Електричне поле провідника зі струмом

Господа, добре всім час доби! Сьогодні коротенечко розглянемо порушене в статті про силу струму питання, чому ж лампочка спалахує миттєво при такій малій швидкості спрямованого руху заряджених частинок. Йтиметься, як вже багато хто здогадався, про електричному полі провідника зі струмом. Ми спробуємо розібратися як це поле виглядає всередині і зовні провідника і розглянемо механізм його утворення. Отже, погнали!

Насправді ми зараз розглянемо досить нетривіальні речі. Справа в тому, що коли мова заходить про електричне поле часто виникає нерозуміння фізики процесів і нескінченні суперечки про те, що ж це таке, особливо якщо мають місце бути рухомі заряди. У хід йде потужна артилерія з цілого каскаду рівнянь Максвелла та інших дивергенції, однак і це не завжди призводить до однозначного розуміння того, що відбувається.

Скажу чесно, спочатку я взагалі не хотів писати статтю на цю тему і зачіпати розгляд цього питання, тим більше, що в інженерній практиці він не має великого значення. Однак, поміркувавши, все-таки я вирішив коротко розглянути його для повноти картини, зрозуміло, на максимально простому рівні.

Перш за все поставимо собі запитання - а що ж потрібно для того, щоб мав місце електричний струм? По суті ми вже відповіли на це питання в статті про силу струму . Нам потрібно наявність вільних заряджених частинок - електронів або іонів, а також деякої сили, що викликає це впорядкований рух. Ця сила - електричне поле. Так, саме завдяки електричному полю і виникає електричний струм.

Що саме таке електричне поле, як воно створюється, чим характеризується і які закони описують поведінку зарядів в ньому ми розглянули ось в цій статті. Про всяк випадок ще раз нагадаю, що електричне поле створюється електричними зарядами.

Отже, поле створюється зарядами. Ок. Як же в підсумку виникає струм в провіднику? Розглянемо ланцюг, що складається з провідника з навантаженням і батарейки. Батарейка створює деякий напруга. На мінусовій клеми батареї, очевидно, має місце надлишок електронів. Це мінус і за визначенням там електронів більше, ніж на плюсі. Ці заряди створюють навколо себе поле. Але що робити, якщо довжина провідника кілька кілометрів? Адже поле затухає пропорційно квадрату відстані, як ми пам'ятаємо з закону Кулона. При замиканні ланцюга ці електрони з мінусовою клеми починають діяти на прилеглі електрони в провіднику, штовхати їх у сторони. Частина електронів рухатиметься уздовж осі провідника. Частина електронів досягне поверхні провідника і збереться на ній. Утворюється типу поверхневого заряду. Цей поверхневий заряд буде створювати поле в наступній ділянці провідника. Ну і так далі. Поширення поверхневого заряду ілюструє малюнок 1.

Малюнок 1 - Поширення поверхневого заряду

Справа в тому, що поширюватися цей самий заряд, ну, тобто, по суті поле, буде зі швидкістю світла, яка, як відомо, дорівнює приблизно 300 000 км / с. Дуже швидко. Тому і загориться лампочка майже миттєво. Це поле називається стаціонарним. Воно незмінно протягом часу. Так, заряди рухаються. Але на їх місце приходять нові, точно такі ж по величині.

Господа, як ми всі пам'ятаємо з отієї ось статті для візуалізації електричного поля і його наочного уявлення прийнято використовувати силові лінії. Як же виглядають силові лінії всередині провідника зі струмом і зовні від нього? Відповідь така: всередині провідника зі струмом силові лінії паралельні осі провідника, а зовні - йдуть під кутом до нього. Це показано на малюнку 2.

Малюнок 2 - Силові лінії провідника зі струмом

Чому це так? Розберемося спочатку з ситуацією поза провідника. Як ми вже з'ясували на провіднику з струмом, на його поверхні, міститься поверхневий заряд. Причому (панове, увага!), Цей заряд плавно зменшується по довжині провідника. Ясно, що поруч з мінусом буде набагато більший надлишок електронів, ніж поруч з плюсом, на якому, навпаки, їх недолік. Тобто є поздовжня складова вектора напруженості. Крім того, очевидно, є складова вектора напруженості, перпендикулярна поверхні провідника. Поверхневий заряд адже світить своєю напруженістю навколо себе. Разом, за правилом додавання векторів отримуємо, що поза провідника поле направлено під кутом до нього. Господа, для тих, хто раптом забув, нагадую правило додавання векторів. Воно показано на малюнку 3.

