Elektrischer Strom – Wikipedia

Elektrischer Ladungsfluss

Elektrischer Strom
Ein einfacher Stromkreis, bei dem der Strom durch den Buchstaben . dargestellt wird ich. Die Beziehung zwischen Spannung (V), Widerstand (R) und Strom (I) ist V=IR; dies ist als Ohmsches Gesetz bekannt.
after-content-x4 Gemeinsame Symbole	ich
SI-Einheit	Ampere
Ableitungen von andere Mengen	${displaystyle I={V over R},I={Q over t}}$
Abmessungen	${displaystyle {mathsf {I}}}$

Ein elektrischer Strom ist ein Strom geladener Teilchen wie Elektronen oder Ionen, der sich durch einen elektrischen Leiter oder Raum bewegt. Sie wird als Nettofluss elektrischer Ladung durch eine Oberfläche oder in ein Kontrollvolumen gemessen.^[1]:2[2]:622 Die sich bewegenden Partikel werden Ladungsträger genannt, die je nach Leiter eine von mehreren Arten von Partikeln sein können. In elektrischen Schaltkreisen sind die Ladungsträger oft Elektronen, die sich durch einen Draht bewegen. In Halbleitern können dies Elektronen oder Löcher sein. In einem Elektrolyten sind die Ladungsträger Ionen, während sie im Plasma, einem ionisierten Gas, Ionen und Elektronen sind.^[3]

Die SI-Einheit des elektrischen Stroms ist Ampere oder Ampere, das ist der elektrische Ladungsfluss über eine Oberfläche mit einer Geschwindigkeit von einem Coulomb pro Sekunde. Das Ampere (Symbol: A) ist eine SI-Basiseinheit^{[4]:fünfzehn} Der elektrische Strom wird mit einem Gerät namens Amperemeter gemessen.^[2]:788

Elektrische Ströme erzeugen Magnetfelder, die in Motoren, Generatoren, Induktivitäten und Transformatoren verwendet werden. In gewöhnlichen Leitern verursachen sie eine Joulesche Erwärmung, die in Glühbirnen Licht erzeugt. Zeitveränderliche Ströme senden elektromagnetische Wellen aus, die in der Telekommunikation zum Senden von Informationen verwendet werden.

Symbol

Das konventionelle Symbol für Strom ist ich, die aus dem französischen Ausdruck stammt intensité du courant, (Stromstärke).^[5][6] Stromstärke wird oft einfach als Strom.^[7] Das ich Das Symbol wurde von André-Marie Ampère, nach dem die Einheit des elektrischen Stroms benannt ist, bei der Formulierung des Ampèreschen Kraftgesetzes (1820) verwendet.^[8] Die Notation wanderte von Frankreich nach Großbritannien, wo sie zum Standard wurde, obwohl sich mindestens eine Zeitschrift durch die Verwendung nicht änderte C zu ich bis 1896.^[9]

Konventionen

Die Elektronen, die Ladungsträger in einem Stromkreis, fließen entgegengesetzt zum herkömmlichen elektrischen Strom.

In einem leitfähigen Material werden die sich bewegenden geladenen Teilchen, die den elektrischen Strom bilden, als Ladungsträger bezeichnet. In Metallen, die die Drähte und anderen Leiter in den meisten Stromkreisen bilden, werden die positiv geladenen Atomkerne der Atome in einer festen Position gehalten, und die negativ geladenen Elektronen sind die Ladungsträger, die sich im Metall frei bewegen können. In anderen Materialien, insbesondere Halbleitern, können die Ladungsträger positiv sein oder negativ, je nach verwendetem Dotierstoff. Es können sogar gleichzeitig positive und negative Ladungsträger vorhanden sein, wie dies bei einem Elektrolyten in einer elektrochemischen Zelle der Fall ist.

