Hallo :) Warum leitet fließendes Wasser den Strom genau so gut, wie ruhendes? Betrachte ich die Ionenbeweglichkeit verschiedener Stoffe, liegen alltagübliche Ione wie Chlorid und Natrium mit einer Beweglichkeit um ~5 e-4 cm/s bei einer Feldstärke von E = 1 V/m vor. Elektronen bewegen sich auch nicht schneller im Wasser (deren Bewegung ist ja abhängig von der Ionenleitfähigkeit, weshalb Elektrolyte überhaupt erst leiten). Wenn der Stromfluß im Wasser nun abhängig ist von der Ionenbeweglichkeit und diese echt langsam voran kommen, warum kann ein Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? Ich habe da sicher nur einen Denkfehler. Erklärt mir das bitte mal, damit ich das verstehe. Ich weiß, das der elektromagnetische Impuls mit Lichtgeschwindigkeit ausgebreitet wird. Diese physikalische Eigenschaft bekomme ich aber nicht richtig mit der obigen Überlegung zusammen, weil der Impuls ja über die Elektronen übertragen wird und als Welle durch einen Leiter dringt. Ich verstehe es nicht.
Ingo S. schrieb: > Warum leitet fließendes Wasser den Strom > genau so gut, wie ruhendes? Das habe ich mich auch schon oft gefragt. Man kann den Versuch nachbauen. Zwei Elektroden seitlich, senkrecht in den Wasserstrahl am Spülbecken halten und mit einem Transistor verstärken um eine LED zum Leuchten zu bringen. Egal wie rum man die Elektroden in den Wasserstrahl hält (wegen der Elektronenflussrichtung), die LED leuchtet in beiden Fällen.
Elektronen bewegen sich im Kupferdraht übrigens auch schnarchlangsam - Stichwort Driftgeschwindigkeit. Jetzt stelle dir deine Ionen mal als Kugeln mit einem Durchmesser von 1 cm vor, die in einem Rohr mit einem Innendurchmesser von etwas mehr als 1 cm und einer Länge von 1 m waagerecht untergebracht sind. Was passiert, wenn du die hundertunderste Kugel reinschiebst? Genau, die erste Kugel fällt sofort und augenblicklich vorne raus, obwohl du die letzte nur um 1 cm bewegt hast... Das ist nur ein Gedankenexperiment, keine physikalische Herleitung!
Man kann sich das vermutlich so veranschaulichen: Stelle dir vor eine Schulklasse spielt stille Post. Dabei reihen sich alle Schüler aber noch auf und spielen gleichzeitig diese Faschingstradition, bei der man sich in einer Reihe fortbewegt. Da die Schüler recht schnell sprechen können, bewegt sich die stille-post-Information viel schneller fort als die Schrittgeschwindigkeit. Wenn sich die Reihe nach links bewegt und die stille Post nach rechts, dann kommt die stille Post dennoch nach rechts vorran. Beim elektrischen Stromfluss entsprichen die Schüler den Elektronen und die "Stromflusswirkung" der stillen Post.
Ingo S. schrieb: > warum kann ein > Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das > Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? Und welche Richtung wäre das? Entgegen Na⁺ oder entgegen Cl⁻?
Ingo S. schrieb: > Wenn der Stromfluß im Wasser nun abhängig ist > von der Ionenbeweglichkeit und diese echt > langsam voran kommen, warum kann ein > Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das > Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? Der elektrische Stromfluß ist doch eine Elektronenstoßwelle. So wie wenn du einen festen Körper an einem Ende schiebst und er sich "sofort" am anderen Ende bewegt ... LG, Sebastian
> Elektronen
ich meinte Ionen
Ingo S. schrieb: > Warum leitet fließendes Wasser den Strom > genau so gut, wie ruhendes? Tut es denn das? Ionenleitung ist ca. um den Faktor 100.000 langsamer als Elektronenleitung. Was immer noch ziemlich(3km/s)schnell ist. Interessante Frage.
Sebastian W. schrieb: > Der elektrische Stromfluß ist doch eine Elektronenstoßwelle. Hmm ... Mal übersetzt in etwas Ähnliches, das besser vorstellbar ist: Schallgeschwindigkeit im Wasser. Wenn sich das Wasser entgegen den Schall bewegt, dann kann der Schall nicht am anderen Ende austreten, wenn das Wasser mit Überschall fließt. So wie ein Flugzeug das Überschall fliegt. -> Das Wasser fließ nur zu langsam. Du musst näher an die Lichgeschwindigkeit kommen. :-)
Nick M. schrieb: > -> Das Wasser fließ nur zu langsam. Du musst näher an die > Lichgeschwindigkeit kommen. :-) Auch eine Möglichkeit, an Schwerwasser zu kommen ... ;-)
mal von der anderen Seite überlegt. Würde ein U-Rohr aus Glas mit elektrolytischem Wasser gefüllt und nur in einer Hälfte des Rohres Strom fließen, dessen Spannung nicht die Zersetzungsspannung des Wassers übersteigt, sollte, wenn fließendes Wasser in eine Richtung besser/schlechter Strom leitet, sich eine Höhendifferenz einrichten. Die Ionen üben demnach eine Kraft auf das Wasser aus. Um diese winzige Kraft messbar in diesem Aufbau anzeigen zu können, sofern sie existiert, sollte das U-Rohr (resp. Schlauch) in sehr flachem Winkel zur Ebene verlaufen, um kleinste Höhenunterschide in unterschiedlichen Längen der Wassersäule bemerken zu können. Theoretisch sollte sich mindestens die Differenz der Wanderungsgeschwindigkeit gleichwertiger, entgegengesetz geladener Ionen als Kraftwirkung äußern.
