Что произойдет, если мы подключим металлическую проволоку между двумя полюсами батареи?

Да, Сэм, в проводе определенно происходит изменение формы электрического поля. Странно, но об этом почти не говорится в учебниках по физике, но вдоль провода есть скопления поверхностного заряда, которые поддерживают электрическое поле в направлении провода. (Примечание: это поверхностное распределение заряда, поскольку любой дополнительный заряд на проводнике будет располагаться на поверхности.) Именно изменение или градиент распределения поверхностного заряда на проводе создает и определяет направление электрическое поле внутри провода или резистора.

Например, плотность поверхностного заряда на проводе возле отрицательного вывода батареи будет более отрицательной, чем плотность поверхностного заряда на проводе возле положительного вывода. Поверхностная плотность заряда по мере обхода цепи будет меняться лишь незначительно вдоль хорошо проводящего провода (Отсюда и градиент мал, и электрическое поле мало). Углы или изгибы провода также вызывают скопление поверхностного заряда, из-за чего электроны движутся в направлении провода, а не в тупик. Резисторы, вставленные в цепь, будут иметь более отрицательную плотность поверхностного заряда на одной стороне резистора по сравнению с другой стороной резистора. Этот больший градиент в распределении поверхностного заряда вблизи резистора вызывает относительно большее электрическое поле в резисторе (по сравнению с проводом). Направление градиентов для всех вышеупомянутых поверхностных плотностей заряда определяет направление электрических полей.

Этот вопрос является очень фундаментальным, и люди часто неверно истолковывают его или игнорируют. Нас всех учат просто предполагать, что батарея создает электрическое поле в проводе. Однако, когда кто-то спрашивает, «как поле попадает в провод и как поле знает, в какую сторону идти?» им редко дают прямой ответ.

Последующий вопрос может звучать так: «Если ненулевые накопления поверхностного заряда ответственны за размер и направление электрического поля в проводе, то почему обычная цепь с резистором не оказывает электрического воздействия на ближайший шарик со всех сторон? накапливается заряд в цепи?» Ответ заключается в том, что он оказывает силу, но поверхностный заряд и сила настолько малы при нормальных напряжениях и рабочих условиях, что вы этого не замечаете. Если вы подключите источник 100 000 В к резистору, вы сможете измерить накопление поверхностного заряда и силу, которую он может оказывать.

Вот еще один способ подумать обо всем этом (извините за длину этого поста, но в этом вопросе так много путаницы, что он заслуживает соответствующих подробностей). Все мы знаем, что в проводе, подключенном к батарее, существует электрическое поле. Но провод может быть сколь угодно длинным и настолько далеко от клемм аккумулятора, насколько это необходимо. Заряд на клеммах аккумулятора не может быть прямо и единолично ответственным за величину и направление электрического поля в той части провода, которая находится в милях от него, так как там поле угасло бы и стало слишком малым. (Да, бесконечная плоскость заряда или другие подходящие экзотические конфигурации могут создавать поле, которое не уменьшается с расстоянием, но мы не говорим ни о чем подобном. ) Если заряд вблизи клемм не определяет прямо и исключительно величину и направление электрического поля в части провода, удаленной на много миль, значит, поле там создает какой-то другой заряд (да, вы можете создать электрическое поле с изменяющееся магнитное поле вместо заряда, но мы можем предположить, что имеем постоянный ток и неизменное магнитное поле). Физическим механизмом, создающим электрическое поле в части провода, находящейся за много миль, является небольшой градиент ненулевого распределения поверхностного заряда на проводе. И направление градиента этого распределения заряда определяет направление электрического поля. но мы можем предположить, что у нас постоянный ток и неизменное магнитное поле). Физическим механизмом, создающим электрическое поле в части провода, находящейся за много миль, является небольшой градиент ненулевого распределения поверхностного заряда на проводе. И направление градиента этого распределения заряда определяет направление электрического поля. но мы можем предположить, что у нас постоянный ток и неизменное магнитное поле). Физическим механизмом, создающим электрическое поле в части провода, находящейся за много миль, является небольшой градиент ненулевого распределения поверхностного заряда на проводе. И направление градиента этого распределения заряда определяет направление электрического поля.