Ein positiver Ladungsfluss gibt den gleichen elektrischen Strom und hat in einem Stromkreis die gleiche Wirkung wie ein gleicher negativer Ladungsfluss in die entgegengesetzte Richtung. Da Strom der Fluss positiver oder negativer Ladungen oder beides sein kann, ist eine Konvention für die Stromrichtung erforderlich, die unabhängig von der Art der Ladungsträger ist. Die Richtung von konventioneller Strom ist willkürlich definiert als die Richtung, in der positive Ladungen fließen. Negativ geladene Ladungsträger, wie beispielsweise die Elektronen (die Ladungsträger in Metalldrähten und vielen anderen elektronischen Schaltungskomponenten), fließen daher in einer elektrischen Schaltung in entgegengesetzter Richtung zum herkömmlichen Stromfluss.

Referenzrichtung

Ein Strom in einem Draht- oder Schaltungselement kann in eine von zwei Richtungen fließen. Beim Definieren einer Variablen

Um den Strom darzustellen, muss die Richtung für den positiven Strom angegeben werden, in der Regel durch einen Pfeil im Schaltplan.^[a]:13 Das nennt man Referenzrichtung des Stroms

. Bei der Analyse elektrischer Schaltungen ist die tatsächliche Stromrichtung durch ein bestimmtes Schaltungselement normalerweise unbekannt, bis die Analyse abgeschlossen ist. Folglich werden die Bezugsrichtungen von Strömen oft willkürlich zugewiesen. Wenn die Schaltung gelöst ist, bedeutet ein negativer Wert für den Strom, dass die tatsächliche Stromrichtung durch dieses Schaltungselement der gewählten Bezugsrichtung entgegengesetzt ist.^[b]:29

Ohm’sches Gesetz

Das Ohmsche Gesetz besagt, dass der Strom durch einen Leiter zwischen zwei Punkten direkt proportional zur Potenzialdifferenz an den beiden Punkten ist. Einführung der Proportionalitätskonstante, des Widerstands,^[11] gelangt man zu der üblichen mathematischen Gleichung, die diesen Zusammenhang beschreibt:^[12]

${displaystyle I={frac {V}{R}}}$

wo ich ist der Strom durch den Leiter in Ampereeinheiten, V ist die gemessene Potentialdifferenz über der Leiter in Volt, und R ist der Widerstand des Leiters in Ohm. Genauer gesagt besagt das Ohmsche Gesetz, dass die R in dieser Beziehung ist konstant, unabhängig vom Strom.^[13]

Wechsel- und Gleichstrom

In Wechselstromsystemen (AC) kehrt die Bewegung der elektrischen Ladung periodisch die Richtung um. Wechselstrom ist die am häufigsten an Unternehmen und Wohnungen gelieferte Form von elektrischem Strom. Die übliche Wellenform eines Wechselstromkreises ist eine Sinuswelle, obwohl bestimmte Anwendungen alternative Wellenformen verwenden, wie beispielsweise Dreiecks- oder Rechteckwellen. Audio- und Funksignale, die auf elektrischen Leitungen übertragen werden, sind ebenfalls Beispiele für Wechselstrom. Ein wichtiges Ziel bei diesen Anwendungen ist die Wiederherstellung verschlüsselter (oder moduliert) auf das AC-Signal.

Im Gegensatz dazu bezieht sich Gleichstrom (DC) auf ein System, in dem sich die elektrische Ladung nur in eine Richtung bewegt (manchmal als unidirektionaler Fluss bezeichnet). Gleichstrom wird durch Quellen wie Batterien, Thermoelemente, Solarzellen und elektrische Maschinen vom Kommutatortyp vom Dynamotyp erzeugt. Wechselstrom kann auch durch Verwendung eines Gleichrichters in Gleichstrom umgewandelt werden. Gleichstrom kann in einem Leiter wie einem Draht fließen, kann aber auch durch Halbleiter, Isolatoren oder sogar durch ein Vakuum wie bei Elektronen- oder Ionenstrahlen fließen. Ein alter Name für Gleichstrom war galvanischer Strom.^[14]

Ereignisse

Natürlich beobachtbare Beispiele für elektrischen Strom sind Blitze, statische elektrische Entladungen und der Sonnenwind, die Quelle der Polarlichter.

