Strom Geschwindigkeit Gedankenexperiment

sie leuchten alle gleichzeitig.

stell dir ein Schlauch mit Wasser gefüllt vor. Sehr lang. Jetzt drehst 
du den Wasserhahn auf. Was passiert? An jeder stelle im Schlauch fließt 
das Wasser sofort los.

Kai S. schrieb:
> Spannungspulse haben eine Ausbreitungsgeschwindigkeit.

aber es geht ja um Strom.

Wenn die 1.Lampe zuerst Strom bekommen würde, dann verletzt es doch die 
Kirchhoffsche Regeln.

Der Strom müsste überall gleich sein.

Kai S. schrieb:
> Die Regel besagt, das die Summer aller Ströme in einem Punkt 0 sind, und
> der Strom, der in die Lampe hineinfließt fließt ja auch "gleichzeitig"
> wieder hinaus, die Regel ist also nicht verletzt.

doch ist sie, wenn man die komplette Schaltung sieht. Denn der Strom der 
reinfließt muss exakt auf der andere Seite wieder rauskommen.

Dann was würde sonst passieren, wenn man den Stromkreis öffnen wenn die 
1.Lampe leuchtet - dann sind zu viele Elektronen drin, das dürfte nicht 
möglich sein.

Und die Regel gelten nicht nur für Gleichstrom.

Kai S. schrieb:
> Das 1. Kirchhoffsche Gesetz ist aber nur lokal formuliert (nennt sich
> auch Knotenregel). Das der Strom in einer Reihenschaltung überall gleich
> ist ist eine Ableitung daraus unter gewissen Annahmen. Da gehört die
> Vernachlässigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit mit dazu. In dem
> Gedankenexperiment hier ist die aber nicht zu Vernachlässigen, deshalb
> gilt die Verallgemeinerung auf den gesamten Stromkreis nicht mehr.

sie wird aber bei der Stromquelle verletzt. Denn es ließt auf der einen 
Seite ein Strom raus, auf der anderen Seite kommt aber kein Strom 
wieder.

Dass kann ich mir nicht vorstellen.

ich würde sagen, die Lampen brennen überhaupt nicht. Kommt darauf an, 
wieviel Energie die Batterie haben soll. Falls sie unendlich viel 
Energie hat, geh ich mal davon aus, die Lampen brennen gleichzeitig, und 
zwar bevor sie eingeschaltet werden.
lg
Trollo

Rainer B. schrieb:
> Peter II: Noch ein Punkt, der für Kai S. spricht:
> Erweitere das Gedankenexperiment so, daß der Leiter von der Erde zum
> Mond reicht. Nach deiner Annahme müsste damit eine Signalübertragung von
> Erde zu Mond ohne zeitl. Verzögerung, d.h. mit mehr als Lichtgeschw.
> möglich sein. Das widerspricht jedoch der Relativitätstheorie.

nein, ich habe nicht gesagt das die Lampen sofort leuchten - nur das sie 
gleichzeitig Leuchten.

Hi,

Kai S. ist am nächsten dran. Der Spannungsimpuls bewegt sich mit ca. 
0,6C als Welle durch das Kabel. Das gilt natürlich auch für den Strom, 
ohne Spannung kein Strom. Trotzdem ist das nicht die ganze Wahrheit.

Die erste Lampe wird trotzdem frühestens nach 13,3s ihre volle 
Helligkeit erreichen. Solange dauert es nämlich, bis die Welle vom 
Minuspol wieder zur ersten Lampe zurückgelaufen ist. Bis dahin sieht die 
Lampe nicht den Minuspol der Batterie, sondern den Wellenwiderstand der 
Leitung - der so hoch sein kann, dass die Lampe spürbar dunkler 
wäre(z.B. 50Ohm). Auch bei  Supraleitern, weil auch die haben ein L und 
ein C.
So gesehen ist die letzte Lampe am schnellsten hell ;-).

