Ich habe da mal eine Frage aus Neugier. Wie schnell ist Elektrizität in einem üblichen Kabel? Ein einzelner Elektron das sich in einem Kabel bewegt, benötigt eine gewisse Zeit, um von A nach B zu gelangen. Aber der Fluss der Elektronen im gesamten Kabel beginnt augenblicklich. Ist das korrekt? Falls ja, beginnt dieser Fluss wirklich ohne jede messbare Verzögerung oder gibt es da sehr wohl minimale Zeitspannen? Wer kann mal richtig aufklären? ^^
Ok ich muss mich selber kurz korrigieren. Das "augenblickliche" fließen des Stroms wäre wohl durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.
Hallo Ein Elektron bewegt sich in einem Leiter soweit ich mich erinnere mit gut 0,5 cm / Sekunde, sprich, du könntest locker daneben herlaufen. Wieso nun aber das Licht direkt angeht? Stell dir einen Leiter vor, wie einen Gartenschlauch der gefüllt ist mit Wasser. Sobald du die Wasserleitung aufdrehst, befindet sich ja schon Wasser im ganzen Schlauch (vorrausgesetzt du leerst ihn nicht :P) Das selbe ist auch so bei Strom. Ein Leiter ist ständig randvoll mit Elektronen, legst du eine Spannung an, schiessen die Elektronen welche bereits beim Verbraucher sind direkt in diesen hinein. Die Ausbreitung eines solchen Signales geschieht ungefähr mit 2/3 Lichtgeschwindigkeit. Hoffe konnte helfen.
Igor99 schrieb: > Ich habe da mal eine Frage aus Neugier. Wie schnell ist > Elektrizität in > einem üblichen Kabel? > > Ein einzelner Elektron das sich in einem Kabel bewegt, benötigt eine > gewisse Zeit, um von A nach B zu gelangen. Ja. Das ist gar nicht mal viel. Es sind wenige cm pro Sekunde. > Aber der Fluss der Elektronen im gesamten Kabel beginnt augenblicklich. Richtig, da die Wechselwirkung zwischen den Elektronen auch ohne Stromfluss besteht. > Ist das korrekt? Falls ja, beginnt dieser Fluss wirklich ohne jede > messbare Verzögerung oder gibt es da sehr wohl minimale Zeitspannen? Was heißt verzögerungen? Stell Dir einen Schlauch vor, der vollständig mit Wasser gefüllt ist. Das Wasser sind dabei die freien Elektronen. Schiebst Du nun von einer Seite aus Wasser herein, will es ohne Umschweife auf der anderen Seite wieder heraus. Das Wasser selbst bewegt sich dabei mit einer sehr geringen Geschwindigkeit, der Vorgang hingegen, dass Wasser raus muss, solange welches hineinkommt, geschieht zeitlos*. Der elektrische Strom ist in dieser Analogie die Flussgeschwindigkeit des Wassers. Wenn man jetzt davon ausgeht, dass eine Seite des Schlauches höher liegt, als die andere Seite, so gibt es durch das Gefälle einen Druck im Schlauch. Dieser Druck ist die elektrische Spannung. *praktisch nicht zeitlos, da der Schlauch nachgibt, Wasser in begrenztem Maße kompremierbar ist...
Martin Schwaikert schrieb: >> Ist das korrekt? Falls ja, beginnt dieser Fluss wirklich ohne jede >> messbare Verzögerung oder gibt es da sehr wohl minimale Zeitspannen? Ganz vergessen: Real muss zuerst ein Elektron rein, bevor es auf der anderen Seite heraus kann. Der "Impuls" zwischen den Elektronen bewegt sich ebenfalls mit einer endlichen (Licht-)Geschwindigkeit, die die Konstante "c" trägt.
Martin Schwaikert schrieb: > Martin Schwaikert schrieb: >>> Ist das korrekt? Falls ja, beginnt dieser Fluss wirklich ohne jede >>> messbare Verzögerung oder gibt es da sehr wohl minimale Zeitspannen? > > Ganz vergessen: > > Real muss zuerst ein Elektron rein, bevor es auf der anderen Seite > heraus kann. Der "Impuls" zwischen den Elektronen bewegt sich ebenfalls > mit einer endlichen (Licht-)Geschwindigkeit, die die Konstante "c" > trägt. Ja. Elektronen haben eine Masse, das heisst, sie koennen sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (sonst waere die notwendige Energie ->unendlich). Deswegen ist zumindest das "zugeben" und "entfernen" der Elektronen langsam. Der Impuls pflanzt sich dann mit nahezu Lichtgeschwindigkeit fort ( ist aber nicht "c" da fuer die Lichtgeschwindkeit in Materie c< gilt)
Martin Schwaikert schrieb: > geschieht > zeitlos Nö, mit der Schallgeschwindigkeit des Systems Wasser-Schlauch. Das ist schnell, aber nicht unendlich schnell.