Zu den vom Menschen verursachten Vorkommen von elektrischem Strom gehören der Fluss von Leitungselektronen in Metalldrähten wie den Freileitungen, die elektrische Energie über große Entfernungen liefern, und den kleineren Drähten in elektrischen und elektronischen Geräten. Wirbelströme sind elektrische Ströme, die in Leitern auftreten, die wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt sind. Ebenso treten elektrische Ströme insbesondere in der Oberfläche von Leitern auf, die elektromagnetischen Wellen ausgesetzt sind. Wenn oszillierende elektrische Ströme mit den richtigen Spannungen innerhalb von Funkantennen fließen, werden Funkwellen erzeugt.

In der Elektronik umfassen andere Formen des elektrischen Stroms den Fluss von Elektronen durch Widerstände oder durch das Vakuum in einer Vakuumröhre, den Fluss von Ionen in einer Batterie oder einem Neuron und den Fluss von Löchern in Metallen und Halbleitern.

Strommessung

Der Strom kann mit einem Amperemeter gemessen werden.

Elektrischer Strom kann direkt mit einem Galvanometer gemessen werden, aber bei dieser Methode wird der Stromkreis unterbrochen, was manchmal unpraktisch ist.

Der Strom kann auch gemessen werden, ohne den Stromkreis zu unterbrechen, indem das mit dem Strom verbundene Magnetfeld erfasst wird. Geräte auf Schaltungsebene verwenden verschiedene Techniken zur Strommessung:

Widerstandsheizung

Joulesche Erwärmung, auch bekannt als Ohmsche Heizung und Widerstandsheizung, ist der Prozess der Verlustleistung^[17]:36 bei dem der Durchgang eines elektrischen Stroms durch einen Leiter die innere Energie des Leiters erhöht,^[18]:846 Umwandlung thermodynamischer Arbeit in Wärme.^{[18]:846, fn. 5} Das Phänomen wurde erstmals 1841 von James Prescott Joule untersucht. Joule tauchte ein Stück Draht in eine feste Wassermasse und maß 30 Minuten lang den Temperaturanstieg aufgrund eines bekannten Stroms durch den Draht. Durch Variation des Stroms und der Länge des Drahtes folgerte er, dass die erzeugte Wärme proportional zum Quadrat des Stroms multipliziert mit dem elektrischen Widerstand des Drahtes war.

${displaystyle Ppropto I^{2}R}$

Diese Beziehung ist als Joulesches Gesetz bekannt.^[17]:36 Die SI-Einheit der Energie wurde später Joule genannt und erhielt das Symbol J.^[4]:20 Die allgemein bekannte SI-Einheit der Leistung, das Watt (Symbol: W), entspricht einem Joule pro Sekunde.^[4]:20

Elektromagnetismus

Elektromagnet

Ein magnetisches Feld wird durch einen elektrischen Strom in einem Solenoid erzeugt.

In einem Elektromagneten verhält sich eine Drahtspule wie ein Magnet, wenn ein elektrischer Strom durch sie fließt. Beim Abschalten des Stroms verliert die Spule sofort ihren Magnetismus. Elektrischer Strom erzeugt ein magnetisches Feld. Das Magnetfeld kann man sich als Muster kreisförmiger Feldlinien vorstellen, die den Draht umgeben und bestehen bleiben, solange Strom anliegt.

Elektromagnetische Induktion

Durch den Elektromagneten fließt ein alternierender elektrischer Strom, der ein sich änderndes Magnetfeld erzeugt. Dieses Feld bewirkt, dass durch elektromagnetische Induktion ein elektrischer Strom in der Drahtschleife fließt.

