Как электрическая энергия распространяется со скоростью света, если скорость дрейфа электронов настолько мала, что за это время они не могут рассеять разницу напряжений?

К сожалению, многие первые знакомства с электромагнетизмом делают акцент на том, что происходит с заряженными частицами, и в значительной степени отводят роль самих электрических и магнитных полей на задний план. Это совершенно неправильное представление об электромагнетизме: сами поля имеют первостепенное значение. Соображения о том, что делают электроны, стоят на втором месте (и как следствие того, что делают поля).

Я также должен указать, прежде чем продолжать объяснять, что я имею в виду, что энергия не «движется», поскольку это не определенная величина, существующая в любой данной точке пространства. Лучшей концепцией для использования будет плотность энергии , которая определяется точка за точкой во всем пространстве. Это понятие, однако, более сложное, чем полная энергия, потому что оно тесно связано с другими понятиями, такими как плотность импульса, и требует анализа для обсуждения. Это также вызывает некоторую путаницу, потому что сами электрические и магнитные поля несут как энергию, так и импульс, что часто не доводится до студентов до курсовой работы.

В электрической цепи то, что распространяется со скоростью света, — это электрическое и магнитное поля, а не электрические заряды (хотя в материалах свет движется несколько медленнее, практически во всех приложениях он равен скорости света). . Причина, по которой кажется , что ток «включается» (то есть начинает течь) со скоростью света, на самом деле заключается в том, что это сделали поля.

Рассмотрим на мгновение электрическое поле и просто для демонстрации предположим, что мы смотрим на очень длинный провод и что изначально электрическое поле везде равно нулю. Затем предположим, что мы делаем что-то, чтобы заставить электрическое поле появиться на одном конце провода и начать распространяться с любым ненулевым значением, которое мы установим для него по всему проводу. Поскольку электрическое поле распространяется со скоростью света, потребуется некоторое ненулевое время, чтобы на другом конце провода возникло ненулевое электрическое поле.

Теперь давайте подумаем об электронах, скажем, в проводе. Первоначально электрическое поле выключено, поэтому на электроны не действует никакая сила Лоренца (кроме электрических полей, создаваемых другими электронами и атомами, но мы будем игнорировать их для простоты), и, следовательно, они никуда не денутся. . Но как только электрическое поле на данном электроне станет ненулевым, этот электрон будет испытывать силу Лоренца и начнет двигаться соответственно. Если предположить, что электрическое поле направлено вниз по длине провода, электроны начнут двигаться по проводу, производя ток своим коллективным движением.

Так что ни один электрон не движется со скоростью света или близко к ней. Что действительно движется со скоростью света, так это «сигнал» (электрическое поле), который сообщает каждому электрону начать движение.

Так же работает и переменный ток. Электрическое поле меняется во времени, меняя направления вверх и вниз по проводу. Таким образом, электроны получают сигналы начать двигаться в том или ином направлении соответственно. Этот сигнал (опять же, электрические/магнитные поля) может двигаться со скоростью света без необходимости в этом самим электронам.

Это также объясняет, почему, например, телефон (имея в виду наземные линии, поэтому мы не имеем дело с электромагнитными волнами, распространяющимися по воздуху) может передавать аудиосигнал со скоростью света (для большинства приложений на Земле расстояния невелики). достаточно, чтобы задержка из-за скорости света была не очень заметна). Нам не нужен электрон, чтобы путешествовать от одного телефона к другому, нам нужно послать сигнал, который говорит электронам на другом конце, как двигаться, а затем просто «прочитать/измерить», что электроны на принимающем телефоне end делают (потом реконструируют звук из этого сигнала, но это отдельная проблема). По сути, только электрические/магнитные поля совершили какое-либо путешествие. Сами электроны, по многим намерениям и целям,

Изменить: чтобы прояснить несколько вещей на основе комментариев. Приведенное выше описание в значительной степени предназначено только для того, чтобы передать идею о том, что правильным объектом для размышлений являются поля, а не электроны. Если быть более точным, провод следует моделировать как волновод, поэтому соответствующие поля действительно распространяются в диэлектрике, покрывающем провод. Внутри самого проводника электромагнитные поля испытывают экспоненциальное затухание и, следовательно, ведут себя не совсем так, как мы думаем, когда говорим о «волнах». В частности, частота колебаний становится комплексной.

Кроме того, позвольте мне также отметить, что приведенное выше описание совершенно не зависит от того, как генерируются электромагнитные поля. Они могут быть результатом фактической разницы зарядов между концами провода, движением некоторых зарядов на одном конце, что может вызвать распространяющуюся волну, или некоторой комбинацией факторов.

В частности, поскольку ОП специально спрашивал о разнице в заряде, позвольте мне отметить, что точные детали будут зависеть от того, как возникает разница в заряде. Если бы мы рассмотрели простейший пример, в котором мы должны были бы щелкнуть пальцами и создать разность зарядов (принять разность зарядов в качестве нашего начального условия), то мы увидели бы ненулевое электрическое поле, распространяющееся с обеих сторон, чтобы встретить в середине. Это приведет к тому, что электроны по обе стороны начнут двигаться раньше, чем те, что посередине.

Я полагаю, что было бы интересно выяснить точные детали этой динамики, но позвольте мне описать то, что я ожидаю. Неравномерное движение зарядов в проволоке из-за начальных условий приведет к тому, что вдоль проволоки появятся «сгустки» ненулевого заряда, и, в частности, после выравнивания разности зарядов между концами останутся ненулевые заряды вдоль движущегося провода.

То, как эти куски будут двигаться по проводу, будет зависеть, как я подозреваю, от самовзаимодействия этих кусков с электромагнитными полями, которые они создают своим собственным существованием, что делает проблему довольно сложной и, возможно, даже требует методов перенормировки (см. например, расчет самодействия для точечного заряда в Джексоне), поскольку проволока одномерна. Тем не менее, я ожидал бы, что колебания этих комочков вдоль провода со временем затухнут за счет энергии, излучаемой электромагнитными полями (происходит нетривиальное движение зарядов) и теплом (ненулевое сопротивление вдоль провода).