterbrochen ist! Über den Spalt im Kondensator fließen keine Ladungen oder Ströme. Wie wir wissen, baut sich auf den Platten eine Ladung auf, anstatt ein Gleichgewicht zwischen ein- und ausströmenden Ladungen aufrechtzuerhalten.

Also, was ist hier los? Ist "Stromfluss in Schleifen" nur eine Annäherung oder können wir ihn irgendwie beheben? Wenn Sie den Kondensator als Black Box behandeln und nicht hineinschauen, gilt unsere Regel immer noch - auf den beiden Platten des Kondensators befinden sich gleiche Ladungen, sodass das Netz immer noch Null ist. Und wir wissen, dass beim Aufladen im Kondensator etwas Ungewöhnliches vor sich geht: Er baut eine Spannung auf.

Dies war im 19. Jahrhundert ein wichtiges Anliegen. Das Ampere-Gesetz wurde ursprünglich geschrieben: \ $ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ vec {J} \ $. Diese Kalkülformel hat auch eine nette intuitive Erklärung - sie besagt, dass das Magnetfeld um eine Schleife proportional zum Strom ist, der durch die Schleife fließt. \ $ \ nabla \ times \ vec {B} \ $ wird als "Curl of \ $ \ vec {B} \ $" bezeichnet und ist eine Quantifizierung der "Curling" des Magnetfelds um eine Stromquelle Sie können zeigen, dass "die Divergenz einer Locke Null ist". Das bedeutet, dass diese Gleichung \ $ \ nabla \ cdot \ vec {J} = 0 \ $ impliziert. Dies ist schön, funktioniert aber in unserem Kondensatorbeispiel nicht: Was ist, wenn wir unsere Schleife um den Spalt zwischen den Kondensatoren legen? Wir haben immer noch ein Magnetfeld, aber es gibt keinen Strom.

Die Lösung hierfür besteht darin, einen zweiten Stromtyp hinzuzufügen, der als "Verschiebungsstrom" bezeichnet wird. Die richtige Form ist \ $ \ epsilon_0 \ frac {\ teilweise \ vec {E}} {\ teilweise {t}} \ $. Das heißt, die Änderungsrate des elektrischen Feldes.

Also addieren wir diesen Verschiebungsstrom zum Strom. Wenn Sie sich die Form des Ampere-Gesetzes ansehen, die in Maxwells Gleichungen enthalten ist, sehen Sie:

$$ \ nabla \ times \ vec {B} = \ mu_0 \ left (\ vec {J} + \ epsilon_0 \ frac {\ partiell {\ vec {E}}} {\ partiell {t}} \ rechts) $$

Dies bedeutet, dass 1) entweder eine Ladungsbewegung oder ein sich änderndes elektrisches Feld Magnetfelder verursachen kann, die sie umgeben, und (weil \ $ \ nabla \ cdot \ nabla \ times \ vec {B} = 0 \ $) hat der Gesamtladestrom plus Verschiebungsstrom keine Divergenz, was bedeutet, dass er nur in Schleifen fließt.

Dieser Verschiebungsstromterm ist tatsächlich sehr wichtig, nicht nur für die mathematische Symmetrie, sondern auch, weil er elektromagnetische Wellen, AKA-Licht und Radiowellen zulässt. Es ermöglicht sich selbst ausbreitende elektrische und magnetische Felder fernab von freien Ladungen oder magnetischen Materialien.

OK, was bedeutet das für unsere intuitiven Vorstellungen über den Stromfluss in Schleifen?Wenn Sie nur den Ladungsbewegungsstrom berücksichtigen, ist dies eine Annäherung, die nur dann zutrifft, wenn sich das elektrische Feld nicht zeitlich ändert.Dies gilt vor allem für Leiter, bei denen das elektrische Feld immer (nahezu) Null ist.Innerhalb der Drähte, aus denen die Stromkreise bestehen, fließt der Strom nur in Schleifen.Es kann sich jedoch Ladung auf den Oberflächen von Leitern (z. B. einer Kondensatorplatte) oder in Isolatoren oder im freien Raum ansammeln.In diesem Fall ist die einfache Version von "Strom fließt in Schleifen" nur im stationären Zustand mehr wahr, aber wir können eine verwandte Größe finden, die dieser Regel allgemein gehorcht.