Редкое и совершенно прекрасное описание того, как и почему поверхностный заряд создает и формирует электрическое поле в проводе, можно найти в учебнике: «Материя и взаимодействия: Том 2, электрические и магнитные взаимодействия» Чабая и Шервуда, глава 18 «Микроскопический вид». электрических цепей», стр. 631-640.

Когда 2 электрода находятся под разным потенциалом, создается электрическое поле. Электрические заряды соберутся на двух полюсах. Положительные заряды на катоде и отрицательные заряды на аноде. Если два электрода не соединены внешним проводником, они не смогут покинуть поверхность электродов и просто накапливаются там, создавая напряжение холостого хода. Как только два электрода будут соединены проводником, заряды будут течь под действием сил электрического поля в соответствующем направлении. Если соединительный провод не имеет сопротивления или имеет почти нулевое сопротивление, то это будет короткое замыкание, и будет течь огромный ток, ограниченный только внутренним сопротивлением батареи.

$I = \frac{V}{R+r}$куда$I$ток,$V$напряжение между электродами,$R$внешнее сопротивление и$r$это внутреннее сопротивление батареи.

(Примечание: электрическое поле не нейтрализуется химической реакцией, а поддерживается реакцией. Изменение формы поля не происходит. Заряды движутся по проводнику, поскольку это путь наименьшего сопротивления. Это похоже на поток вода по трубе из резервуара. Вода течет, потому что существует разница давлений. Поток воды не зависит от ориентации трубы. он зависит только от разницы давлений на двух концах. Гравитационное поле не меняет свою форму через трубу. Точно так же не происходит изменения формы электрического поля. Имеет значение только разница напряжений между двумя терминалами.)

Дополнительные комментарии для тех, кто считает, что электрическое поле может изменять форму в проводнике вдоль проводника :

Это просто сети, соединенные треугольником и звездой. Теперь, если бы электрическое поле могло изменять форму, то силовые линии пересекались бы в трех точках для дельты и в одной точке для звездных сетей. Но все мы знаем, что силовые линии не могут пересекаться. Следовательно, никакого изменения формы силовых линий не происходит.

До того, как вы подключите провод, электрическое поле (по крайней мере, теоретически, для этого нужно игнорировать все остальное во вселенной, включая содержимое батареи) состоит из заряда + и заряда -. В типичном автомобильном аккумуляторе эти точки разделены примерно 10 или 20 см.

На самом деле заряд распределяется очень сложным образом. Например, если ваш автомобильный аккумулятор рассчитан на 1000 ампер-часов, вы можете вычислить «заряд», заметив, что ампер-секунда — это кулон, поэтому ампер-час равен 3600 x 1000 кулонов. Но на самом деле эти заряды химически удерживаются внутри батареи и не проявляются на электродах до тех пор, пока вы не уберете часть заряда, который там есть. Таким образом, для расчета начального заряда вам нужно знать только напряжение и конфигурацию проводов. Тогда это вопрос электростатики, чтобы вычислить распределение заряда.

После того, как вы подключите провод, начинает течь ток в соответствии с сопротивлением провода. Провод будет иметь неуклонно уменьшающееся напряжение от одного конца к другому. Поскольку электрическое поле определяется градиентом напряжения, это означает, что электрическое поле вдоль провода будет направлено вниз по проводу.

Кстати, это произошло случайно с аккумулятором в кузове его внедорожника. К сожалению, это произошло рядом с пластиковой канистрой из-под бензина. Возникший пожар уничтожил его автомобиль через несколько секунд после того, как он выехал на обочину и выпрыгнул из нее.