Hi! Warum wird ein Widerstand warm wenn Strom durchfließt? Das die Verlustleistung in Wärme umgesetzt wird mit P=I²R ist mir auch klar. Aber warum ist das so?
Markus schrieb: > Aber warum ist das so? weil energie nicht verlorgen gehen kann, im zweifelsfall wird sie immer in Wärme umgewandelt.
Ist es nicht schlichtweg Reibung, wenn man sich mal mit ner Lupe die Elektronen anguckt, wie sie ihren Weg durch den Widerstand begehen?
Nein, es sind Stoßvorgänge mit den Atomen des Materieals, durch das sie hindurchfließen.
Stoßvorgänge mit den Atomen? Also 1. sind Elektronen keine kleinen Monde, die um den Atomkern kreisen und 2. ist der Atomkern winzig klein im Vergleich zur Atomhülle. Also mit zusammenstoßen kann man da gar nichts sinnvoll erklären, jedenfalls nicht, wenn man es mal genau wissen will.
... schrieb: > Stoßvorgänge mit den Atomen? Also 1. sind Elektronen keine kleinen > Monde, die um den Atomkern kreisen und 2. ist der Atomkern winzig klein > im Vergleich zur Atomhülle. Also mit zusammenstoßen kann man da gar > nichts sinnvoll erklären, jedenfalls nicht, wenn man es mal genau wissen > will. Dann klär uns auf!
>weil energie nicht verlorgen gehen kann, im zweifelsfall wird sie immer >in Wärme umgewandelt. Auch, sas ist doch keine Erklärung für den Grund. >> Stoßvorgänge mit den Atomen? Also 1. sind Elektronen keine kleinen > Monde, die um den Atomkern kreisen und 2. ist der Atomkern winzig klein > im Vergleich zur Atomhülle. Also mit zusammenstoßen kann man da gar > nichts sinnvoll erklären, jedenfalls nicht, wenn man es mal genau wissen > will. >Dann klär uns auf! Ja,bin auch neugierung!
Warum wird ein Widerstand warm wenn Strom durchfließt? Weil er sich dagegen wehrt. Wenn du dich gegen etwas oder jemanden wehren musst, wird dir auch warm.
... schrieb: > Also mit zusammenstoßen kann man da gar nichts sinnvoll erklären, > jedenfalls nicht, wenn man es mal genau wissen will. Die Elektronen wechselwirken bei der Bewegung durch das Metall mit den Feldern der Metallatome und geben dabei Bewegungsenergie an das Gitter ab. Besser?
Das einfachste Modell, was das ohmsche Gesetz erklärt, ist das Drude-Modell. (vgl. z.B. Wikipedia, Drude-Theorie) In Kurzform: Elektronen stoßen/streuen an Atomen des Kristallgitters, dabei wird die Bewegungsenergie des Elektrons in Kristallgitterschwingungsenergie ( = Wärme) umgewandelt. Mit Hilfe von Größen wie einer "mittleren freien Weglänge" bzw. einer "Ladungsträgerlebensdauer" bekommt man die "Beweglichkeit", diese wiederum führt zur spezifischen Leitfähigkeit. Das Drude-Modell - auch wenn es durch das Sommerfeld- und insbesondere das Bändermodell abgelöst wurde, wird durchaus für bestimmte Berechnungen auch heute noch herangezogen - bspw. zur Abschätzung der Ausdehnung der Raumladungszone eines pn-Übergangs bei anliegendem elektrischen Feld, ohne sofort die gwesamte Quantenmechanik zusätzlich betrachten zu müssen.
... (Gast) schrieb: > Stoßvorgänge mit den Atomen? Also 1. sind Elektronen keine kleinen > Monde, die um den Atomkern kreisen und 2. ist der Atomkern winzig klein > im Vergleich zur Atomhülle. Also mit zusammenstoßen kann man da gar > nichts sinnvoll erklären, jedenfalls nicht, wenn man es mal genau wissen > will. Da liegst du leider falsch. Im metallischen Leiter gibt es freie Elektronen (Valenzelektronen) die zu keinem betimmten Kern gehören, der positiv geladenen Atomrümpfe, die sich Gitterförmig anordnen. Die Elektronen müssen sich durch diese gitterförmig angeordneten Metallionen hindurchquälen. Dabei stoßen sie ständig aneinander, was die Bewegung der Elektronen dämpft. Gleichzeitig fachen die Elektronen die Metallionen zum schwingen an, die dann ungeordnet thermisch um ihre Gitterplätze schwingen. Dabei wird fortlaufend elektrische Energie in Joul'sche Wärme umgesetzt. Bin aber kein Physiker. Der weiß es wohl noch genauer.