Magnetfelder können auch verwendet werden, um elektrische Ströme zu erzeugen. Wenn ein sich änderndes Magnetfeld an einen Leiter angelegt wird, wird eine elektromotorische Kraft (EMF) induziert,^[18]:1004 die einen elektrischen Strom in Gang setzt, wenn ein geeigneter Pfad vorhanden ist.

Radiowellen

Wenn ein elektrischer Strom bei Hochfrequenzen in einem geeignet geformten Leiter fließt, können Funkwellen erzeugt werden. Diese bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und können in entfernten Leitern elektrische Ströme verursachen.

Leitungsmechanismen in verschiedenen Medien

In metallischen Festkörpern fließt elektrische Ladung mittels Elektronen von niedrigeren zu höheren elektrischen Potentialen. In anderen Medien kann jeder Strom geladener Objekte (z. B. Ionen) einen elektrischen Strom darstellen. Um den Strom unabhängig von der Art der Ladungsträger zu definieren, konventioneller Strom ist definiert als Bewegung in die gleiche Richtung wie der positive Ladungsfluss. In Metallen, in denen die Ladungsträger (Elektronen) negativ sind, verläuft der konventionelle Strom also in die entgegengesetzte Richtung zur gesamten Elektronenbewegung. In Leitern, in denen die Ladungsträger positiv sind, fließt der konventionelle Strom in die gleiche Richtung wie die Ladungsträger.

Im Vakuum kann sich ein Ionen- oder Elektronenstrahl bilden. In anderen leitfähigen Materialien entsteht der elektrische Strom durch den gleichzeitigen Fluss von positiv und negativ geladenen Teilchen. Bei noch anderen ist der Strom vollständig auf einen positiven Ladungsfluss zurückzuführen. Zum Beispiel sind die elektrischen Ströme in Elektrolyten Ströme von positiv und negativ geladenen Ionen. In einer üblichen elektrochemischen Blei-Säure-Zelle bestehen elektrische Ströme aus positiven Hydroniumionen, die in eine Richtung fließen, und negativen Sulfationen, die in die andere Richtung fließen. Elektrische Ströme in Funken oder Plasma sind Ströme von Elektronen sowie positiven und negativen Ionen. In Eis und in bestimmten Festelektrolyten besteht der elektrische Strom vollständig aus fließenden Ionen.

Metalle

In einem Metall sind einige der äußeren Elektronen in jedem Atom nicht an die einzelnen Moleküle gebunden wie bei molekularen Festkörpern oder in vollen Bändern wie bei isolierenden Materialien, sondern können sich innerhalb des Metallgitters frei bewegen. Diese Leitungselektronen können als Ladungsträger dienen und einen Strom führen. Metalle sind besonders leitfähig, weil es viele dieser freien Elektronen gibt, typischerweise eines pro Atom im Gitter. Wenn kein externes elektrisches Feld angelegt wird, bewegen sich diese Elektronen aufgrund der thermischen Energie zufällig, aber im Durchschnitt gibt es keinen Nettostrom innerhalb des Metalls. Bei Raumtemperatur beträgt die durchschnittliche Geschwindigkeit dieser zufälligen Bewegungen 10⁶ Meter pro Sekunde.^[19] Bei einer Oberfläche, die ein Metalldraht durchquert, bewegen sich Elektronen mit gleicher Geschwindigkeit in beide Richtungen über die Oberfläche. Wie George Gamow in seinem populärwissenschaftlichen Buch schrieb: Eins, Zwei, Drei…Unendlich (1947), “Die metallischen Stoffe unterscheiden sich von allen anderen Materialien dadurch, dass die äußeren Schalen ihrer Atome eher lose gebunden sind und oft eines ihrer Elektronen frei lassen. So ist das Innere eines Metalls mit einem großen Ungebundene Elektronen, die sich ziellos wie eine Schar Vertriebener bewegen.Wenn ein Metalldraht an seinen gegenüberliegenden Enden einer elektrischen Kraft ausgesetzt wird, sausen diese freien Elektronen in Richtung der Kraft und bilden so einen sogenannten elektrischen Strom. ”