Малюнок 3 - Правило додавання векторів

Усередині ж провідника створюються такі умови, що силові лінії напруженості спрямовані уздовж його осі. Чому це так? Відповідь може бути такою. Очевидно, що в провіднику з струмом сила струму однакова по всій довжині провідника. Хто не вірить - амперметр в лапки і вперед вимірювати. Це означає, що по всій довжині провідника швидкість зарядів одна і та ж. Панове, це незаперечно виведено в нашій найпершої статті про силу струму. Якщо швидкість одна і та ж, то однакова і сила, з якою поле діє на заряди. А раз однакова сила, то буде одна і та ж напруженість поля у всіх перетинах провідника. Сила ж залежить безпосередньо від напруженості! Причому однакова сила буде при будь-якій довжині провідника. Це свідчить про те, що лінії напруженості в провіднику паралельні осі провідника.

ОФФ! Господа, трохи відпочиньте і прочитайте попередній абзац ще разок. Знаю, там одне, чіпляється за інше, потім інше за третє і в кінці вже не пам'ятаєш, з чого починалося. В такому випадку краще відпочити і перечитати ще разок перед тим, як читати далі. Відпочили? Тоді їдемо далі!

Залишився ще один слизький питання. Як же розподілена щільність струму в провіднику з постійним струмом? За ідеєю вона повинна бути у поверхні трохи більше: там адже існує поверхневий заряд, тобто більш висока концентрація електронів. Однак в літературі я ніде не знайшов ні підтвердження, ні спростування цього доводу. Всі чомусь обходять це питання. Розгляду підлягає тільки розподіл щільності в разі змінного струму, скін-ефект там і інше. Але тут же це ні до чого. Тут може бути тільки кулоновское розштовхування зарядів ближче до поверхні провідника ... Панове, якщо у кого є міркування з цього приводу, будь ласка, напишіть в коментарі. Але що можна сказати однозначно, навіть якщо і розштовхування є, то воно мінімально. На практиці їм нехтують, вважаючи, що постійний струм цілком, з однаковою щільністю, тече по всьому перетину провідника.

Але повернемося ще раз до питання, чому струм в ланцюзі виникає практично миттєво. Що б стало зовсім зрозуміло, наведемо аналогію з області гідравліки. Не лякайтеся, панове. Я в той же в цій прекрасній науці мало шарю. Тільки якщо на практичному рівні: полагодити кран, замінити трубу, прикрутити вентиль. Так що залиште ваші страхи, ніяких рівнянь Нав'є-Стокса та інших Ейлеров не буде! Візьмемо водопровід у вашому домі. Взагалі, як не дивно, дуже багато речей в електриці можна краще зрозуміти на прикладі цього самого водопроводу. По суті протікання струму в провідниках чимось схоже з протіканням води в трубах.

Отже, водопровід наповнений водою (провідник наповнений вільними електронами). В системі водопроводу є тиск (до провідника докладено напруга, в провіднику є електричне поле). Ми відкриваємо кран (замикаємо електричне коло). З крана починає текти вода. Увага, панове! У момент відкривання крана починає текти не та вода, яка на найближчій водокачки. А та, яка вже в трубах, та, яка поруч з вами, і починає вона текти миттєво (лампочка загоряється миттєво) при відкритті крана, не дивлячись на те, що швидкість течії води може бути невеликою (ми пам'ятаємо наші висновки про швидкість руху електронів).

Аналогія цілковита, як ми бачимо. А що це означає - це означає, що навіть якщо ви електронник / електрик, сантехніку знати зайвим теж не буде! Ці дві області мають в собі більше спільного, ніж може здатися на перший недосвідчений погляд!

Отже, ми розглянули питання що ж викликає протікання струму в провіднику, пояснили, чому струм виникає у всій ланцюга практично миттєво не дивлячись на вкрай низьку дрейфову швидкість переміщення зарядів і показали, як формується поле в провіднику з постійним струмом. Господа, вважаю, на сьогодні достатньою. Удачі вам всім і до швидких зустрічей!

Вступайте в нашу групу Вконтакте

Питання та пропозиції адміну: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.