Die elektrischen Kräfte zwischen geladenen Teilchen sind extrem stark (*), werden jedoch in den meisten Fällen weitgehend durch die Tatsache aufgehoben, dass positive und negative Ladungen in etwa gleich sind. Wenn die Geschwindigkeit, mit der Elektronen in ein Objekt flossen, die Anzahl der herausfließenden Elektronen überschreiten würde, während Protonen im Wesentlichen bewegungslos blieben, würde das Objekt schnell eine Ladung aufbauen, die versuchen würde, Elektronen herauszudrücken und das Eindringen weiterer zu verhindern. Obwohl es für Objekte möglich ist, eine bestimmte Menge statischer Ladung aufzubauen, wird im Allgemeinen nicht viel Strom benötigt, um sehr schnell eine große Spannung aufzubauen. Für die meisten praktischen Zwecke wäre die Zeitspanne, in der ein nicht trivialer Strom in ein Gerät fließen könnte, ohne dass ein Ausgleichsfluss aus dem Gerät erfolgt, bevor genügend Ladung aufgebaut wird, um zu verhindern, dass mehr Strom fließt, im Wesentlichen Null. P. >

(*) Der Weg eines fallenden Öltröpfchens kann messbar durch das Ladungsungleichgewicht eines einzelnen Elektrons beeinflusst werden, obwohl die Masse des Elektrons viele Größenordnungen kleiner ist als die Masse des Tröpfchens.

Strom muss nicht in einer Schleife fließen. Wenn etwas Ladung verliert (wie eine heiße Elektronenplatte im Weltraum), verlässt die Ladung die Batterie und kommt nie zurück, weil die Elektronen abkochen.Der Strom wird durch das Ampere-Gesetz definiert. Sie können sich vorstellen, eine Oberfläche um die Platte zu zeichnen, und die Platte würde negativer werden.Ich könnte mir einige andere Dinge vorstellen, die Ströme haben, die nicht zur Quelle zurückkehren, wie Plasma von der Sonne.

Wenn Sie jedoch von Strom von einem Leiter sprechen, muss die Spannungsquelle von irgendwoher referenziert werden und der Strom fließt immer zu einer niedrigeren Spannung. Wenn Sie also mehr Strom erzeugen möchten, benötigen Sie eine Referenz.

Sie können sich das so vorstellen: Spannungsquellen sind wie Pumpen, Strom ist wie Wasser, er fließt immer bergab.Boden 0V ist wie ein See (oder der Ozean), zu dem alles Wasser fließt.Um Wasser zum Fließen zu bringen, müssen Sie es von irgendwoher pumpen, und es kehrt zum tiefsten Punkt zurück, den es erreichen kann.

Wenn Sie zur Rohranalogie zurückkehren, können Sie sicherlich ein Rohr haben, das nur in eine Richtung fließt, und Wasser fließt durch das Rohr, bis alles, was das Wasser aufnimmt (sagen wir, es ist ein Wasserturm), am Empfangsende voll wird.

Ebenso mit Elektronen.Elektronen können in eine Richtung fließen, bis sich der "Druck" (Spannung) bis zu dem Punkt aufbaut, an dem die dem Fluss entgegengesetzte Kraft mit der den Fluss fördernden Kraft übereinstimmt.Dies kann beispielsweise mit einem Kondensator oder mit normaler Luft (im Fall einer einfachen Funkantenne) erfolgen.