Nicolas S. schrieb: > Martin Schwaikert schrieb: >> geschieht >> zeitlos > > Nö, mit der Schallgeschwindigkeit des Systems Wasser-Schlauch. Das ist > schnell, aber nicht unendlich schnell. "*" wegrationalisiert ;-)
Danke für die interessanten Antworten, habe nun eine genauere Vorstellung davon.
Die Geschwindigkeit eines Elektrons ist so niedrig in einem Kupferkabel weil die Elektonendichte so hoch ist. In einem Halbleiter ist die (freie) Elektronendichte 10^6 kleiner, dort fliessen die Elektronen recht flott. Bis zu 85000m/s /Sättigungsdriftgeschwindigkeit)
Hm, eigentlich eine sehr interessante Frage... <klugscheissmodus> der TO suchte vermutlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellenfront, hervorgerufen durch den Einheitssprung am Vierpoleingang. Also ein elektrodynamisches Problem entlang der Leiter*schleifen*-*oberfläche*. Der Leiter leitet ja erst mal nichts da er wegen seiner Leitfähigkeit ja im inneren praktisch Feldfrei ist... also muss mal wieder der maxwellsche Zaubertrick mit der Verschiebungsstromdichte herhalten. Der Einheitssprung wird entlang der Leitung in der Phase verschmiert, zerläuft dann, und endet im stationären Zustand mit echter Elektronenleitung mit der bekannten Driftgeschwindigkeit. Ich hoffe ich liege nicht ganz daneben ;-) Evtl. kann das mal ein Physiker richtig erklären.
@michi42 >Ich hoffe ich liege nicht ganz daneben ;-) Aber zimmlich! Du bringst da einiges durcheinder, dass nix mit dem Thema zu tun hat! Von Wellenfronten spricht man bei der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen, also H- E-Felder im nichtleidendem Material (Dielektrikum, Luft, Vaccuum). >Der Einheitssprung wird entlang der Leitung in der Phase verschmiert Hierbei geht es um "Dispersion"
@psavr Nun, ich bin wie gesagt kein Physiker und für mich hat bisher der Verkürzungsfaktor gereicht. Aber ich würde schon gerne wissen wie das nun richtig funktioniert. Zur Vereinfachung sollten wir uns auf igendeine Geometrie einigen. Z.B. eine Stegleitung oder eine koaxiale Leitung. Ob nun offen oder geschlossen sei mal dahingestellt. Damit hat das Ding auch einen definierten Wellenwiderstand und eine Dämpfung - kurz gesagt eine bekannte Übertragungsfunktion. Nun wird die Leitung "eingeschaltet". Also z.B. eine Spannung von 1V in 0-Zeit auf den Eingang aufgeprägt. Das ist nicht sehr Geichstromähnlich oder? Nach der Fouriertransformation sehe ich da ein theoretisch unendliches Spektrum. Jeder Frequenzanteil läuft unterschiedlich schnell zum Ende der Leitungfalls da die Heaviside-Bedingung verletzt ist (für normale Leitungen ist sie das immer. Ob sie darunter leidet glaub ich jedoch eher nicht) Dazu hätte ich auch "Dispersion" sagen können, das klingt auch viel besser. Um dem elenden Thema Gruppen/Phasen/Signallaufzeit zu entgehen hätte ich jetzt als Signalübertragungszeit oder Wellenfront die erste von 0 verschiedene Reaktion am Ausgang bezeichnet. Ich dachte, das wäre eine brauchbare Definition. Damit wir uns nicht auch noch mit Reflexionen plagen müssen, hätte ich mal angenommen die Leitung sei impedanzrichtig abgeschlossen. Also alles weit weg vom stationären Fall. Soweit zu unserem Spielfeld, jetzt die Frage: Wie kommt denn nun das erste bischen Leistung an unserem Abschlusswiderstand an? (Die Leitung nimmt ganz klarer Weise sofort Leistung auf - egal was hinten dranhängt. Solange die Welle noch nicht wieder zurück ist "weiss" der Eingang nichts davon) Der Leiter wird wohl nicht durchströmt. Er leitet ja und ist daher zwangsweise (praktisch) feldfrei. Also muss der Einschaltvorgang ja doch irgendein E&H Feld Transport sein oder? Im eingeschwungen Zustand strömt's dann so vor sich hin. Wie gesagt, wäre nett wenn es mal jemand richtig erklären kann.
Michael R. schrieb: > Damit wir uns nicht auch noch mit Reflexionen plagen müssen, hätte ich > mal angenommen die Leitung sei impedanzrichtig abgeschlossen. Den Satz könntest du teuer an ne HiFi-"Fach"-Zeitschrift verkaufen, damit die für den nächsten 1000€/m Kabeltest mal was neues schreiben können;-) Im Heiend Bereich machen die Elektronen nämlich noch viel verrücktere Sachen. Da gibt es richtungsgebundene Wechselstromkabel und dergleichen..
