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

[mopexod.livejournal.com]

Избыток заряда на поверхности тут ни при чем (аналогия с газом - напряжения в стенке трубы, возникающие из-за давления газа, на поток газа не влияют). Кроме того у нас нет ощутимого избытка заряда: перед включением батарейка создала заряд в проводках, который зависит от ёмкости системы (capacitance), которая для проводов мала.

Энергию переносят электроны, взаимодействующие с решеткой, при их движении по решетке (электрон-фононное взаимодействие, кроме названия почти ничего про него не знаю). Решетка в спирали лампочки взаимодействует с электронами сильнее, чем в проводах.

Тут, на мой взгляд, аналогия с газом - полная. Если создать разность давления на концах трубки - молекулы газа станут перемещаться от конца с большим давлением к концу с маленьким. Как и с электронами, можно посмотреть на это на двух уровнях - микро и макро.

На микроуровне никакого "давления" нет - молекулы совершают Броуновское движение, которое в основном хаотично, но имеет вектор в сторону низкого давления из-за того, что частота ударов со стороны большего давления выше (там количество молекул больше). Этот вектор крайне мал по сравнению со скоростью движения самих молекул и со скоростью звука. Взаимодействие молекул между собой "бесплатно" - если трубку заткнуть с двух сторон, молекулы продолжат броуновское движение.
То же у электронов - они колеблются в решетке, постепенно смещаясь в локальном поле, которое создается их соседями. Само колебание "бесплатно", если нет поля - колебания все равно есть.

На макроуровне есть напряжение в стенках трубы, которое создает давление. Молекулам безразлично - стукнулись они об трубу или друг об друга. На поток газа напряжение в стенках не влияет. Аналогично, в проводах есть неоднородность поля на поверхности, ровно такая, чтобы скомпенсировать внутреннее поле. На поток электронов внутри провода и на взаимодействие их с решеткой это тоже не влияет.

Переменное напряжение в "бытовом смысле" от постоянного отличается мало, "skin effect" в домашней проводке несущественен. На 50 герцах толщина проводящего слоя около сантиметра. Хотя, если сквозь тело - то кожа пострадает больше, чем внутренние органы - может спасти жизнь.

Radio transmission line - это точно не про батарейку и лампочку, это про излучение ускоренно-движущихся зарядов. Если не экранировать - получится антенна, которая излучит часть энергии движения зарядов внутри проводника. К передаче энергии от электронов к решетке это не относиться, imho.

[a-bronx.livejournal.com]

"Энергию переносят электроны" и "энергию переносит поле" -- это просто два разных способа сказать одно и то же, дуальные модели. Электроны же взаимодействуют с решёткой не напрямую, как бильярдные шары, а через коллективное поле всех зарядов -- т.е. поле проводника. Так что, что пнём по сове, что совой об пень. Можно считать, что свободные электроны являются переносчиками энергии поля, накопленной в источнике питания, а можно считать, что энергию переносят фотоны, излучаемые ускоренно-движущимися зарядами. В проводе с постоянным током заряды движутся большей частью равномерно, поэтому излучение от проводов минимально, а вот внутри батареи и внутри нагрузки заряды движутся ускоренно, значит эм.излучение идёт от батареи к нагрузке, и, как водится, идёт оно по "кратчайшему" пути, через воздух.

Выбрать ли переносчиками фотоны или электроны -- это вопрос соответствия модели поставленной задаче. Решать простые цепи через уравнения Максвелла и вектор Пойнтинга никому не нужно, там хватит модели электронного газа. Но если хочется через поля и одновременно "на пальцах", то без особой потери общности можно считать, что батарея "светит" на любую активную нагрузку (в т.ч. и на себя) в цепи и нагревает её своим излучением. Да, излучение слишком длинноволновое и мы его не видим, но если бы могли ощущать фотоны из этого диапазона частот и включились бы в цепь как её активный элемент, то для нас бы это выглядело бы именно так: яркая батарея греет нас своим излучением, ускоряя наши внутренние электроны, отдавая им свою энергию, а через них и нашим атомам; а электроны в проводах как бы вообще не при чём, замкнутая цепь просто даёт электронам возможность более свободно двигаться по одной из координат, не взирая на сильное взаимооталкивание (если такой цепи нет, то все отталкиваются и ускоряться некуда).