вопросы об электричестве

[avva]

Пытаюсь лучше понять, как устроено электричество в простых цепях. В частности, я понял, что не понимаю микроскопическую картину того, как возникает ток при замыкании цепи. Например, я подключил к батарее лампочку, и цепь на данный момент раскрыта ключом. Я замыкаю цепь; что конкретно происходит с электронами и полями?

Изучил несколько разъяснений и статей, которые навели некоторый порядок в голове. На сайте Уильяма Бити есть отличные очерки Electricity is NOT a form of energy и In a simple circuit, WHERE does the energy flow?. Вообще на его сайте есть еще много про электричество и неверные мифы о нем.

Статья Understanding Electricity and Circuits: What the Text Books Don’t Tell You еще больше помогла с прояснением микроскопической картины, и с понимаем того, как энергия переносится от батареи к лампочке не электронами в проводе, а электромагнитным полем вне провода, рядом с ним. Еще несколько источников на ту же тему: Energy transfer in electrical circuits: A qualitative account, A unified treatment of electrostatics and circuits.

Тем не менее, полного ответа на свой вопрос я, кажется, не получил. Пусть у нас есть батарея, и от ее полюсов отходят медные провода длиной, скажем, в 100 метров каждый. К одному из проводов последовательно подключена лампочка. Я подвожу концы проводов друг к другу, но еще не соединяю. Цепь разомкнута, лампочка не горит, тока нет, поэтому, если я правильно понимаю, электрического поля внутри проводов и магнитного поля вокруг них тоже нет. Теперь я замыкаю цепь.

Если я верно понял вышеописанные ссылки (если неправильно - поправьте), на поверхности проводов образуются скопления зарядов, причем неоднородные, и разница между ними на протяжении провода образует электрическое поле. Это поле движет (медленно) электроны в проводнике, что создает магнитное поле вокруг провода; это магнитное поле в сочетании с электрическим полем от зарядов на поверхности создает поток электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга) вдоль провода, и эта энергия возвращается в каждую точку проводника ровно в той степени, в какой это место рассеивает энергию; т.е. львиная доля энергии приходится на лампочку.

Однако чего я не понял - это каким образом замыкание цепи приводит к образованию этих скоплений зарядов на поверхности проводника, откуда берется их неоднородность итд. Иными словами, что именно происходит на микроскопическом уровне в момент замыкания цепи и далее до возникновения вышеописанного стабильного состояния (если я его действительно правильно описал). Если есть знающие люди, готовые объяснить или дать ссылку на хорошие объяснения, буду рад.

Comments

[akuklev.livejournal.com]

Наконец если рассмотреть вашу цепь с батарейкой, лампочкой и выключателем, то картина такая:
1) Пока вы собирали цепь, батарейка произвела небольшую работу (перекачала совсем чуток электронов) из половины разомкнутого контура справа от неё, в половину контура слева от неё или наоборот. В итоге вышло, что с одной стороны есть некая недостача электронов (распределённая по объёму проводника почти равномерно), в другом лёгкий переизбыток (распределённый почти исключительно по поверхности). Разница плотностей электронов при этом малююююсенькая.
2) Вы смыкаете переключатель, с той стороны, где электронов избыток, лишние устремляются на другую сторону. Этого хватает для ударной волны, проходящей по всей цепи. Каждый отдельный электрон двинулся на неисчислимо малое расстояние, но почти со скоростью света по всей цепи произошло распределение кинетической энергии, все электроны вдоль обочин проводника начали прямолинейно и равномерно двигаться (опять же, с очень низкой скоростью).
3) Вдоль проводника строго по его границе (даже чуть больше снаружи границы чем внутри) в сторону от минуса батарейки к плюсу распространилось электрическое поле, на каждом участке пропорциональное сопротивлению этого участка. Т.к. проводник хороший и сопротивление низкое, это очень низкое поле, не поддающееся прямому измерению.
4) Тем не менее, это самое поле толкает электроны вперёд, на смотря на из рассеяние на атомах кристаллической решётки проводника, приводящее к термическому возбуждению атомов (нагреванию проводника, порождению фононов, а затем и фотонов).
5) Источником такового является в конце концов батарейка, которая химически просто разделяет (с какой-то не очень большой эффективностью) атомы и их внешние электроны, посылая последние на один из своих внешних контактов и принимая лишние для соединения с обездолеными атомами со стороны другого контакта.

[akuklev.livejournal.com]

Ну и под конце дисклеймеры: Вообще я занимаюсь КТП, а в физике твёрдого тела не силён. Этот самый электронный газ, который я тут описывал, это в общем примитивнейший подход — модель Друде. По факту там имеется ещё стопиццот хитрых эффектов, в которых я не разбираюсь. Так что вот в таком понимании того, что происходит в проводнике и как работают цепи я вынужден ссылаться на авторитеты, в частности моего лектора по физике твёрдого тела, который вроде хороший учёный и утверждает, что понимание на уровне модели Друде “Is far better that any other sort of understanding possible without extensive usage of greek letters and feynman diagrams.”

[xaxam.livejournal.com]

Вначале было чисто Поле, и было оно безвидно и пусто. А потом его засеяли электронами и началась движуха.