Physik: Wie schnell ist ein Elektron in einem Kabel?

[BurgerMeister]

Wir haben hier zu 6. lauter Tafelwerke, Physikbücher und Wiki durchsucht, aber haben da nix zu gefunden. hlp plz!

Original geschrieben von Burger-Meister
Wir müssen die Lorentzkraft berechnen.

F(L) = B * I * d
I = n * e0 * q * v

F= B * n * e0 * q * v * d

gegeben sind B, N, e0, q und d. Nur v fehlt uns in der Aufgabenstellung weshalb wir vermuten das es sich um eine Konstante handelt.

 

[Azteke]

allgemein bewegen sich elektronen bzw. storm mit beinahe lichtgeschwindigkeit.. :P

 

[bog]

relativ schnell, es bewegt sich allerdings kein einziges elektron sonderlich weit durch die leitung.

wir haben das mal im physik-profilkurs ausgerechnet, ich weiss aber nicht mehr in welchem zusammenhang man da formeln reinfriemeln kann

 

[BurgerMeister]

Wir müssen die Lorentzkraft berechnen.

F(L) = B * I * d
I = n * e0 * q * v

F= B * n * e0 * q * v * d

gegeben sind B, N, e0, q und d. Nur v fehlt uns in der Aufgabenstellung weshalb wir vermuten das es sich um eine Konstante handelt.

 

[Muthombo]

Der Stromfluss breitet sich fast mit Lichtgeschwindigkeit aus, die mittlere Driftgeschwindigkeit der einzelnen Elektronen ist aber sehr klein und hängt von vielen Faktoren wie der Beweglichkeit im Material und der Temperatur ab.

Ausrechnen kann man sie über die Ladungsträgerdichte, Querschnitt des Leiters und die Stromstärke.

Genauer stehts in Lehrbüchern der Festkörperphysik, z.B. Kittel, Bergmann-Schäfer oder Demtröder.

 

[sChnuCkL]

Elektron = materielles Teilchen

=> v < c , mehr weiß ich auch net

 

[4GT_DosX]

Je nach Spannung welche am Kabel anliegt. Je höher die Spannung desto näher ist die Elektronengeschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit. Ab etwa 512kV muss noch die relativistische Massenzunahme beachtet werden.

 

[4GT_DosX]

ach und noch ne Formel dazu, ohne Massenkorrektur:

Geschwindigkeit = Wurzel(2*Elementarladung/Masse des Elektrons*Spannung)

Elementarladung/Masse des Elektrons beträgt etwa 1,75*10^11 As/kg

 

[Muthombo]

Original geschrieben von 4GT_DosX
Je nach Spannung welche am Kabel anliegt. Je höher die Spannung desto näher ist die Elektronengeschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit. Ab etwa 512kV muss noch die relativistische Massenzunahme beachtet werden.

Das gilt für freie Elektronen auf ballistischen Bahnen im Vakuum, Leitungselektronen in Festkörpern sind aber was völlig anderes und deutlich langsamer.

 

[Dr. Picasso]

v ist fernab der lichtgeschwindigkeit
meines wissens nur wenige meter pro minute

aber da mich das jetzt interessiert, schau ich mal ob ich das auch rechnen kann, brb

 

[Supervisor3]

Also ich kann mich nur an die Formel für die Driftgeschwindigkeit in Halbleitern erinnern

 

[PeterMeter]

Q = e*n*A*l

I = Q / t

v = m/s

I = (e *n * A * v* t )/t

v = I / ( e*n*A)

bsp: A=2,5mm^2 I=20A n(elektronendichte)=8,47*10^19 e=1,602*10^-19


v= 0,59 mm/s

 

[Dr. Picasso]

hier die formel:

I = A n Q v

I: stromstärke
A: querschnitt des leiters
n: dichte der mobilen elektronen im leiter
Q: ladung
v: driftgeschwindigkeit der elektronen

typische driftgeschwindigkeit liegt bei etwa 0,5 mm/s


und @petersilie unter mir: v < c
und zwar IMMER

 

[Rafale]

Um diese Frage zu beantworten, muss man vorerst eine Antwort auf den Welle/Teilchen-Dualismus haben.

Ich kann als ex-Physik LK'ler und Physik Interessierter Mensch sagen, dass es keine exakte Erklärung für die Ausbreitung eines "Elektrons" im Leiterstücks gibt. Finde es immer schwachsinnig, wenn sich einige Lehrkräfte dieser Sache annehmen und versuchen ihren Kids zu zeigen wie schnell Elektronen fließen.