Wenn ein Metalldraht zwischen den beiden Anschlüssen einer Gleichspannungsquelle wie einer Batterie angeschlossen wird, legt die Quelle ein elektrisches Feld über den Leiter. In dem Moment, in dem der Kontakt hergestellt wird, werden die freien Elektronen des Leiters unter dem Einfluss dieses Feldes gezwungen, in Richtung des Pluspols zu driften. Die freien Elektronen sind daher die Ladungsträger in einem typischen massiven Leiter.

Für einen stetigen Ladungsfluss durch eine Oberfläche ist der Strom ich (in Ampere) lässt sich mit folgender Gleichung berechnen:

${displaystyle I={Q over t},,}$

wo Q ist die elektrische Ladung, die über eine Zeit durch die Oberfläche übertragen wird t. Wenn Q und t werden in Coulomb bzw. Sekunden gemessen, ich ist in Ampere.

Allgemeiner kann elektrischer Strom als die Geschwindigkeit dargestellt werden, mit der Ladung durch eine gegebene Oberfläche fließt, als:

${displaystyle I={frac {mathrm {d} Q}{mathrm {d} t}},.}$

Elektrolyte

Elektrische Ströme in Elektrolyten sind Ströme von elektrisch geladenen Teilchen (Ionen). Wenn zum Beispiel ein elektrisches Feld über eine Lösung von Na . angelegt wird⁺ und Cl⁻ (und die Bedingungen sind richtig) bewegen sich die Natriumionen in Richtung der negativen Elektrode (Kathode), während sich die Chloridionen in Richtung der positiven Elektrode (Anode) bewegen. An beiden Elektrodenoberflächen finden Reaktionen statt, die jedes Ion neutralisieren.

Wassereis und bestimmte Festelektrolyte, die als Protonenleiter bezeichnet werden, enthalten positive Wasserstoffionen (“Protonen”), die beweglich sind. In diesen Materialien bestehen elektrische Ströme aus sich bewegenden Protonen, im Gegensatz zu den sich bewegenden Elektronen in Metallen.

In bestimmten Elektrolytmischungen sind bunte Ionen die beweglichen elektrischen Ladungen. Der langsame Verlauf der Farbe macht den Strom sichtbar.^[20]

Gase und Plasmen

In Luft und anderen gewöhnlichen Gasen unterhalb des Durchbruchsfeldes sind relativ wenige bewegliche Ionen, die von radioaktiven Gasen, ultraviolettem Licht oder kosmischer Strahlung erzeugt werden, die dominierende Quelle der elektrischen Leitung. Da die elektrische Leitfähigkeit gering ist, sind Gase Dielektrika oder Isolatoren. Sobald sich jedoch das angelegte elektrische Feld dem Durchschlagswert nähert, werden freie Elektronen durch das elektrische Feld ausreichend beschleunigt, um zusätzliche freie Elektronen durch Zusammenstoßen und Ionisieren neutraler Gasatome oder -moleküle in einem als Lawinendurchbruch bezeichneten Prozess zu erzeugen. Der Durchschlagsprozess bildet ein Plasma, das genügend bewegliche Elektronen und positive Ionen enthält, um es zu einem elektrischen Leiter zu machen. Dabei bildet es eine lichtemittierende Leiterbahn, beispielsweise einen Funken, Lichtbogen oder Blitz.

