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: 2012-11-29 09:22 am (UTC)Это первичное статическое распределение и задаёт энергию Ферми. Если электрон действительно вынуть, будет ещё дополнительное перераспределение, которое в итоге можно учесть как простой диполь из электрона и зеркального ему положительного заряда. Это и есть "пренебрегаем" -- не дополнительной работой пренебрегают, а деталями перераспределения, сводя его к простой модели. Полная работа выхода будет суммой этих величин.
Кстати, определение из Вики неточное: это не "разница между мин. энергией, которую необходимо сообщить... и энергией Ферми" -- это и есть сама мин. энергия, которую нужно сообщить. И она равна разнице между энергией свободного электрона в вакууме и энергией Ферми (или просто энергии Ферми, если энергию свободной частицы взять за нуль).
no subject
Date: 2012-11-29 02:56 pm (UTC)Да ну. Электростатическая сила - штука дальнодействующая, но плавная.
Если взять кусок металла, где электроны распределены абсолютно равномерно, и посмотреть, что выйдет, то получим, что первый же электрон, оказавшийся у поверхости, начнёт отталкивать внутренние электроны ещё глубже, при этом "обнажая" положительные ионы решётки и притягиваясь к ним.
Этак Вы вечный двигатель назавтра изобретёте. С чего это элеткрон начнёт отталкивать другие электроны, экранируемые внутренними атомами?
Когда всё придёт в равновесие, на поверхности получится "сэндвич" -- отрицательный слой электронов, положительный слой ионов, нейтральный основной металл. Электроны внутри металла окажутся в потенциальной яме.
Тогда механизм должен быть диффузионный - из слоя толщиной порядка длины свободного пробега электронов, непосредственно прилегающего к поверхности - половина электронов вылетает из толщи кристалла "наружу", а "полагающиеся" электроны из аналогичного слоя непосредственно прилегающего к поверхности кристалла снаружи - электроны не прилетают. Вот и получается соотв. "эффект". Но в аналоговом виде он должен быть плавным.
Это первичное статическое распределение и задаёт энергию Ферми.
Энергия Ферми, емнип - тот ненулевой предел уровня энергии, на котором все электроны в металле будут "сидеть" при нулевой температуре. Патамучта из-за квантовых эффектов они не могут все "упасть в ноль".
Если электрон действительно вынуть, будет ещё дополнительное перераспределение, которое в итоге можно учесть как простой диполь из электрона и зеркального ему положительного заряда. Это и есть "пренебрегаем" -- не дополнительной работой пренебрегают,
Нет, "вынуть заряд из металла" и "утащить заряд куда-то ещё" - разные вещи.
Кстати, определение из Вики неточное: это не "разница между мин. энергией, которую необходимо сообщить... и энергией Ферми" -- это и есть сама мин. энергия, которую нужно сообщить.
Нэт (ц).
Во-первых, Вы забываете о том, что энергия может отсчитываться от разных уровней. Уровень Ферми выше "абсолютного нуля" для электронов в твёрдом теле - просто потому, что электроны уже в атоме имеют ненулевые энергии.
А во вторых, The work function W of a metal is closely related to its Fermi energy (defined relative to the lowest energy free particle: zero in the above diagram) yet the two quantities are not exactly the same. (http://en.wikipedia.org/wiki/Work_function#Work_Function_and_Surface_Effect)