Wahrscheinlich werden mehrere Wellen auftreten, weil die Flanke vom 
Einschalten hin- und her reflektiert wird, bis sie sich totgelaufen hat. 
Außer man macht einen Abschlusswiderstand ans Ende oder and den Anfang 
des Kabels.

Kann man daheim nachmessen: Man nehme ein Oszilloskop, ein 100m Cat5 
Kabel oder ähnliches, und zwei Widerstände mit 50Ohm. Wenn man durch den 
ersten eine Flanke in das Kabel schickt, kann man nach 6ns/m Kabellänge 
die Flanke am zweiten Widerstand messen.

Humpfdidumpf schrieb:
> Kai S. ist am nächsten dran. Der Spannungsimpuls bewegt sich mit ca.
> 0,6C als Welle durch das Kabel. Das gilt natürlich auch für den Strom,
> ohne Spannung kein Strom. Trotzdem ist das nicht die ganze Wahrheit.

Das würde bedeuten das aus der Stromquelle ein Elektron ausgeflossen ist 
und auf der anderen Seite keines ankommen ist.

Wenn man das dann ein paar mal macht - müsste sich die Stromquelle 
auflösen. Finde ich nicht sehr logisch.

Stefan schrieb:
> Wenn ich nun einen kurzen Spannungsimpuls mit der Batterie erzeuge, was
> passiert dann?

Oje oje, noch kein Maxwell gehört ?

Welcher Strom flisst denn in dem Moment, in dem du den Schalter 
schliesst ?

Die Verbraucher sind ja 300000km weit weg und amit übe 1 Sekunde.

Es fliesst der Strom  der nur durch die Leitung bestimmt wird, die 
Leitungsimpedanz, erinnere dich en "50 Ohm Koak-Kabel" oder "!30 Ohm 
verdrillte Leitung".

Bei einer 10V Batterie beginnt also in einem verdrillten Kabel erst mal 
Strom von 76mA zu fliessen.

Wenn dieser Strom auf einen Verbraucher trifft (oder genauer auf eine 
Reflektionsstelle wegen andere Kabelimpedanz), dann entsteht auch eine 
rücklaufende elektromagnetishe Welle, die sich zum aktuellen Strom 
hinzuaddiert oder subtrahiert, je nach dem ob die Impedanz hinter der 
Stelle grösser oder kleiner ist als die bisherige.

Und wenn diese Welle am Schalter ankekommen ist, dann stellt sich dort 
(Addition bzw. subtraktion) der neue felissende Strom ein. Sagen wir die 
Lampen brauchen 100mA, dann wird der Strom am Scalter nach 2 Sekunfen 
von 76mA aus 100mA steigen.

In der Praxis gibt es mehrere Reflektionen (mehrere Lampen). Hattest du 
den Schalter schon nach 1/10 Sekunde wieder ausgecshaltet, fliesst der 
Strom wirklich in Forkm eines Impulses durch die Leitung und die Lampen 
blitzen der Reihe nach auf, allerdings nicht in gleicher Helligkeit, 
weil die erste Lampe schon eine Reflektion auslöst, und sie hören nach 
dem ersten blinken nicht auf, weil die rücklaufende Welle vom offenen 
Schalter reflektiert wird und nach 3 Sekunden wieder bei der Lampe ist.

Das sind Grndlagen der Elektrotechnik, erstes Semester.

http://www.ti.com/lit/an/szza008/szza008.pdf
Figure 46 zeigt daß das durchaus relevant für schnelle digitale 
Schaltungen ist.

> Rainer B. schrieb:
>> Peter II: Noch ein Punkt, der für Kai S. spricht:
>> Erweitere das Gedankenexperiment so, daß der Leiter von der Erde zum
>> Mond reicht. Nach deiner Annahme müsste damit eine Signalübertragung von
>> Erde zu Mond ohne zeitl. Verzögerung, d.h. mit mehr als Lichtgeschw.
>> möglich sein. Das widerspricht jedoch der Relativitätstheorie.
>
> nein, ich habe nicht gesagt das die Lampen sofort leuchten - nur das sie
> gleichzeitig Leuchten.


