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

[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.