 

[petersilieistgeil]

Original geschrieben von sChnuCkL
Elektron = materielles Teilchen

=> v < c , mehr weiß ich auch net

nö.

elektron = welle und teilchen

v = c oder v < c

je nach zustand

 

[Myta]

elektron hat masse und daraus folgt v<c

welle teilchen dualismus hat nichts mit der geschwindigkeit zu tun, gilt eigentlich für alles und lässt sich nicht trennen in "mal isses ne welle und mal nen teilchen" es ist immer beides

 

[EnimaN]

Original geschrieben von Rafale
Um diese Frage zu beantworten, muss man vorerst eine Antwort auf den Welle/Teilchen-Dualismus haben.

Ich kann als ex-Physik LK'ler und Physik Interessierter Mensch sagen, dass es keine exakte Erklärung für die Ausbreitung eines "Elektrons" im Leiterstücks gibt. Finde es immer schwachsinnig, wenn sich einige Lehrkräfte dieser Sache annehmen und versuchen ihren Kids zu zeigen wie schnell Elektronen fließen.

Es gibt dafür schon Erklärungen (was "exakt heißt, sei dahin gestellt) die allerdings erst in der Uni in der Festkörperphysik hergeleitet werden - man benötigt da einfach ein bisschen quantenmechanik...

wer sich wirklich dafür interessiert, der kann mir ja ne PM schicken, dann kann ich ein gutes script empfehlen -.-

es stimmt aber auf jeden fall, dass die elektronen eigentlich extrem langsam sind - die schnelle ausbreitung des stroms kommt einfach davon, dass ein elektron das nächste stößt, und sich diese lawine schnell ausbreitet

 

[Dr. Picasso]

bitte unterscheidet mal zwischen geschwindigkeit, und driftgeschwindigkeit

die geschwindigkeit von elektronen in einem atom ist ziemlich hoch (~10^6 m/s)
die driftgeschwindigkeit von elektronen in einem leiter ist dagegen ziemlich niedrig (~10^-3 m/s)
vorstellen kann man sich das so: beim driften durch den leiter bewegen sich die elektronen "zitternd" vorwärts


und der grund dass in stromleitungen informationen mit lichtgeschwindigkeit übertragen werden, liegt daran dass sich die SPANNUNG mit lichtgeschwindigkeit ausbreitet

 

[EnimaN]

Original geschrieben von Picasso
bitte unterscheidet mal zwischen geschwindigkeit, und driftgeschwindigkeit

die geschwindigkeit von elektronen in einem atom ist ziemlich hoch (~10^6 m/s)
die driftgeschwindigkeit von elektronen in einem leiter ist dagegen ziemlich niedrig (~10^-3 m/s)
vorstellen kann man sich das so: beim driften durch den leiter bewegen sich die elektronen "zitternd" vorwärts


und der grund dass in stromleitungen informationen mit lichtgeschwindigkeit übertragen werden, liegt daran dass sich die SPANNUNG mit lichtgeschwindigkeit ausbreitet

"geschwindikeit in den atomen" macht kein sinn, da das e- da quantenmechanisch zu behandeln ist...

man kann schon von geschwindigkeit sprechen und muss sich halt nur auf einen zeitbereich einigen über den dann gemittelt wird.

 

[hummel]

pass ja auf dass das kabel keinen knick hat sonst fallen die elektronen raus!

 

[4GT_DosX]

Original geschrieben von Wuselmops


Das gilt für freie Elektronen auf ballistischen Bahnen im Vakuum, Leitungselektronen in Festkörpern sind aber was völlig anderes und deutlich langsamer.

Auf diese Geschwindigkeit werden Elektronen auch im Leiter durch Feldeffekte beschleunigt. Viele werden die Geschwindigkeit aber durch Energieverluste nicht halten können. Die durchschnittliche Geschwindigkeit liegt tiefer. Nennen wir meine beschriebene eben die maximal mögliche...

 

[BurgerMeister]

Umrechnungen mit deren Hilfe sich v durch I errechnen lässt verlieren ein gaaanz klein wenig ihre Wertigkeit, wenn man zuerst das I in der Lorentzkraftformel raushaut indem man es durch die Formel ersetzt mit der v reinkommt. Dann hätte man ja I stehen lassen können oder, wenn man I gegeben hätte, mit I weiterrechnen können ohne den ganzen anderen Krams zu berücksichtigen!