Und wenn jetzt eine Lampe auf der Erde ist und eine am Mond hättest 
wieder das gleiche Problem :P

Rainer B. schrieb:
> Peter II schrieb:
>> nein, ich habe nicht gesagt das die Lampen sofort leuchten - nur das sie
>> gleichzeitig Leuchten.
> ok, dann baue eine Lampe direkt am Sender, die andere direkt am
> Empfänger
> ein. Wenn die dann immer noch gleichzeitig leuchten, hast du die
> Signalübertragung ohne zeitl. Verzögerung.

nein. Dann das einschalten und das leuchten ist ja verzögert. Damit 
kommt nur Info zwar gleichzeitig an, aber nicht sofort.

Lothar S. schrieb:

> Der Strom fließt aber auch in diesen Gedankenexperiment erst wenn der
> Stromkreis tatsächlich geschlossen ist.
>
> Grüße Löti

wie wissen denn die elektronen am anfang der leitung daß das ende 
jetzt angeschlossen ist, und sie mit fließen beginnen können?

ich glaube eher das in ein an einen pol angeschlossenes kabel strom 
fließt bis das kabel gesättigt ist - frage mich allerdings was dann mit 
dem den leiter umgebneden magnetfeld passiert wenn die sättigung 
eintritt. das müsste ja zusammenfallen und spannung induzieren (kein 
stromfluss möglich). hm.

> wie wissen denn die elektronen am anfang der leitung daß das ende
> jetzt angeschlossen ist, und sie mit fließen beginnen können?

Gar nicht. Deswegen berechnen wir diesem Fall mit dem Wellenwiderstand, 
nicht mit dem Ohmschen Widerstand,

... und dein an einem Ende angeschlossener Draht -- unter dem Stichwort 
"Antenne" finden sich da einige Theorien. :-)

@Peter II:

danke für den Hinweis, das ist tatsächlich unlogisch. Da ist noch ein 
ziemlicher Fehler in meiner Überlegung.
Natürlich müssen die Elektronen die zur einen Seite der Batterie 
herauskommen, zur anderen Seite wieder hereinfließen.

Die Stromwelle läft dann in beide Richtungen von der Batterie weg. 
Treffen tun sich die Wellen dann in der Mitte vom Kabelstück zwischen 
der zweiten und dritten Lampe. Dann müsste von da ausgehende die zweite 
und dritte Lampe gleichzeitig ihre maximale Helligkeit erreichen. Nach 
5s bei 0,6c - natürlich sind die Reflexionen zwischen den Lampen auch 
noch zu berücksichtigen, aber die vergessen wir einfach mal.

Ich werde das glaube ich morgen einmal mit ltspice simulieren, nur zur 
Verifikation ;-).

Peter II schrieb:
> Das würde bedeuten das aus der Stromquelle ein Elektron ausgeflossen ist
> und auf der anderen Seite keines ankommen ist.

Doch, natürlich kommt da eins an.

1. Du musst Dich von dem Gedanken lösen, dass sich die Elektronen wie 
Kugeln mit 2/3c durch den Supraleiter bewegen. Die Elektronen selbst 
bewegen sich nur langsam, "stoßen" aber die nächsten Elektronen an. 
Diese Welle breitet sich mit 2/3c* aus.

Siehe Wasserschlauch-Vergleich von oben. Auch beim Wasserschlauch kommt 
das Wasser nicht sofort nach dem Aufdrehen am Ende heraus. Der Druck 
muss sich erst durch den Schlauch fortsetzen. Die Verzögerung ist 
durchaus sichtbar.

2. Bewegt sich ein Elektron nach Schließen des Schalters auf einer Seite 
der Spannungsquelle heraus, bewegt sich auch ein Elektron auf der 
anderen Seite hinein. Warum?

Wir nehmen statt der Batterie einen Kondensator. Gleicher Effekt, wir 
sparen uns die chemischen Vorgänge.