Plasma ist der Aggregatzustand, bei dem einige der Elektronen in einem Gas von ihren Molekülen oder Atomen abgezogen oder “ionisiert” werden. Ein Plasma kann durch hohe Temperatur oder durch Anlegen eines starken elektrischen oder magnetischen Wechselfeldes, wie oben erwähnt, gebildet werden. Aufgrund ihrer geringeren Masse beschleunigen die Elektronen in einem Plasma als Reaktion auf ein elektrisches Feld schneller als die schwereren positiven Ionen und tragen daher den Großteil des Stroms. Die freien Ionen rekombinieren, um neue chemische Verbindungen zu bilden (z [O₂ → 2O], die dann rekombinieren, um Ozon zu erzeugen [O₃]).^[21]

Vakuum

Da ein „perfektes Vakuum“ keine geladenen Teilchen enthält, verhält es sich normalerweise wie ein perfekter Isolator. Metallelektrodenoberflächen können jedoch bewirken, dass ein Bereich des Vakuums leitfähig wird, indem freie Elektronen oder Ionen entweder durch Feldelektronenemission oder thermionische Emission injiziert werden. Die thermionische Emission tritt auf, wenn die thermische Energie die Austrittsarbeit des Metalls überschreitet, während die Feldelektronenemission auftritt, wenn das elektrische Feld an der Oberfläche des Metalls hoch genug ist, um ein Tunneln zu verursachen, was zum Ausstoß freier Elektronen aus dem Metall in das Vakuum führt. Zur Erzeugung einer Elektronenwolke werden oft von außen beheizte Elektroden verwendet, wie in der Glühwendel oder indirekt beheizten Kathode von Vakuumröhren. Kalte Elektroden können auch spontan Elektronenwolken durch thermionische Emission erzeugen, wenn kleine glühende Bereiche (genannt Kathodenflecken oder Anodenflecken) sind geformt. Dies sind glühende Bereiche der Elektrodenoberfläche, die durch einen lokalisierten hohen Strom erzeugt werden. Diese Bereiche können durch Feldelektronenemission initiiert werden, werden dann aber durch lokalisierte thermionische Emission aufrechterhalten, sobald sich ein Vakuumbogen bildet. Diese kleinen Elektronen emittierenden Bereiche können sich auf einer Metalloberfläche, die einem hohen elektrischen Feld ausgesetzt ist, ziemlich schnell, sogar explosionsartig bilden. Vakuumröhren und Sprytrons sind einige der elektronischen Schalt- und Verstärkungsgeräte, die auf der Vakuumleitfähigkeit basieren.

Supraleitung

Supraleitung ist ein Phänomen, bei dem der elektrische Widerstand genau null ist und die Magnetfelder in bestimmten Materialien beim Abkühlen unter eine charakteristische kritische Temperatur ausgestoßen werden. Es wurde von Heike Kamerlingh Onnes am 8. April 1911 in Leiden entdeckt. Wie Ferromagnetismus und atomare Spektrallinien ist Supraleitung ein quantenmechanisches Phänomen. Sie zeichnet sich durch den Meissner-Effekt aus, den vollständigen Auswurf magnetischer Feldlinien aus dem Inneren des Supraleiters beim Übergang in den supraleitenden Zustand. Das Auftreten des Meissner-Effekts weist darauf hin, dass Supraleitung nicht einfach als Idealisierung von . verstanden werden kann perfekte Leitfähigkeit in der klassischen Physik.

Halbleiter

In einem Halbleiter ist es manchmal nützlich, sich den Strom als Folge des Flusses positiver “Löcher” vorzustellen (die beweglichen positiven Ladungsträger, an denen dem Halbleiterkristall ein Valenzelektron fehlt). Dies ist bei einem Halbleiter vom p-Typ der Fall. Ein Halbleiter hat eine elektrische Leitfähigkeit, die zwischen der eines Leiters und eines Isolators liegt. Dies bedeutet eine Leitfähigkeit ungefähr im Bereich von 10^-2 bis 10⁴Siemens pro Zentimeter (S⋅cm^-1).