Ich schreib das post von mir aber nochmal ganz oben dazu. Is ja klar, dass nich jeder den ganzen Thread durchlesen will.

Original geschrieben von Burger-Meister
Wir müssen die Lorentzkraft berechnen.

F(L) = B * I * d
I = n * e0 * q * v

F= B * n * e0 * q * v * d

gegeben sind B, N, e0, q und d. Nur v fehlt uns in der Aufgabenstellung weshalb wir vermuten das es sich um eine Konstante handelt.

 

[Dr. Picasso]

schreib mal den genauen text der aufgabe hin, ohne zusammen zu fassen, und ohne vermeindlich unwichtiges wegzulassen

 

[voelkerballtier]

Original geschrieben von Burger-Meister
Wir müssen die Lorentzkraft berechnen.

F(L) = B * I * d
I = n * e0 * q * v

F= B * n * e0 * q * v * d

gegeben sind B, N, e0, q und d. Nur v fehlt uns in der Aufgabenstellung weshalb wir vermuten das es sich um eine Konstante handelt.

Was ist d? Was ist q?
Laut den Formeln wären das Leiterquerschnitt und Leiterlänge, was aber ziemlich unübliche Formelzeichen wären.
Vermutung I: d = Durchmesser Folge: d mit pi/4 d² ersetzen
Vermutung II: q ist irgendwas, wo die Geschwindigkeit schon drinsteckt - schreib mal den gegebenen Wert auf

edit: Ich seh grad, laut deinen Formeln wäre die Bedeutung von q und d sogar umgekehrt, was die Variablenwahl noch unsinniger erscheinen lässt - schreib am besten mal alle gegebenen Werte auf

 

[Lutz]

vermutlich "distanz" und "querschnitt" 8(

 

[Muthombo]

Original geschrieben von 4GT_DosX
Auf diese Geschwindigkeit werden Elektronen auch im Leiter durch Feldeffekte beschleunigt. Viele werden die Geschwindigkeit aber durch Energieverluste nicht halten können. Die durchschnittliche Geschwindigkeit liegt tiefer. Nennen wir meine beschriebene eben die maximal mögliche...

Da könntest du auch die maximal mögliche Geschwindigkeit deines Autos berechnen, indem du die gesamte Energie einer Tankfüllung als kinetische Energie des Autos ansetzt.

@Burger-Meister:
Die komplette Aufgabenstellung samt Variablendeklaration wäre sehr hilfreich.

 

[Hendr1k]

lol!!!

eine elektron hat etwa eine geschwindikeit von xx mm/ h

also sehr langsam, nichts hier mit lichtgeschw.
es erscheint nur so, weil die ganze leitung voll mit elektronen ist, auch wenn kein strom fließt.

stell dir das so vor, als wenn man am einen ende ein elektron reindrück,dann plumst am andere ende eins raus, weil halt alles voll ist mit diesen dinger, daher kommt es dir so schnell vor

 

[The_Company]

Das bringt mich gerade auf folgende Frage:
Wie lang muss nen Kabel vom Schalter zur Lampe sein, damit ich ne Verzoegerung zwischen Schalter anmachen und Licht geht an merke?

 

[Dr. Picasso]

ich behaupte das hängt einzig und allein von der art der lampe ab, denn die spannung breitet sich in den leitungen mit lichtgeschwindigkeit aus

 

[Sacknase]

Original geschrieben von The_Company
Das bringt mich gerade auf folgende Frage:
Wie lang muss nen Kabel vom Schalter zur Lampe sein, damit ich ne Verzoegerung zwischen Schalter anmachen und Licht geht an merke?

Was meinst du mit "merken"

Messbar merken? oder wirklich mit dem Auge erkennen?

Also Messbar brauchste "Theoretisch" nichtmal nen Kabel.

Sichtbar erst recht nicht, da der Glühfaden ja auch eine gewisse Latenz hat!

 

[Muthombo]

Die Delays von handelsüblichen Kabeln mit wenigen Metern Länge bewegen sich etwa im ein- bis zweistelligen Nanosekunden-Bereich, da musst du also zigtausend Kilometer verlegen bevor du mit bloßem Auge nen Unterschied bemerkst.