@Werner Meinst du die fliegen da einfach so durch und geben einfach irgendwie die Energie ab? So richtig erklären tut es das auch nicht. Ehrlich gesagt kann ich es auch nicht besser erklären. Ich wollte nur darauf hinweisen, das die Frage von Markus sich vielleicht trivial anhört, es aber auf keinen Fall ist. Jedenfalls stimmen die einfachen Erklärungen aus dem Physikunterricht der Schule so nicht. Elektronen sind punktförmig, mit keiner oder sehr kleiner Ausdehnung und der Atomkern ist 10000 mal kleiner als die Hülle, der Raum dazwischen also praktisch leer. So wie man es uns in der Schule beigebracht hat, das da etwas zusammen stößt und dadurch Wärme entsteht, kann es nicht sein.
Niemand hat hier etwas von "Atomkern" gesagt. Selbstverständlich stoßen Elektronen nicht mit Atomkernen zusammen. Würden sie das tun würde sämtliche Materie zu Neutronen kollabieren.
@Thomas Du meinst also es ist wahrscheinlicher, dass zwei Elektronen ohne räumliche Ausdehnung zusammenstoßen? ;-)
@ ... (Gast) > Meinst du die fliegen da einfach so durch und geben einfach irgendwie > die Energie ab? So richtig erklären tut es das auch nicht. Nein, die Elektronen fliegen eben nicht durch, sondern zappeln wie wild herum und stoßen aneinander (bei ihrer insgesamt gerichteten Bewegung). Was den Schuluntericht betrifft, das war durchaus nicht falsch. Ohne Modelle lässt sich nun mal nix erklären (von dem was man nicht sieht). In der Schule müssen die Modelle sehr einfach sein, damit sie jeder versteht. Wenn du so willst gibt es auch keine Elektronen. Das sind griffige Denkmuster mit der der Physiker versucht elektrische Vorgänge zu erklären, wo er ansonsten den Rückgriff in die Quantenphysik vollziehen müsste und statt eines Teilchens (dem Elektron) nur noch ein Wellenmodell zur Verfügung hätte.
Die Elektronen bewegen sich in ungebundenen Zustaenden, die Prozesse sind Streuprozesse. Die Streuung ist nicht am Kern selbst aber am Kernpotential. Zudem sind die Kerne im Gitter angeordnet, daherkommt es zu vielen, periodischen stoessen. Dabei wird Energie ans Gitter uebertragen. Diese Gitterschwingungen werden Phononen genannt. Es gibt auch noch die gebundenen Elektronen. Wie die wirken, kann ich mich nicht mehr erinnern. Nur Rutherford ist geblieben, Streunung an Goldkernen mit dem Sin^4.
Wenn man mit Schulphysik schon alles verstehen könnte, müsste niemand Physik studieren. Die Welt ist da doch ein wenig komplizierter... Elektronen und Atomkerne wechselwirken elektromagnetisch über ihre Ladung. Die Größe ist da unwichtig. Wenn Atome sich zu einem Festkörper verbinden, ändern sich die Eigenschaften. Zum Beispiel können manche Elektronen die feste Bindung an ein einziges Atom verlassen und sich im gesamten Kristall bewegen. Das nennt man dann "freie" Elektronen, den Festkörper Metall. Die Wechselwirkung bleibt aber natürlich bestehen. Durch Anlegen einer Spannung wird Kraft auf die Elektronen ausgeübt, die freien setzen sich in Bewegung. Durch die Wechselwirkung werrden dann aber auch die Atome im Gitter mit Bewegngsenergie versorgt und schwingen immer mehr. Das ist das, was wir dann unter "Wärme" verstehen. Noch einfacher kann ich das nicht erklären.
@... Ob man es Stoß oder Wechselwirkung nennen möchte ist eigentlich egal. Jedenfalls muss sich dabei nicht zwingend etwas berühren. Nimmt man mal als temperaturdefinition die mittlere Bewegung der Teilchen, nimmt diese durch Wechselwirkung mit dem stromfluss ( Bewegung die im mittel 0 ist ) zu. Daher erhöht sich die Temperatur. Sicher gibt es in der Thermodynamik für die thermodynamische temperaturdefinition auch eine Erklärung.
... schrieb: > Meinst du die fliegen da einfach so durch und geben einfach irgendwie > die Energie ab? Die fliegen eben nicht so einfach durch. Zwei Magnet über auch eine Kraft aufeinander aus und können dadurch Energie übertragen , obwohl sie sich nicht direkt berühren.