In den klassischen kristallinen Halbleitern können Elektronen nur Energien innerhalb bestimmter Bänder (dh Energieniveaubereiche) haben. Energetisch liegen diese Bänder zwischen der Energie des Grundzustands, dem Zustand, in dem Elektronen fest an die Atomkerne des Materials gebunden sind, und der freien Elektronenenergie, letztere beschreibt die Energie, die ein Elektron benötigt, um vollständig aus dem Material. Die Energiebänder entsprechen jeweils vielen diskreten Quantenzuständen der Elektronen, und die meisten Zustände mit niedriger Energie (näher am Kern) sind besetzt, bis zu einem bestimmten Band namens Valenzband. Halbleiter und Isolatoren unterscheiden sich von Metallen dadurch, dass das Valenzband eines jeden Metalls unter normalen Betriebsbedingungen fast mit Elektronen gefüllt ist, während nur sehr wenige (Halbleiter) oder praktisch keine (Isolatoren) davon in den Leitungsband, das Band direkt über dem Valenzband.

Wie leicht Elektronen im Halbleiter vom Valenzband zum Leitungsband angeregt werden können, hängt von der Bandlücke zwischen den Bändern ab. Die Größe dieser Energiebandlücke dient als willkürliche Trennlinie (ca. 4 eV) zwischen Halbleitern und Isolatoren.

Bei kovalenten Bindungen bewegt sich ein Elektron durch Hüpfen zu einer benachbarten Bindung. Das Pauli-Ausschlussprinzip erfordert, dass das Elektron in den höheren antibindenden Zustand dieser Bindung gehoben wird. Bei delokalisierten Zuständen, zum Beispiel in einer Dimension – also in einem Nanodraht – gibt es für jede Energie einen Zustand mit Elektronenfluss in die eine Richtung und einen anderen Zustand mit Elektronenfluss in die andere Richtung. Damit ein Nettostrom fließen kann, müssen mehr Zustände für eine Richtung als für die andere Richtung besetzt sein. Dazu wird Energie benötigt, da im Halbleiter die nächsthöheren Zustände oberhalb der Bandlücke liegen. Oft wird dies so angegeben: Vollbänder tragen nicht zur elektrischen Leitfähigkeit bei. Wenn die Temperatur eines Halbleiters jedoch über den absoluten Nullpunkt ansteigt, gibt es mehr Energie im Halbleiter, die für Gitterschwingungen und zum Anregen von Elektronen in das Leitungsband verwendet werden kann. Die stromdurchflossenen Elektronen im Leitungsband heißen freie Elektronen, obwohl sie oft einfach genannt werden Elektronen wenn das im Kontext klar ist.

Stromdichte und Ohmsches Gesetz

Die Stromdichte ist die Rate, mit der Ladung durch eine gewählte Flächeneinheit fließt.^[22]:31 Er ist als Vektor definiert, dessen Größe der Strom pro Querschnittsflächeneinheit ist.^[2]:749 Wie in Referenzrichtung besprochen, ist die Richtung beliebig. Wenn die bewegten Ladungen positiv sind, hat die Stromdichte herkömmlicherweise das gleiche Vorzeichen wie die Geschwindigkeit der Ladungen. Bei negativen Ladungen ist das Vorzeichen der Stromdichte der Geschwindigkeit der Ladungen entgegengesetzt.^[2]:749 In SI-Einheiten wird die Stromdichte (Symbol: j) in der SI-Basiseinheit Ampere pro Quadratmeter ausgedrückt.^[4]:22

In linearen Materialien wie Metallen und bei niedrigen Frequenzen ist die Stromdichte über die Leiteroberfläche gleichmäßig. Unter solchen Bedingungen besagt das Ohmsche Gesetz, dass der Strom direkt proportional zur Potenzialdifferenz zwischen zwei Enden (über) dieses metallischen (idealen) Widerstands (oder eines anderen ohmschen Geräts) ist:

${displaystyle I={V over R},,}$

wo

ist der Strom, gemessen in Ampere;

ist die Potentialdifferenz, gemessen in Volt; und

ist der Widerstand, gemessen in Ohm. Bei Wechselströmen, insbesondere bei höheren Frequenzen, führt der Skin-Effekt dazu, dass sich der Strom ungleichmäßig über den Leiterquerschnitt mit höherer Dichte in der Nähe der Oberfläche verteilt, wodurch der Scheinwiderstand erhöht wird.