Ingo S. schrieb: > warum kann ein > Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das > Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? das Wasser fliesst einfach zu langsam
Georg M. schrieb: > Ingo S. schrieb: >> warum kann ein >> Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das >> Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? > > Und welche Richtung wäre das? Entgegen Na⁺ oder entgegen Cl⁻? Richtig. Es entstehen wohl an der einen Elektrode positive Ionen und an der anderen Elektrode negative Ionen, welche jeweils zur anderen Seite wollen. Fließt das Wasser, geht zwar die eine Richtung schneller, aber die andere langsamer. Erwärmt man dagegen das Wasser, bewegen sich alle Teilchen schneller, und zwar in alle Richtungen. Heißes Wasser leitet besser.
Stefan H. (Firma: dm2sh) (stefan_helmert) >> Und welche Richtung wäre das? Entgegen Na⁺ oder entgegen Cl⁻? >Richtig. Es entstehen wohl an der einen Elektrode positive Ionen und an >der anderen Elektrode negative Ionen, welche jeweils zur anderen Warum sollen die entstehen. Die existieren doch schon in einer solchen Lösung, und werden durch den Stromfluß/Elektrolyse entsprechend entladen (neutralisiert). Ingo S. (Firma: privat) (nisus) >Wenn der Stromfluß im Wasser nun abhängig ist >von der Ionenbeweglichkeit und diese echt >langsam voran kommen, warum kann ein >Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das >Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung beitragen. Eigentlich isses doch eher egal, woher die Ionen kommen, die entladen werden. Es können also auch die Ionen sein, die gerade angeschwemmt werden. D.h., egal, wie schnell das Wasser fließt, Du hast immer dieselbe Konzentration an Ionen, die gerade entladen werden könnten.
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Jens G. schrieb: > Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung > beitragen. Faraday hat das gesagt. Hofmann hat es im Zersetzungsapparat beweisen können und Coloumb die dazugehörigen Verhältnisse formuliert. ( im Anhang eine kurze Inspiration... ) Jens G. schrieb: > Du hast immer dieselbe Konzentration an Ionen, die gerade entladen > werden könnten. Das stimmt sicher. Allerdings wirken zwischen den Elektroden Äquipotentiale und diese reichen nun mal nicht hinter die Elektroden. Aus der Vorstellung ginge sogar hervor, fließendes Wasser würde gar besser leiten, als ruhendes, da die Fließgeschwindigkeit sich zur Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen addiert und so ein Ladungsaustausch schneller voran ginge. Wenn ich Zeit habe, versuche ich das mit dem U-Rohr.
Ingo S. schrieb: > Wenn der Stromfluß im Wasser nun abhängig ist > von der Ionenbeweglichkeit und diese echt > langsam voran kommen, warum kann ein > Stromfluß nicht verhindert werden, wenn das > Wasser entgegen der Ionenbewegung fließt? Weil flüssiges Wasser kein Einkristall und kein Festkörper ist. Du vergisst m.E. die ungeordnete thermische Bewegung aller Teilchen, der die sehr langsame Drift infolge der elektrischen Feldstärke überlagert ist. Das Bild wäre also eine Klasse jüngerer Schulkinder, die stundenlang Fangen spielen und dabei ganz allmählich von der einen Ecke der Wiese in die andere driften. > Ich weiß, das der elektromagnetische Impuls > mit Lichtgeschwindigkeit ausgebreitet wird. > Diese physikalische Eigenschaft bekomme ich > aber nicht richtig mit der obigen Überlegung > zusammen, weil der Impuls ja über die Elektronen > übertragen wird und als Welle durch einen > Leiter dringt. Jein -- falsche Denkrichtung. In metallischen Leitern stehen nur Elektronen als frei bewegliche Ladungsträger zur Verfügung, deswegen können dort auch nur Elektronen zum Stromfluss beitragen. Wenn Ionen da sind und sich frei bewegen können, tragen die natürlich auch bei. Und wenn eine Dispersion geladene Partikel enthält, bewegen die sich auch gerichtet im elektrischen Feld (Elektrophorese). Außerdem, auch ortsfeste Ladungen werden vom elektrischen Feld beeinflusst: Polarisation! Wenn also irgendwo "Quellen elektrischer Feldlinien" vorhanden sind, breitet sich diese Nachricht wie ein Lauffeuer durch das Material aus, weil sich -- im Fall des Wasser -- die vielen permanenten Dipole nur ein kleines Stückchen anders drehen müssen. Gerichtete Wanderung ist nur ein Mechanismus.