>Die Wechselwirkung bleibt aber natürlich bestehen. Durch Anlegen einer >Spannung wird Kraft auf die Elektronen ausgeübt, die freien setzen sich >in Bewegung. Durch die Wechselwirkung werrden dann aber auch die Atome >im Gitter mit Bewegngsenergie versorgt und schwingen immer mehr. >Ob man es Stoß oder Wechselwirkung nennen möchte ist eigentlich egal. >Jedenfalls muss sich dabei nicht zwingend etwas berühren. Wenn sich durch die Bewegung der Elektron diese Beginnen sich zu berühren (oder Berühren sich nicht direkt, Wechselwirkung mit Feld), oder den Atomkern dann müsste dieser ja mechanisch Verformt werden oder? Denn beim Aufprall zweier Autos (Verformung von Metal) wird das Blech ja auch nur Warm, weil bei der Umformung der mechanischen (kinetische) Energie in die Deformation ein Teil auch in Wärmeenergie umgewandelt wird. Doch weder Atomkerne noch Elektronen können Verformt werden (Spaltung ausgenommen). Die Frage mag jetzt noch "blöder" erscheinen, aber wenn Elektronen bei der Bewegung in Form von Strom mit etwas Zusammenstoßen und Wärme freigeben, warum wird dann nichts Zerstört? Bzw werden die Elektronen "Kapput" durch die Ständigen Kollisionen. Ich meine eben weil die Kollision Wärme erzeugt und eigentlich auch eine mechanische Verformung bewirken müsste.
Die Antwort auf diese Frage in fünf "kleine" Sätze zu fassen wird nicht funktionieren. Es gibt Menschen, die haben ihr Leben damit verbracht diese Frage zu beantworten (siehe z.B. Drude) und sie sind grad mal auf den Weg zur Antwort gekommen (wenn man es denn so beschreiben mag ;)).
Wellenfunktion Elektronen.
>Die Antwort auf diese Frage in fünf "kleine" Sätze zu fassen wird nicht >funktionieren. Das Verlangt niemand. Aber Hinweise auf Quellen/Referenzen wären auch schon Hilfreich. >Es gibt Menschen, die haben ihr Leben damit verbracht >diese Frage zu beantworten Bzw Zusammenfasusngen der Erkenntnisse wäre auch schon hilfreich. Einfach zu sagen, man kann es nicht Erklären weil es so kompliziert ist, ist einfach. Man kann auch in lange Maxwell Formeln herumwühlen/umformen um auf R=U/I zu kommen. Oder das gleich ohmsche Gesetzt anwenden.... >Wellenfunktion Elektronen. Hab ich gegoogelt. Hilft mit leider nicht. Nur zwei Worte ohne Hintergrund zu Posten hilft meistens nicht viel. Es hilft auch nicht denn Aderen vorzuspielen, dass man die Antwort weis..
Markus schrieb: > Doch weder Atomkerne noch Elektronen können Verformt werden (Spaltung > ausgenommen). Die Frage mag jetzt noch "blöder" erscheinen, aber wenn > Elektronen bei der Bewegung in Form von Strom mit etwas Zusammenstoßen > und Wärme freigeben, warum wird dann nichts Zerstört? Bzw werden die > Elektronen "Kapput" durch die Ständigen Kollisionen. Ich meine eben weil > die Kollision Wärme erzeugt und eigentlich auch eine mechanische > Verformung bewirken müsste. Die mikroskopische Welt ist mit makroskopischen Vergleichen nur schwer zu erklären. Streuung von Elektronen ist erstmal nichts anderes als eine Änderung des Impulses - vielleicht kann man sich da sowas denken wie magnetische Billardkugeln (als Gedankenexperiment). Elektronen gehen nicht kaputt - sie fallen auf einen energieärmeren Zustand (fliegen z.B. langsamer oder in eine andere, energetisch günstigere Richtung). Das Modell wird ja noch komplizierter - Schwingungen des Kristallgitters ("Wärme") werden mit Hilfe noch anderer "Teilchen" betrachtet, sogenannter "Phononen" - dann wird das Billardkugelmodell noch interessanter: Eine Billardkugel stellt dann das Elektron dar, eine andere den im Kristallgitter enthaltenen Impuls ("Phonon"). Jetzt kommen vielleicht noch andere "Teilchen" ins Spiel - Photonen ("Lichtteilchen") wechselwirken mit Elektronen und mit Phononen - mit anderen Worten: das Material erwärmt sich im Licht. Wie du siehst, ist diese Geschichte verdammt kompliziert ^^
Markus schrieb: > Einfach zu sagen, man kann es nicht Erklären weil es so kompliziert ist, > ist einfach. Drude-Modell wurde schon genannt, Wellenfunktion auch. Wer es genau wissen will warum ein Widerstand warm wird wenn er vom Strom durchflossen wird muss sich mit der Quantenphysik beschäftigen. Eine Zusammenfassung ist recht einfach: Der Widerstand wird warm weil die Elektronen mit dem Metallgitter wechselwirken, sprich da wird ständig Energie hin und her geschoben (deshalb ja Wechselwirkung). Ich glaube aber nicht, dass das das ist, was der TE, also du, hören willst. Ich kann dir also nur den Rat geben dich mit der Quantenphysik zu beschäftigen oder du nimmst das einfach hin, dass ein Strom einen Widerstand erwärmt.
