Господа, доброе всем время суток! Сегодня коротенечко рассмотрим затронутый в статье про силу тока вопрос, почему же лампочка вспыхивает мгновенно при столь малой скорости направленного движения заряженных частиц. Речь пойдет, как уже многие догадались, об электрическом поле проводника с током. Мы попытаемся разобраться как это поле выглядит внутри и снаружи проводника и рассмотрим механизм его образования. Итак, погнали!

На самом деле мы сейчас рассмотрим довольно нетривиальные вещи. Дело в том, что когда речь заходит про электрическое поле часто возникает непонимание физики процессов и бесконечные споры о том, что же это такое, особенно если имеют место быть движущиеся заряды. В ход идет мощная артиллерия из целого каскада уравнений Максвелла и прочих дивергенций, однако и это не всегда приводит к однозначному пониманию происходящего.

Скажу честно, сначала я вообще не хотел писать статью на данную тему и затрагивать рассмотрение этого вопроса, тем более, что в инженерной практике он не имеет большого значения. Однако, поразмыслив, все-таки я решил кратко рассмотреть его для полноты картины, разумеется, на максимально простом уровне.

Прежде всего зададимся вопросом – а что же нужно для того, чтобы имел место электрический ток? По сути мы уже ответили на этот вопрос в статье про  силу тока. Нам нужно наличие свободных заряженных частиц – электронов или ионов, а также некоторой силы, вызывающей это упорядоченное движение. Эта сила – электрическое поле. Да, именно благодаря электрическому полю и возникает электрический ток. 

Что именно такое электрическое поле, как оно создается, чем характеризуется и какие законы описывают поведение зарядов в нем мы рассмотрели вот в этой статье. На всякий случай еще раз напомню, что электрическое поле создается электрическими зарядами.

Итак, поле создается зарядами. Ок. Как же в итоге возникает ток в проводнике? Рассмотрим цепь, состоящую из проводника с нагрузкой и батарейки. Батарейка создает некоторое напряжение. На минусовой клемме батареи, очевидно, имеет место избыток электронов. Это минус и по определению там электронов больше, чем на плюсе. Эти заряды создают вокруг себя поле. Но что делать, если длина проводника несколько километров? Ведь поле затухает пропорционально квадрату расстояния, как мы помним из закона Кулона. При замыкании цепи эти электроны с минусовой клеммы начинают действовать на близлежащие электроны в проводнике, толкать их в стороны. Часть электронов будет двигаться вдоль оси проводника. Часть электронов достигнет поверхности проводника и скопится на ней. Образуется типа поверхностного заряда. Этот поверхностный заряд будет создавать поле в следующей участке проводника. Ну и так далее. Распространение поверхностного заряда иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1 – Распространение поверхностного заряда

Дело в том, что распространяться этот самый заряд, ну, то есть, по сути поле, будет со скоростью света, которая, как известно, равна примерно 300 000 км/с. Очень быстро. Поэтому и загорится лампочка почти мгновенно. Это поле называется стационарным. Оно неизменно в течении времени. Да, заряды движутся. Но на их место приходят новые, точно такие же по величине.

Господа, как мы все помним из вот этой вот статьи для визуализации электрического поля и его наглядного представления принято использовать силовые линии. Как же выглядят силовые линии внутри проводника с током и снаружи от него? Ответ таков: внутри проводника с током силовые линии параллельны оси проводника, а снаружи - идут под углом к нему. Это показано на рисунке 2.

Рисунок 2 – Силовые линии проводника с током

Почему это так? Разберемся сначала с ситуацией вне проводника. Как мы уже выяснили на проводнике с током, на его поверхности, содержится поверхностный заряд. Причем (господа, внимание!),  этот заряд плавно уменьшается по длине проводника. Ясно, что рядом с минусом будет намного больший избыток электронов, чем рядом с плюсом, на котором, наоборот, их недостаток.  То есть есть продольная составляющая вектора напряженности. Кроме того, очевидно, есть составляющая вектора напряженности, перпендикулярная поверхности проводника. Поверхностный заряд ведь светит своей напряженностью вокруг себя. Итого, по правилу сложения векторов получаем, что вне проводника поле направлено под углом к нему. Господа, для тех, кто вдруг забыл, напоминаю правило сложения векторов. Оно показано на рисунке 3.