Ingo S. (Firma: privat) (nisus) >Jens G. schrieb: >> Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung >> beitragen. >Faraday hat das gesagt. >Hofmann hat es im Zersetzungsapparat >beweisen können und Coloumb die >dazugehörigen Verhältnisse formuliert. >( im Anhang eine kurze Inspiration... ) Was haben die denn gesagt? Sicherlich auch nur, daß es bestimmte stöchiometrische Verhältnisse gibt zw. Elektronen und Ionen. Dagegen hatte ich ja nix gesagt. >Jens G. schrieb: >> Du hast immer dieselbe Konzentration an Ionen, die gerade entladen >> werden könnten. >Das stimmt sicher. Allerdings wirken >zwischen den Elektroden Äquipotentiale >und diese reichen nun mal nicht hinter die >Elektroden. Aus der Vorstellung ginge sogar >hervor, fließendes Wasser würde gar besser >leiten, als ruhendes, da die >Fließgeschwindigkeit sich zur >Wanderungsgeschwindigkeit der Ionen >addiert und so ein Ladungsaustausch >schneller voran ginge. Naja, was heißt besser. Der Ladungsaustausch ist konstanter. Sieht man ja an unseren alten Batterien, die rel. schnell schlapp machen, weil die Ionenkonzentration um die Elektroden herum abfällt, aber nach Erholung wieder gut und kurzzeitig loslegen können. >Wenn ich Zeit habe, versuche ich das mit dem >U-Rohr. Jo, mach mal ...
Reinstwasser hat laut Wikipedia einen spezifischen elektrischen Widerstand von Rs = 1 E12 Ohm*mm^2*m^-1 Meereswasser hingegen, welches dort nicht näher angegeben ist in seiner Ionenkonzentration, liegt mit Rs = 5 E5 Ohm*mm^2*m^-1 vor und ist somit 10000000 mal leitfähiger. Reinstwasser bildet den Übergang zwischen Leiter und Isolator. Jens G. schrieb: > Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung > beitragen. Wenn nicht die Ionen für die Leitfähigkeit verantwortlich sind, was dann? Jedes einwertig negative Ion transportiert also ein Elektron zur Kathode und jedes einwertig positive Ion transportiert eine positive Ladung zur Anode, wo dann der entsprechende Ausgleich stattfindet. Kann ein Ion, welches an der Stromleitung bereits beteiligt war, weiter zur Stromleitung beitragen, oder sind die dann "kaputt"? Also Salzwasser sollte dann ja mit der Zeit an Leitfähigkeit verlieren 🤔 Das würde wieder darauf hinweisen, daß fließendes Wasser dann doch besser leitet, als ruhendes, weil Jens G. schrieb: > Du hast immer dieselbe Konzentration an Ionen, die gerade entladen > werden könnten.
Ich hänge hier mal ein mechanisches Analogon an, über das sich sicher viele nicht bewusst sin: Die Frage des TO fand ich wirklich interessant. In der Mechanik ist es genauso. Man stelle sich ein altes Stellwerk der Bahn vor, in dem mit Hebeln über Seilzüge Weichen und Durchfahrtssignale bewegt wurden. Auch da kann das Seil nur mit der Schallgeschwindigkeit in Stahl das Signal transportieren. Ein Signal in mehreren km Entfehrung wird also erst Sekunden später reagieren. Nein Herr Verkehrsrichter, ich hab rechtzeitig gebremst. Die Signallaufzeit in der Hydraulik war zu hoch.
Ingo S. (Firma: privat) (nisus) >Jens G. schrieb: >> Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung >> beitragen. >Wenn nicht die Ionen für die Leitfähigkeit >verantwortlich sind, was dann? Das habe ich nicht so geschrieben - lese nochmal komplett meinen Satz durch ...
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Bearbeitet durch User
Nick M. (muellernick) >Ich hänge hier mal ein mechanisches Analogon an, über das sich > ... usw. ... Und wo ist hier der Zusammenhang zum Thema? Es geht hier ja nicht um Signalweiterleitung ...
Jens G. schrieb: > Es geht hier ja nicht um Signalweiterleitung ... Ach? Geht es Dir um die Driftgeschwindigkeit der Ladungsträger? Das solltest Du nicht ernst gemeint haben!
Jens G. schrieb: >> Jens G. schrieb: >>> Wer sagt denn, daß nur die Ionen zw. den Elektroden zur Stromleitung >>> beitragen. > >> Wenn nicht die Ionen für die Leitfähigkeit >> verantwortlich sind, was dann? > > Das habe ich nicht so geschrieben - lese nochmal komplett meinen Satz > durch ... ja jetzt habe ich verstanden, worauf die Aussage bezogen ist. Es geht darum, daß alle Ionen geeignet sind, Ladung zu transportieren. Also nicht nur jene, welche momentan in der Strecke zwischen den Elektroden sind. Mein Fehler.
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