Fehlt jedoch eine "vollständige Schaltung", "füllt" sich der Kondensator früher oder später und die Spannung, die dem Stromfluss entgegengesetzt ist, stimmt mit dem spannungsfördernden Fluss überein.

B, da kein Draht vorhanden ist.

In dem in Ihrem Diagramm verwendeten Standardmodell wird davon ausgegangen, dass die Drähte zwischen den Komponenten einen Widerstand von Null haben. \ $ V = IR \ $, dh wenn der Widerstand Null ist, ist auch das Spannungspotential gleich, es sei denn, der Strom ist irgendwie unendlich. Bei einem Potential von Null ist die Stromgrenze, wenn der Widerstand auf Null geht, Null:

$$ I = \ lim_ {R \ rightarrow 0 \ Omega} {\ frac {0 V} {R}} = 0 A $$

Dies bedeutet, dass in diesem Standardmodell kein Strom entlang des unteren Kabels fließt, auch nicht zwischen dem Boden des Induktors und dem negativen Anschluss der Spannungsquelle.

In der physischen Realität besteht die einzige Möglichkeit, eine Schaltung zu erstellen, bei der jeder Punkt entlang des unteren Kabels Ihres Diagramms auf genau demselben Potential liegt (hier mit 0 V bezeichnet), darin, dass die Anschlüsse für jede der Komponenten genau gleich sind physischer Punkt im Raum.

Da das Minus der Spannungsquelle, das Positiv der Stromquelle, die Unterseite des Induktors und die Oberseite des grünen Widerstands alle dasselbe sind, kann kein Strom zwischen ihnen fließen. Der Strom kann nirgendwo hingehen.

Kirchhoffs Spannungs- und Stromgesetze (KVL / KCL)

Wir benötigen weiterhin die Gesamtspannung, um in der Schleife Null zu addieren, und den Gesamtstrom an jedem Knoten, um gemäß KVL bzw. KCL Null zu addieren.

KVL ist einfach: Es gibt kein Potential über dem unteren Draht, also addieren Sie einfach Null in der Schleife, und die anderen Komponenten müssen Null addieren. Dies ist sowohl im Standarddiagramm als auch in dem Diagramm, das ich gezeichnet habe, sinnvoll, in dem nur kein Draht vorhanden ist.

KCL ist etwas seltsam: Da der gesamte untere Draht mathematisch der gleiche Punkt ist, muss kein Strom durch ihn fließen. Aber wir haben es als Linie gezogen. Die 10 A, die aus dem Induktor kommen, müssen irgendwo gehen, und es ist nicht intuitiv offensichtlich, dass sie direkt durch die Spannungsquelle gehen. Das Offensichtliche ist also, einen Strom von 10 A über den unteren Draht zwischen der Induktivität und der Spannungsquelle zu ziehen.

Dies gilt auch für die reale Welt. Normalerweise hat Ihr Draht einen gewissen Widerstand, sodass der Boden des Induktors auf einem um einiges Bit höheren Potential liegt als der negative Anschluss der Spannungsquelle. Dies bedeutet, dass ein winziger Strom durch den Draht fließt, der genau 10 A betragen sollte. Wenn wir die zweite Schleife ignorieren,

Wenn wir die zweite Schleife nicht ignorieren, sind die Dinge etwas kompliziert. In der Realität besteht fast immer ein geringes Potential zwischen dem positiven Ende der Stromquelle und dem negativen Ende der Spannungsquelle, und es fließt eine winzige Strommenge von einem zum anderen (je nachdem, welches Ende etwas höher liegt Potenzial). Dies bedeutet auch, dass der Strom am unteren Rand der linken Schleife nicht genau 10 A beträgt und der an der rechten Schleife nicht genau 20 A.

Da der Draht zwischen den beiden jedoch einen so geringen Widerstand aufweist, ist die Spannungsdifferenz ähnlich gering, und es fließt nur eine geringe Menge Strom durch ihn. Daher können Sie es als Nullstrom mit einem hohen Maß an Genauigkeit für Basisschaltungen approximieren.