Der Kondensator ist geladen und auf der positiven Seite mit dem Kabel 
verbunden. Das Kabel hat - statischer Zustand - überall die gleiche 
Ladung angenommen. Es gibt also eine Potentialdifferenz zum nicht 
verbundenen Kondensatoranschluss, dieser ist negativ.

Wir schließen den Schalter und ziehen damit das bisher offene positive 
Kabelende auf das Potential der offenen negativen Kondensatorplatte. 
Ausgleichsladungen fließen, Elektronen wandern von der negativen 
Kondensatorplatte in das Kabel.

Gleichzeitig wird aber das Potential des Kondensator gegenüber dem Kabel 
angehoben. Das passiert bei jeder Ladungspumpe beim Umschalten des 
Kondensators. Damit wird das Kabelende an der positiven 
Kondensatorplatte negativ gegenüber dem Kondensator und => Elektronen 
wandern aus dem Kabel in die positive Kondensatorplatte.

Das heisst, es läuft eine negative Spannungsspitze in eine Richtung und 
eine positive Spannungsspitze in die andere Richtung => ein Wellental, 
ein Wellenberg. Das hat jetzt einen interessanten Effekt:

Sind die Leitungslängen alle gleich, leuchtet tatsächlich die linke 
Lampe gleichzeitig mit der rechten Lampe auf, die inneren Lampen später. 
Die linke Lampe leuchtet im Wellental, die rechte Lampe im Wellenberg. 
Da den Lampen die Stromrichtung egal ist, leuchten beide gleichzeitig 
und gleich hell.

Allerdings nur theoretisch. Abgesehen von den physikalischen 
Unmöglichkeiten, derart lange Supraleiter herzustellen und zu kühlen, 
werden die Wellen durch die induktiven und kapazitiven Komponenten des 
Kabels derart verschliffen - langgezogen und in der Amplitude gedämpft 
-, dass da nicht mehr nachzuweisen sein dürfte.

Messbar ist sowas aber wie oben beschrieben durchaus an normalen Kabeln 
im ns-Bereich.

Timm Thaler schrieb:
> Siehe Wasserschlauch-Vergleich von oben. Auch beim Wasserschlauch kommt
> das Wasser nicht sofort nach dem Aufdrehen am Ende heraus. Der Druck
> muss sich erst durch den Schlauch fortsetzen. Die Verzögerung ist
> durchaus sichtbar.

Da Wasser nicht komprimierbar ist, passt immer die gleiche Menge Wasser 
in den Schlauch. Es kann keinen Zeitpunkt gegen wo "mehr" Wasser im 
Schlauch ist. Wenn auf der einen Seite etwas reinfließt muss es am ende 
gleichzeitig wieder rausfließen. Je länger der Schlauch ist, desto 
träger ist das Wasser und braucht mit länger bis es zu fließen anfängt.

mir aber alles egal

jetzt ist urlaub

Hi,

der Wasservegleich ist gar nicht so schlecht:

Wasser ist kompressibel. Davon hängt ja z.B. maßgeblich die 
Schallgeschwindigkeit ab, die wäre sonst unendilch.

http://de.wikipedia.org/wiki/Kompressionsmodul

und Schallgeschwindikeit:
http://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit
der zweite Artikel.

Die Welle im Wasser kann sich auch nur mit Schallgeschwindigkeit 
ausbreiten die 1484m/s bei 1bar beträgt. Dreht man den Hahn an einem 1m 
langen Schlauch auf, kann sich also frühestens nach 674µs am anderen 
Ende was herauskommen - wenn der Schlauch voll ist. In der praxis dauert 
es länger, weil der Schlauch bestimmte Eigenschaften hat. Eben ähnlich 
wie beim Kabel die 0,6c nicht 1c sind.

Der "einfache" Kirchhoff gilt natürlich erst im eingeschwungenen 
Zustand, "vorher" hat man die Laufzeiten der Wellenausbreitung.

