Schneckenelektronen: langsame Drift, schnelles Signal

Ein Lernspiel mit Simulation. In vergrößertem Kupfer zittern Elektronen schnell, kommen aber nur einen Bruchteil eines Millimeters pro Sekunde voran. Sage die Driftgeschwindigkeit aus I = n·e·A·v_d vorher, die Reise eines Elektrons über 1 m, die Stromstärke aus einer Drift, einen dickeren Draht und die Zeit für das Signal einer Lampe.

StromstärkeDriftgeschwindigkeit

SCHNECKENELEKTRONEN

Wie schnell sie kriechen

Bereit
Aktiviere JavaScript, um die Drift der Elektronen zu sehen. Die Anleitung und das gelöste Beispiel bleiben lesbar.
Strom IElektronen (−), driften in GegenrichtungDas markierte Elektron und seine SpurDeine Vorhersage
DriftgeschwindigkeitI = n·e·A·v_d

Zeit

0.00 s

t

Driftgeschwindigkeit

— mm/s

v_d = I ÷ (n·e·A)

Driftstrecke

— mm

x = v_d·t

Stromstärke

— A

I

Sag voraus, bevor du startest

Gib deine Vorhersage ein, um den Versuch vorzubereiten. Start bleibt aus, bis es eine Antwort gibt.

Sage vorher, wie langsam die Elektronen sind und wie schnell das Signal ist.

Missionspunkte—

Jede Antwort muss auf 2 % genau sein: Jede bringt 100 Punkte. Richtig beim ersten Versuch bringt 50 dazu. Ein Versuch zählt, sobald er beginnt.

✓ Richtige Antwort① Auf Anhieb

So spielst du Schneckenelektronen

  1. Wähle einen Test und lies auf der Karte die Stromstärke, den Draht oder die Strecke.
  2. Nutze I = n·e·A·v_d mit A in m² und v_d in m/s, Zeit = Strecke ÷ Geschwindigkeit und für die Lampe die Geschwindigkeit des Signals.
  3. Gib deine Vorhersage ein und drücke Start. Sieh dem markierten Elektron beim Kriechen zu oder dem Signal auf dem Weg zur Lampe.
  4. Vergleiche die Messwerte und das Diagramm mit deiner orangen Vorhersage.

Langsame Elektronen, schnelles Signal

Ein Metall ist voller freier Elektronen: Kupfer hat n = 8,5 × 10²⁸ davon in jedem Kubikmeter. Sie flitzen mit rund einer Million Meter pro Sekunde umher, aber in alle Richtungen, sodass sie ohne Strom nirgendwohin kommen. Ein Strom fügt eine langsame Drift hinzu: In einer Zeit t durchqueren die Elektronen aus einem Drahtstück der Länge v_d·t einen Querschnitt und tragen die Ladung n·A·v_d·t·e, also ist I = n·e·A·v_d. Weil n so riesig ist, braucht 1 A in 1 mm² Kupfer nur eine Drift von 0,0734 mm/s, und ein Elektron braucht Stunden für einen Meter. Ein dickerer Draht verteilt den Strom auf mehr Elektronen, die noch langsamer driften. Warum leuchtet eine Lampe dann in dem Moment, in dem du den Schalter drückst? Der Draht ist schon voller Elektronen; das Schließen des Schalters schickt ein Signal mit etwa zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit durch ihn, und die Elektronen überall beginnen fast gleichzeitig zu driften, wie Wasser in einem Schlauch, der schon voll ist.

Ein fokussiertes Lernmodell

Kupfer hat n = 8,5 × 10²⁸ freie Elektronen pro m³, jedes mit der Ladung e = 1,602 × 10⁻¹⁹ C, und der Strom ist von Anfang an konstant. Das Zittern steht für die Wärmebewegung der Elektronen, etwa 10⁶ m/s in zufällige Richtungen, und ist nicht maßstabsgetreu; die Drift ist im vergrößerten Draht, 0,5 mm breit im Bild, mit ihrer echten Geschwindigkeit gezeichnet. Das Signal läuft mit 2,0 × 10⁸ m/s, einem typischen Wert für ein Kabel. Die Uhr jedes Tests läuft in ihrer eigenen Einheit, beschleunigt oder verlangsamt, damit ein Versuch 4 s dauert, und der Bildschirm zeigt, um wie viel. Antworten innerhalb von 2 % sind richtig.

Beim Sprachwechsel bleiben Versuch, Vorhersage, Versuche und Durchgang erhalten.