Inside a Conductor — Random Motion to Drift
Ein geschlossener Kupferkreis, aufgeschnitten, damit Sie die freien Elektronen darin sehen können. Ohne Feld rasen sie bereits mit rund 10⁶ m/s umher, stoßen mit dem Kristallgitter zusammen und kommen im Mittel nirgendwohin. Schalten Sie das Feld ein, und über diesem Rasen erscheint eine langsame, stetige Schräglage — und diese Schräglage ist der gesamte Strom.
So benutzt du diese Simulation
- Drücken Sie Field off, um die reine Wärmebewegung ohne jeden Strom zu beobachten
- Drücken Sie Field on, um die Drift zu überlagern und Ladung durch den Querschnitt treten zu lassen
- Verfolgen Sie ein hervorgehobenes Elektron über mehrere Stöße und sehen Sie seinen Zickzackweg
- Gehen Sie den Kreis entlang, um zu prüfen, dass die Drift überall gleich ist
Worauf du achten solltest
- Ohne Feld bewegen sich die Elektronen schnell, doch die Wolke als Ganzes bleibt stehen
- Mit Feld bleibt das Rasen unverändert — es wird lediglich eine langsame einseitige Schräglage hinzugefügt
- Die Drift ist gegenüber der thermischen Geschwindigkeit so langsam, dass man die Wolke betrachten muss, nicht ein Elektron
- Stöße mit dem Gitter setzen die Beschleunigung ständig zurück, weshalb die Drift konstant bleibt statt anzuwachsen
- Jeder Querschnitt des Kreises trägt dieselbe Drift, daher ist der Strom auf dem ganzen Weg gleich
Die Physik dahinter
Die thermische Geschwindigkeit in Kupfer bei Raumtemperatur liegt bei etwa 10⁶ m/s, doch die Richtungen sind zufällig, sodass die mittlere Verschiebung null ist und keine Ladung transportiert wird. Ein angelegtes Feld E fügt zwischen den Stößen eine Beschleunigung a = eE/m hinzu, die jeder Stoß wieder auf null zurücksetzt. Das Ergebnis ist ein kleiner konstanter Mittelwert, die Driftgeschwindigkeit, typischerweise in der Größenordnung 10⁻⁴ m/s — zehn Größenordnungen unter der thermischen Geschwindigkeit. Der Strom ist I = nAv_d e, und nur dieser winzige Driftanteil taucht darin auf.