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

[sibirets.livejournal.com]

Представьте себе проводящий шар со сферической полостью в центре. В центре полости пусть сидит электрон. На поверхность полости набежит положительный заряд равный по величине заряду электрона и тем самым скомпенсирует поле внутри шара. На внешней стороне шара, в свою очередь, набежит отрицательный заряд.

Выберем поверхность, которая проходит внутри шара и охватывает плотность. Полный заряд внутри этой поверхности равен нулю: заряд электрона плюс заряд на поверхности полости. А теперь будем сжимать полость (или, если угодно, рассматривать набор шаров с различными полостями внутри) и заодно сжимать поверхность. Заряд всегда будет равен нулю. В пределе будет тот же ноль. Получается, что внутри любой поверхности, выбранной внутри шара, заряд равен нулю. Следовательно, плотность заряда внутри шара равна нулю.

Этот вывод для идеально проводящего шара остается справедлив и если рассматривать ситуацию микроскопически. В реальности, конечно, картинка будет более сложной. Например, в сверхпроводнике начнутся хитрости, когда размер контрольной поверхности станет меньше какой-нибудь характерной длины когерентности, например, размера куперовской пары.

[gdt.livejournal.com]

да, вы совершенно верно все написали, если предполагать, что заряд -- непрерывная функция. переходя к пределу, мы просто получаем, что заряда внутри нет, а электрон размазался по поверхности. но я про другую модель говорю, где зяряды -- это "шарики". так мы получим равновесную конфигурацию этих шариков, но равновесие будет неустойчивым. еще пример -- несколько электронов на диаметре.

[sibirets.livejournal.com]

С электроном-шариком даже проще, потому что на поверхность шарика эффективно налипнет положительный заряд. Соображение здесь (в классике) очень простое - если в каком-то объеме ненулевой заряд, то тогда есть поле, а если есть поле заряды в проводнике будут перераспределяться. Сторонние заряды можно руками держать, от этого ничего не изменится, проблема начинается, когда заряды в продводнике держат, но тогда он перестает быть проводником.

[gdt.livejournal.com]

да, именно так. только я о другом говорил -- точечные заряды можно расположить так, что их система будет находиться в равновесии. впрочем, соглашусь с вами, похоже, я ошибся -- к классической модели проводника это не имеет отношения.