More Complex Circuits

In komplexen Schaltkreisen, insbesondere in Schaltkreisen mit hochfrequenten Wechselspannungsquellen, können Sie Drähte nicht mehr als widerstandsfreie Schaltkreiselemente behandeln. Stattdessen müssen Sie jeden Draht mit komplexeren Näherungen modellieren, wobei jede Drahtlänge bestimmte induktive, kapazitive und reine Widerstandskomponenten aufweist.

Da sich die Spannungspotentiale ständig ändern, ändert sich auch der Strom.Abhängig davon, wie gut die beiden Schleifen synchronisiert sind, kann der Strom über Ihren Nullpotentialdraht nicht nur vorhanden sein, sondern auch zwischen rechts von links und von links nach rechts wechseln, je nachdem, welche Seite gerade ein höheres Potential aufweist.

Noch komplexere Berechnungen beziehen sich auf die Geschwindigkeit des Stroms über die Leitung.Da sich die Elektronen mit endlichen Geschwindigkeiten fortbewegen, entspricht der Strom an einem Ende eines Drahtes möglicherweise nicht dem Potential am anderen Ende des Drahtes.Auf dieser Detailebene können Sie tatsächlich sehen, wie der Strom in einem Teil des Kabels von links nach rechts und in einem anderen Teil des Kabels von rechts nach links fließt.

Metalle sind gute Wärmeleiter, da der Strom insgesamt zufällig fließt Richtungen in einem Metall (und Wärme wandert mit den Ladungsträgerelektronen). Aber einen messbaren Strom in EINE Richtung zu erzeugen, wäre zu erzeugen eine positive Nettoladung auf dem "Elektronendonor" und diese positive Die Ladung zieht das nächste Elektron, das zu verlassen versucht, STARK an.

Da es einen Draht gibt, sorgt die starke Anziehungskraft dafür, dass Strom hereinkommt Der Draht würde anhalten und sich umkehren, bis der „Spender“ wieder da ist bei oder nahe der elektrischen Neutralität.Diese Anziehungskraft ist der Grund Blitz übrigens: Sie können die Ladungstransfersache für erledigen eine bedeutende Zeit, wenn Ihre Isolationsschicht dick ist (eine Meile Luft, zum Beispiel), aber es wird irgendwann korrigiert.

Elektrische Schaltkreise dürfen keine Blitzschläge ausführen Kabelverbindungen, um den Ladungsaufbau zu verringern, und es ist eine übliche (und genaue) Annahme in der Schaltung, dass kein signifikanter Aufbau auftritt.

Betrachten wir das Problem anders:

Wir do haben ein Beispiel für einen Strom, der nicht in einer Schleife fließt - jeder hat es erlebt.Statische Elektrizität.

Beachten Sie, dass in der Form, in der Sie normalerweise darauf stoßen, die Leiter riesig sind (Ihr Körper statt nur eines Drahtes), die Spannungen hoch sind (Tausende von Volt) und dennoch für einen sehr kurzen Zeitraum nur ein sehr kleiner Strom vorhanden istbevor die Energie ausgeglichen wird.

Wenn Sie nicht bereits mit einem hohen Unterschied begonnen hätten, würden Sie einen solchen Unterschied sehr schnell erzeugen - und der Strom fließt nicht bergauf.

All diese netten Antworten ... Tatsächlich fließt nur ein wenig Strom über diese Linie.Dann baut sich das Potenzial sofort auf und drückt den Strom zurück.Das gesamte Phänomen ist sehr klein und proportional zur Temperatur.Um es zu fühlen, können Sie den Draht durch einen Widerstand ersetzen und das Rauschen messen.

Weil nur ein Draht nichts anderes tut, als eine Vorspannung einzuführen.