Driftgeschwindigkeit

Die beweglichen geladenen Teilchen innerhalb eines Leiters bewegen sich ständig in zufällige Richtungen, wie die Teilchen eines Gases. (Genauer gesagt, ein Fermi-Gas.) Um einen Nettoladungsfluss zu erzeugen, müssen sich die Teilchen auch mit einer durchschnittlichen Driftgeschwindigkeit zusammen bewegen. Elektronen sind die Ladungsträger in den meisten Metallen und sie folgen einem unregelmäßigen Weg, hüpfen von Atom zu Atom, driften jedoch im Allgemeinen in die entgegengesetzte Richtung des elektrischen Felds. Die Geschwindigkeit, mit der sie driften, kann aus der Gleichung berechnet werden:

${displaystyle I=nAvQ,,}$

wo

${displaystyle I}$

ist der elektrische Strom

${displaystyle n}$

ist die Anzahl geladener Teilchen pro Volumeneinheit (oder Ladungsträgerdichte)

${displaystyle A}$

ist die Querschnittsfläche des Leiters

${displaystyle v}$

die Driftgeschwindigkeit ist und

${displaystyle Q}$

ist die Ladung jedes Teilchens.

Normalerweise fließen elektrische Ladungen in Feststoffen langsam. Zum Beispiel in einem Kupferdraht mit einem Querschnitt von 0,5 mm², die einen Strom von 5 A führt, liegt die Driftgeschwindigkeit der Elektronen in der Größenordnung von einem Millimeter pro Sekunde. Um ein anderes Beispiel zu nehmen: Im Nahvakuum innerhalb einer Kathodenstrahlröhre bewegen sich die Elektronen in nahezu geraden Linien mit etwa einem Zehntel der Lichtgeschwindigkeit.

Jede sich beschleunigende elektrische Ladung und damit jeder sich ändernde elektrische Strom erzeugt eine elektromagnetische Welle, die sich mit sehr hoher Geschwindigkeit außerhalb der Leiteroberfläche ausbreitet. Diese Geschwindigkeit beträgt normalerweise einen erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, wie aus den Maxwell-Gleichungen abgeleitet werden kann, und ist daher um ein Vielfaches höher als die Driftgeschwindigkeit der Elektronen. In Wechselstromleitungen zum Beispiel breiten sich die Wellen elektromagnetischer Energie durch den Raum zwischen den Drähten aus und bewegen sich von einer Quelle zu einer entfernten Last, obwohl sich die Elektronen in den Drähten nur über eine winzige Entfernung hin und her bewegen.

Das Verhältnis der Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle zur Lichtgeschwindigkeit im freien Raum wird als Geschwindigkeitsfaktor bezeichnet und hängt von den elektromagnetischen Eigenschaften des Leiters und der ihn umgebenden Isoliermaterialien sowie von deren Form und Größe ab.

Die Größen (nicht die Natur) dieser drei Geschwindigkeiten können durch eine Analogie zu den drei ähnlichen Geschwindigkeiten veranschaulicht werden, die mit Gasen verbunden sind. (Siehe auch hydraulische Analogie.)

• Die geringe Driftgeschwindigkeit von Ladungsträgern ist analog zur Luftbewegung; mit anderen Worten, Winde.
• Die hohe Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen entspricht ungefähr der Schallgeschwindigkeit in einem Gas (Schallwellen bewegen sich viel schneller durch die Luft als großräumige Bewegungen wie Konvektion).
• Die zufällige Bewegung von Ladungen ist analog zur Wärme – der thermischen Geschwindigkeit von zufällig schwingenden Gasteilchen.

Siehe auch

Nachschlagen Stromstärke in Wiktionary, dem freien Wörterbuch.

Anmerkungen

Verweise