 

[BurgerMeister]

also eines weiss ich noch ausm Physikunterricht:
Die Elektronen oder besser gesagt der Stromfluss ist relativ langsam. 3mm/s oder irgendwie so was in der Art. Das hat aber nichts damit zutun, dass sofort die Lampe leuchtet. Schliesslich befinden sich auch an der Stelle im Leiter Elektronen. Das Ganze kann man sich wie nen Wasserschlauch vorstellen. Angenommen der Schlauch ist voll mit Wasserteilchen und an einem Ende packen wir ne Pumpe ran die anfängt das wasser anzusaugen (Spannung), dann wird auch sofort Wasser was sich am anderen Ende des Schlauchs befindet, bewegt.

 

[Hendr1k]

Original geschrieben von Burger-Meister
also eines weiss ich noch ausm Physikunterricht:
Die Elektronen oder besser gesagt der Stromfluss ist relativ langsam. 3mm/s oder irgendwie so was in der Art. Das hat aber nichts damit zutun, dass sofort die Lampe leuchtet. Schliesslich befinden sich auch an der Stelle im Leiter Elektronen. Das Ganze kann man sich wie nen Wasserschlauch vorstellen. Angenommen der Schlauch ist voll mit Wasserteilchen und an einem Ende packen wir ne Pumpe ran die anfängt das wasser anzusaugen (Spannung), dann wird auch sofort Wasser was sich am anderen Ende des Schlauchs befindet, bewegt.

stell dir das so vor, als wenn man am einen ende ein elektron reindrück,dann plumst am andere ende eins raus, weil halt alles voll ist mit diesen dinger, daher kommt es dir so schnell vor

 

[VoodooDog1]

Original geschrieben von L(O_o)neY
allgemein bewegen sich elektronen bzw. storm mit beinahe lichtgeschwindigkeit.. :P

imo bewegen sie sich nur mit 1/3c

also ca. 100 000 km/s


edit: das hilft evt. weiter
http://de.wikipedia.org/wiki/Drude-Theorie

konnte es noch nicht lesen, muss wieder auf arbeit.

gruß

 

[Hendr1k]

man checkt es mal endlich, elektronen bewegen sich nicht mit lichtgeschwindikeit oder auch nur annährend so schnell.
selbst bog würde ein 100meter rennen gegen ein elektron gewinnen

 

[VoodooDog1]

"Klassisch gilt für die kinetische Energie Ekin = ½mv2. Dem Elektron wird die elektrische Energie Eel = eU zugeführt, so dass Ekin = Eel und ½mv2 = eU gilt. Man kann diese Gleichung nach der Geschwindigkeit v auflösen und damit die Geschwindigkeit der Elektronen nach dem Durchlaufen der Beschleunigungsspannung U berechnen. "


"Experimente ergeben bei diesen Parametern aber eine Geschwindigkeit von "nur" 0,9957.c."


http://www.didaktik.physik.uni-erlangen.de/grundl_d_tph/exp_relat/exp_relat_01.html


passt eher zu der aussage "elektronen bewegen sich nicht"


edit: hier speziell fürs kabel


"Du musst beim Stromfluss Informationsgeschwindigkeit und Elektronengeschwindigkeit unterscheiden.

Stell dir ein Rohr vor, darin sind Kugeln, eine an der anderen über die ganze Rohrlänge. Wenn du an der einen Seite eine weitere Kugel reinsteckst, fällt auf der anderen Seite im selben Moment eine raus. Das ist die Informationsgeschwindigkeit und auch die Geschwindigkeit mit der elektrische Signale übertragen werden.

Die reingesteckte Kugel selbst hat sich jetzt aber nur eine kleine Strecke bewegt. Wenn du jetzt immer weiter Kugeln an der einen Seite reinsteckst fallen im selben Moment auf der anderen Seite kugeln aus, aber die Kugeln im Rohr bewegen sich selbst im Verhältnis zum Rohr selbst nur mit weeesentlich langsamerer Geschwindigkeit.

Kugeln = Elektronen
Rohr = Kabel

... das ist übrigens seeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeehr vereinfacht!!!

Die Driftgeschwindigkeit der Elektronen (=Geschwindigkeit der Elektronenwanderung) der Elektronen ist wegen ihrer zahlreichen Zusammenstößen mit den Atomrümpfen sehr klein (z. B. 0,1 mm/s). Die Geschwindigkeit der Ladungen hängt von der Art des Metalls und vom Durchmesser des Drahtes ab (normalerweise nicht über 1 mm/s)."