вопросы об электричестве
Nov. 25th, 2012 04:11 am![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
avvaПытаюсь 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.
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.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Date: 2012-11-28 11:59 pm (UTC)Однако, частичный заряд -- это статистическая, усреднённая величина. Если смотреть локально и в динамике, то при отрыве электрона возникает временный положительный заряд, и установившегося перед этим частичного заряда избыточных электронов не хватает, чтобы его скомпенсировать немедленно. Другие электроны, конечно, чувствуют этот заряд и тоже устремляются к нему -- возникает динамика, волна возмущений электронной плотности, "дырка" начинает размываться в пространстве. Но заряд дырки, даже размазанный, будет оставаться положительным (и будет притягивать электрон) до тех пор, пока волна не докатится до источника питания, который совершит работу и "внесёт в студию" ещё один электрон. Вот тогда уже всё, назад дороги нет (почти).
До тех пор, пока источник не совершит работу (скажем, отколупывая электроны при окислении материала анода), электрон продолжает притягиваться и у него есть вероятность вернуться. А источник не может совершить эту дополнительную работу, пока не получит "добро" в виде уменьшившейся концентрации заряда на аноде. И даже когда "добро" получено, работа будет выполнена не моментально, а через какое-то время, потому что это стохастический процесс, к тому же идущий в двух направлениях одновременно. Т.е. возможна даже такая ситуация, когда источник совершает работу, электрон "прогоняется насовсем", но в источнике вдруг спонтанно происходит обратная реакция, и электрону удаётся вернуться.
В общем, у каждого электрона есть шансы :) В статике избыточного частичного заряда недостаточно, чтобы всех прогнать, а в динамике картина сложная и во многом стохастическая, что даёт электронам время на возвращение.
no subject
Date: 2012-11-29 12:57 am (UTC)Во-вторых, электрическое поле внутри проводов всюду равно нулю. Потому что когда это не так, то сразу же начинается электрический ток -- свободные электроны двигаются вдоль этого поля -- и ток идёт, пока поле опять не станет ноль.
В-третьих, объёмного заряда внутри нет, потому что, как уже было сказано, поле внутри -- ноль. Весь заряд находится в поверхностном слое. С одной стороны на электроны действует сила притяжения к зарядам на другой обкладке конденсатора. А с другой стороны -- их не притягивает ничего, даже электрического поля нету (а на электроны действует-то именно оно).
Хотя, забудьте. Я всё равно прочитал в википедии правильный ответ. Оказывается, облако электронов по размеру чуть больше куска металла. То есть, средний объёмный заряд электронов меньше, чем у ионов. Но так как внутри металла объёмный заряд должен быть ноль, то весь недостаток средней плотности электронов скноцентрирован на поверхности. Получается, на поверхности металла есть как бы ещё один заряженный конденсатор из двух "виртуальных" обкладок. Внутренняя обкладка этого виртуального конденсатора имеет положительный заряд, внешняя -- отрицательный. Такова физика металлов, это типа как у жидкостей есть поверхностное натяжение. Вот этот положительный заряд и притягивает электроны назад. А ещё я забыл эффект отражения зарядов на поверхности проводника (как в зеркале, но с другим знаком заряда), конечно же. Можно считать, что заряд положительной обкладки этого виртуального конденсатора состоит из отражения электронов на отрицательной обкладке. Вот, чтобы оторвать электрон от своего отражения на другой виртуальной обкладке, и нужно эту самую работу выхода совершить.
no subject
Date: 2012-11-29 09:41 am (UTC)2. Да, заряды внутри металла скомпенсированы и поля нет, я разве утверждал обратное?
3. Я имел в виду объём поверхностного слоя (так как речь об электронах на поверхности), но соглашусь, можно было выразиться корректнее.
Вот, чтобы оторвать электрон от своего отражения на другой виртуальной обкладке, и нужно эту самую работу выхода совершить.
Там две части работы, на самом деле: на преодоление двойного слоя, и на создание диполя (хотя "диполь", "зеркальный заряд" -- это лишь модель, упрощающая все те сложные перераспределения зарядов, про которые я писал в предыдущем комменте).
no subject
Date: 2012-11-29 09:53 am (UTC)