Рисунок 3 – Правило сложения векторов

Внутри же проводника создаются такие условия, что силовые линии напряженности направлены вдоль его оси. Почему это так? Ответ может быть такой. Очевидно, что в проводнике с током сила тока одинакова по всей длине проводника. Кто не верит - амперметр в лапки и вперед измерять. Это значит, что по всей длине проводника скорость зарядов одна и та же. Господа, это неопровержимо выведено в нашей самой первой статье про  силу тока. Если скорость одна и та же, то одинакова и сила, с которой поле действует на заряды. А раз одинакова сила, то будет одна и та же напряженность поля во всех сечениях проводника. Сила же зависит напрямую от напряженности! Причем одинакова сила будет при любой длине проводника. Это свидетельствует о том, что линии напряженности в проводнике параллельны оси проводника.

Уфф! Господа, чуть передохните и прочитайте предыдущий абзац еще разок. Знаю, там одно, цепляется за другое, потом другое за третье и в конце уже не помнишь, с чего начиналось. В таком случае лучше отдохнуть и перечитать еще разок перед тем, как читать дальше. Отдохнули? Тогда едем дальше!

Остался еще один скользкий вопрос. Как же распределена плотность тока в проводнике с постоянным током? По идее она должна быть у поверхности чуть больше: там ведь существует поверхностный заряд, то есть более высокая концентрация электронов. Однако в литературе я нигде не нашел ни подтверждения, ни опровержения данному доводу. Все почему-то обходят этот вопрос. Рассмотрению подлежит только распределение плотности  в случае переменного тока, скин эффект там и прочее. Но здесь ведь это ни при чем. Здесь может быть только кулоновское расталкивание зарядов ближе к поверхности проводника... Господа, если у кого есть соображения по этому поводу, пожалуйста, напишите в комментарии.  Но что можно сказать однозначно, даже если и расталкивание есть, то оно минимально. На практике им пренебрегают, считая, что постоянный ток целиком, с одинаковой плотностью, течет по всему сечению проводника.

Но вернемся еще раз к вопросу, почему ток в цепи возникает практически мгновенно. Что бы стало совсем понятно, приведем аналогию из области гидравлики. Не пугайтесь, господа. Я в тоже в этой прекрасной науке мало шарю. Только если на практическом уровне: починить кран, заменить трубу, прикрутить вентиль. Так что оставьте ваши страхи, никаких уравнений Навье-Стокса и прочих Эйлеров не будет!  Возьмем водопровод в вашем доме. Вообще, как ни странно, очень многие вещи в электричестве можно лучше понять на примере этого самого водопровода. По сути протекание тока в проводниках чем-то схоже с протеканием воды в трубах.

Итак, водопровод наполнен водой (проводник наполнен свободными электронами). В системе водопровода есть давление (к проводнику приложено напряжение, в проводнике есть электрическое поле). Мы открываем кран (замыкаем электрическую цепь). Из крана начинает течь вода. Внимание, господа! В момент открывания крана начинает течь не та вода, которая на ближайшей водокачке. А та, которая уже в трубах, та, которая рядом с вами, и начинает она течь мгновенно (лампочка загорается мгновенно) при открытии крана, не смотря на то, что скорость течения воды может быть небольшой (мы помним наши выводы про скорость движения электронов).

Аналогия полнейшая, как мы видим. А что это значит – это значит, что даже если вы электронщик/электрик, сантехнику знать лишним тоже не будет! Эти две области имеют в себе больше общего, чем может показаться на первый неискушенный взгляд!

Итак, мы рассмотрели вопрос что же вызывает протекание тока в проводнике, объяснили, почему ток возникает во всей цепи практически мгновенно не смотря на крайне низкую дрейфовую скорость перемещения зарядов и показали, как формируется поле в проводнике с постоянным током. Господа, полагаю, на сегодня достаточною. Удачи вам всем и до скорых встреч!

Вступайте в нашу группу Вконтакте

Вопросы и предложения админу: This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.