Peter S. schrieb: > @michi42 >>Ich hoffe ich liege nicht ganz daneben ;-) > Aber zimmlich! Du bringst da einiges durcheinder, dass nix mit dem Thema > zu tun hat! > > Von Wellenfronten spricht man bei der Ausbreitung von > elektromagnetischen Wellen, also H- E-Felder im nichtleidendem Material Das halte ich für ein großes Gerücht. Von Wellenfronten spricht man bei Wellen jeglicher Art, zum Beispiel ist die Geschwindigkeit der Wellenfront von Druckwellen in Luft (AKA Schall) 343m/s. Im übrigen geschieht auch bei Kabeln der Energietransport über E/H Felder um den Leiter herum. Von daher ist es hier völlig richtig von Wellenfronten und deren Geschwindigkeiten zu sprechen.
Die Wellengeschwindigkeit in einen elektrischen Leiter ist gleich der Lichtgeschwindigkeit in diesen Leiter. Das ist von Leiter zu Leiter leicht unterschiedlich aber eine EM-Welle in einen Kabel kommt in einer Sekunde so ca. 7,5 mal um die Erde. Die statistische Elektronengeschwindigkeit in einen Leiter ist abhängig von der Elektronendichte im Material und reicht von der Schrittgeschwindigkeit bis so etwa zu Schallgeschwindigkeit, variiert also sehr stark. Grüße Löti
Hallo, schon vor längerer Zeit hatte ich mich mit dieser Übrlegung beschäftigt und bin dabei - auf der Suche nach der Lösung - beim Landesbildungsserver Baden-Württemberg fündig geworden. [http://www.schule-bw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_2/teilchenfeld/geschwelektronen.htm] Dieser Link beantwortet die Frage des TO umfassend, ausführlich und verständlich. mfg Ottmar
> Dieser Link beantwortet die Frage des TO umfassend, ausführlich und > verständlich. Na ja, jede dieser oberflächlichen Erklärungen sagt nicht, welcher Strom im ersten Moment in eine Leitung fliesst, wenn die Spannungsquelle doch erst mit Verzögerung durch die Lichtgeschwindigkeit erfahren kann, welche Last (welcher Widerstand, im einfachsten Fall) am Ende der Leitung hängt, welcher Strom also für I=U/R notwendig sein kann. http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.19
@MaWin ja, ist schon klar das die Impedanz der Quelle und die der Leitung im Einschaltmoment die Spannung und die Stromaufnahme der Leitung bestimmen (egal was hinten hängt), aber über den Energietransportmechanismus sagt das auch nichts genaues. Ich hätte gerne mehr gewusst über die Ausbreitung der EM-Wellenfront am Leiter entlang. (nicht IM Leiter, der dürfte praktisch E-Feld frei sein) Insofern halte ich das Schlauch-Modell also Ausbreitung a'la "elastischen Stoß der freien Ladungsträger" für falsch. Die Reihung der diskreten Bauteile beschreibt es schon besser, aber auch durch die fließt ja ein "echter" Strom. btw. Das mit dem Verschiebungsströmen fand ich schon immer etwas "fishy" aber ohne die gehen die Maxwellgleichungen wohl nicht auf. Wenn die falsch sein sollten, sind sie zumindest so gut "falsch" dass es bisher nur den Skalarwellenforschern aufgefallen ist ;-) Wie gesagt, das ist was für Physiker.
@Ottmar K. Es geht dem Fragesteller wohl weniger um die Driftgeschwindigkeit der Elektronen im Draht, sondern um die Geschwindigkeit der Signalausbreitung. Da diese üblicherweise mit TDR Meßgeräten ermittelt resp. benötigt wird, sollte man dort nachlesen http://en.wikipedia.org/wiki/Time-domain_reflectometer Zitat von unterhalb "Example traces": " The propagation velocity of this cable is approximately 66% of the speed of light in a vacuum." Also 2/3 der Lichtgeschwindigkeit c. In der ganz realen Praxis sind diese Werte vom Typ (der Qualität) des verwendeten Kabels abhängig und liegen zwischen 0,5 und 0,8 *c. Freileitungen liegen fast bei c. Siehe auch http://www.inw.hs-merseburg.de/~viuser/Links/Anleitung%202.pdf Seite 18ff. Sowie Beitrag "Signalgeschwindigkeit in einem Leiter messen (2,45GHz)" Gruss
michi42 schrieb: > Der Leiter leitet ja erst mal nichts da er wegen seiner Leitfähigkeit ja > im inneren praktisch Feldfrei ist Nicht wirlich. Das Feld erstreckt sich über die gesamte >Länge< des Leiters.
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