Es kommt entscheidend darauf an, wie die Verbindungen zwischen allen 
Lampen und der Batterie geometrisch realisiert sind; nur dann kann man 
die benötigten Wellenwiderstände bestimmen.
Die Lösung hat man deswegen aber immer noch nicht, Glühlampen haben 
leider keinen konstanten Widerstand ...

Eine beliebte Foltermethode für Studenten der Energietechnik sind die 
berüchtigten "Wanderwellen", hier sind sie wieder !

Maxwell, Einstein, alles Quatsch. So verstehts jeder:
Stell dir folgendes vor: Du gehst aufs Amt, in dem verschiedene Leuchten 
in eigenen Amtsstuben sitzen. Dein Anlegen trägst Du erst mal 
Büroleuchte 1 vor. Durch dein lautes Moin! schreckt sie aus ihrem 
gesunden Büroschlaf auf (leuchtet),nuschelt was und schickt dich zur 
zuständigkeitsmäßig 300000 km entfernten Stube 2. Bis Du in Stube 2 
ankommst, ist Leuchte 1 wieder eingeschlafen (aus). Das Spiel wiederholt 
sich, bis die letze Lampe -hochgeschreckt,chr,hm..- dich wieder in Stube 
1 zur Leuchte 1 schickt. Abgenervt mußt Du jetzt erst mal Energie 
tanken.
Du hast bis hierhin gemerkt, das dein Impuls, der durch die Leuchten 
geht, wesentlich höher ist als die Geschwindigkeit der Elektronen, die 
die Leuchten motivieren (einige mm in der Minute, abhängig von nächster 
Gehaltserhöhung und bezahlter Freizeit).
Doch was ist das? Es ist ca 15 Uhr 45. Nirgends mehr Schnarchgeräusche, 
dafür allgemeine Unruhe. Alle Leuchten glimmen zunächst und leuchten 
Kurz darauf sogar gleichzeitig ??
Und jetzt?? 1600!! Der Luftzug reißt dich um. HUII! Verwischte Schatten, 
so schnell, daß man sie nicht erkennt. Das war garantiert 
Lichtgeschwindigkeit.

PS: Wissenschaftlich ungeklärt ist es, wie es einige schaffen, bei 1600 
Dienstschluss schon um 1400 daheim zu sein. Ganz einfach!
DAS IST HYPERSPACE PLUS SCHLAFENDE ENERGIERESERVE.

Eine Leuchte auf einem Amt??? Auch Gedankenexperimente befassen sich nur 
mit Objekten, die in der realen Welt existieren.

Christian L. schrieb:
> In Wasser sind es nur ca. 33.000 km/s

Wieviel soll 3*10^8m/s geteilt durch 1.33 (Brechungsindex von Wasser) 
sein?

Der Strom kann nicht in Lichtgeschwindigkeit fließen, weil die 
Valenzelektronen von einem zum anderen Atom überspringen. Das 
Valenzelektron was nun zuviel drauf ist, muss wieder runter...

> Wieviel soll 3*10^8m/s geteilt durch 1.33 (Brechungsindex von Wasser)
> sein?

Der 'Brechungsindex' von Wasser ist bei niedriger Frequenz ca. 8,9 ...

Die Simulation bestätigt was Timm Thaler schon geschrieben hat. Nach 
einer Sekunde gehen die beiden äußeren Lampen an und nach zwei Sekunden 
die beiden inneren. Es gibt dabei noch einige Reflektionen.

Timm Thaler schrieb auch:

> Allerdings nur theoretisch. Abgesehen von den physikalischen
> Unmöglichkeiten, derart lange Supraleiter herzustellen und zu kühlen,
> werden die Wellen durch die induktiven und kapazitiven Komponenten des
> Kabels derart verschliffen - langgezogen und in der Amplitude gedämpft ...

Hätte man eine verlustlose Leitung, d.h. nur die Beläge L' und C', gäbe 
es auch kein Verschleifen, ein hineingeschickter Rechteckpuls bliebe 
rechteckig.