Autor: Markus (Gast) Datum: 02.07.2012 18:26 >>Die Antwort auf diese Frage in fünf "kleine" Sätze zu fassen wird nicht >>funktionieren. >Das Verlangt niemand. Aber Hinweise auf Quellen/Referenzen wären auch >schon Hilfreich. In Wikipedia gibt es ja dazu einen kleinen Absatz http://de.wikipedia.org/wiki/Elektrische_Leitf%C3%A4higkeit#Ursache_des_elektrischen_Widerstandes Hast Du wahrscheinlich schon gelesen -- aber sonst wüsste ich nichts dazu.
Markus schrieb: > Aber Hinweise auf Quellen/Referenzen wären auch > schon Hilfreich. Ich hab den Ashcroft/Mermin ("Solid State Physics") hier rumstehen - die Festkörperelektronik-Vorlesung hats notwendiggemacht. Quantenmechanikkenntnisse werden da vorausgesetzt. Vielleicht ein paar Stichworte: Phonon Coulomb-Streuung, Rutherford-Streuung Drude-Theorie Beweglichkeit Ladungsträgerlebensdauer Bloch-Funktion (aus wikipedia: Der elektrische Widerstand eines kristallinen Leiters resultiert in diesem Modell nicht aus Streuprozessen der Elektronen an den Ionenrümpfen des Kristalls, sondern aus Defekten in der Kristallstruktur, die dessen Periodizität stören, und aus der Wechselwirkung mit Phononen.) Bandstruktur
Ganz einfach! Der Widerstand erwärmt sich, weil der Strom einfach so extrem heiß ist!
der ganze quatsch mit blochfunktion, phononen, bandstruktur und gitterdefekten interessiert doch hier garnicht. das ist viel zu speziell, da der widerstand sich ja auch erwärmt wenn er nicht eine periodische struktur aufweist. drude ist da das beste modell, da es schön allgemein ist. ansonsten noch diese modelle http://de.wikipedia.org/wiki/Temperatur#Physikalische_Grundlagen makroskopisch/mikroskopisch ist letztendlich mechanische reibungswärme ein ähnliches gegenstück zum stromfluss. je höher die reibung(widerstand) desto mehr enerergie geht von der bewegung(stromfluss) auf die anderen teilchen über. bei reibungswärme kann ma nsich natürlich genauso gedanken darüber machen ob sich was berührt oder atomkerne deformiert werden. das die wellenfunktion der ELEKTRONEN was mit der klassischen definition von wärme zu tun hat ist ja wohl der oberschwachsinn
wieder stand schrieb: > drude ist da das beste modell, da es schön allgemein ist. Aber leider auch nicht ganz richtig ;)
Joulsche Wärme sind Elektronen-Atomrumpf-Stöße. Das ist Quantenmechanik und entzieht sich der Anschauung. Mit dem "gesunden Menschenverstand" kommt man da nicht weit. Nur gut, daß es in der Elektronik keine dunkle Materie, keine dunkle Energie und auch keine dunkle Strömung gibt...
wieder stand schrieb: > der ganze quatsch mit blochfunktion, phononen, bandstruktur und > gitterdefekten interessiert doch hier garnicht. das ist viel zu > speziell, da der widerstand sich ja auch erwärmt wenn er nicht eine > periodische struktur aufweist. > > drude ist da das beste modell, da es schön allgemein ist. Ja klar - Drude hatte ich ja gestern auch schon vorgestellt. Es ging mir nur noch um ein paar Stichworte, die dem Fragesteller zeigen, was es alles sonst noch gibt wieder stand schrieb: > das die wellenfunktion der ELEKTRONEN was mit der klassischen definition > von wärme zu tun hat ist ja wohl der oberschwachsinn Hat das jemand behauptet?
Hat schonmal jemand darüber nachgedacht, weshalb man sich den Kopf stößt, wenn man gegen die Schranktür knallt? Diese Frage geht erstaunlicherweise in eine ähnliche Richtung und ist ebenfalls keineswegs einfach zu beantworten.
>>> Warum wird der Widerstand also warm, wenn Strom durchfliesst ?
Ist doch eigentlich egal, nach welchem Modell er das macht.
( Nicht vergessen: Ein physikalisches MODELL ist nur die Beschreibung
eines Teils der Wirklichkeit, nicht die Wirklichkeit selbst ! Eine
Speisekarte sollte man auch nicht essen ... )
Hauptsache, der Widerstand WIRD dann warm !
Wenn er das irgendwann einmal nicht mehr tun sollte, gibt es ein
grösseres Durcheinander ...
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