Bitten Sie einen Lineman, ein Bluetooth-Thermometer an die Hochspannungsleitung anzuschließen, an der er arbeitet, und die Masse des Geräts am Fahrdraht zu befestigen.Überprüfen Sie, ob Sie sich noch anmelden können.Ja, es ist glücklich wie eine Muschel, ohne die Tatsache zu bemerken, dass es eine "Vorspannung" von 24.000 Volt relativ zum Planeten hat.

Da es nichts über die Verzerrung wissen kann, kann es auch nichts Nützliches damit anfangen.

Während dieser Vorspannung fließt nur wenig Strom, dies ist analog zu statischer Elektrizität.Bei Wechselstromkreisen wird jede Spannungsumkehr wiederholt (z. B. 120 oder 100 Mal pro Sekunde).Möglicherweise können Sie einige empfindliche Instrumente auf den einzelnen Draht legen und versuchen, dies zu erkennen.Das wäre aber eher so, als würde man den Link als Testinstrument verwenden.Die unabhängige Schaltung würde immer noch eine eigene Stromversorgung benötigen.

CAPACITANCE

Nur um etwas anderes als die obigen Antworten zu sagen, obwohl es Loren ähnlich ist.

Ohne Schleife haben Sie einen Kondensator.Die Spannungsdifferenz bewegte Ladungen zu jeder Seite des Leiters, bis entweder: Die gegenseitige Abstoßung der Ladungen verhindert, dass sich weitere Ladungen ansammeln, oder die aufgebauten Ladungen entladen sich an einen Ort mit einem niedrigeren Potential, wodurch die Ladungen ausgeglichen werden.

In unserer Welt dreht sich alles um das Gleichgewicht. Kräfte aller Art können ein Ungleichgewicht erzeugen und eine Art Fluss auslösen, der versucht, ein Gleichgewicht zu erreichen, in dem alles ausgeglichen ist. Die gezeigte Schaltung hat 2 Schleifen mit jeweils einer eigenen Stromquelle. Stellen Sie sich stattdessen vor, dass dies Aquarienpumpen waren, die in jedem Kreislauf Wasser pumpten, und dass die Drähte Kunststoffrohre mit fließendem Wasser waren. Wenn Sie ein Kunststoffrohr zwischen den beiden Schleifen anschließen, würden Sie nicht erwarten, dass Wasser durch dieses Verbindungsrohr fließt. Abgesehen davon, dass es nicht intuitiv ist, würde kein Wasser fließen, da es keinen Druckunterschied zwischen den beiden Kreisläufen gibt - sie sind unabhängig voneinander und nur an einem Punkt verbunden, im Wesentlichen miteinander geerdet. Immer wenn es einen Fluss gibt, muss es ein "geht rein" und ein "geht raus" geben. Ein Klimakanal, der in einen Raum führt, würde ohne eine Rückluftöffnung oder die Fähigkeit der Luft, durch die Tür zum Raum zu strömen, nicht viel nützen. Wasser kann eine Flasche nicht auf den Kopf stellen, es sei denn, Luftblasen können eindringen, um das austretende Wasser zu ersetzen. Wasser, Luft, Elektronen, alles, was fließt, erfordert einen Ausgang und einen Eingang sowie eine Art Kraft, um den Fluss zu initiieren. In der Elektrizität wird die Kraft oder der Druck in Volt gemessen

Es liegt einfach an der KCL (Kirchoffs aktuelles Gesetz), d. h. dem Gesetz der Gebührenerhaltung.Gebühren können weder erstellt noch zerstört werden.Das passiert hier.Wenn Sie sich die Schleife als geschrumpften Punkt vorstellen, gibt es nur einen Einlass für den Ladungsfluss, aber keinen Auslass.Deshalb fließt im Zwischendraht kein Strom.In einem anderen Fall kann jedoch Strom fließen, wenn wir eine Schleife mit Einlass und Auslass haben.