Elektrischer Strom im dünnen Leitungsdraht

Diese interaktive Simulation modelliert die Bewegung von Elektronen in einem Leiter und veranschaulicht ihre Drift unter dem Einfluss einer angelegten Spannung mit einstellbarer Temperatur.

Das Modell vereinfacht stark!

• Die freien Elektronen (Valenzelektronen, de.wikipedia.org) werden als klassische Teilchen behandelt, die sich mit zufälligen Geschwindigkeiten bewegen, ähnlich wie ein Gas von Teilchen. Ihre Bewegung wird sowohl durch Kollisionen mit Atomen im Gitter als auch durch äussere Kräfte via Spannung beeinflusst.
• Der Leiter wird durch ein metallisches Gitter (Atomgitter) dargestellt, in dem die Elektronen zufällig streuen, wenn sie mit den Atomen kollidieren.
• Die Spannung beschleunigt die Elektronen, wodurch ein elektrischer Strom durch den Draht simuliert wird. Wird die Spannung erhöht, driften pro Zeiteinheit mehr Elektronen zum einen Ende und erhöhen so den elektrischen Strom.
• Mit der Temperatur verändert sich die Energie der Gitteratome, was die Bewegung der Elektronen beeinflusst und deren Drift-Geschwindigkeit verändert.

Die Modellierung freier Elektronen (z. B. Drude-Theorie, de.wikipedia.org) basiert auf klassischer Mechanik anstelle von Quantenphysik (z. B. Fermi-Gas-Modell, cf. de.wikipedia.org). Eine schwache Coulomb-Wechselwirkung wurde hinzugefügt, um zu verhindern, dass sich die Elektronen bei hohen Temperaturen gruppieren. Beachte: Elektronen haben aufgrund der Temperatur in Wirklichkeit ein sehr hohes Tempo (~10⁶ m/s bei 300 K), während die Driftgeschwindigkeit viel langsamer ist (~0.1 mm/s).

Die Applikation ist inspiriert durch ein nicht mehr verfügbares sehr altes Java-Applet der „Europaschule“ (Goethe-Gymnasium Ibbenbüren), das einige Zeit auf LEIFI gespiegelt war.