У меня есть некоторые сомнения, связанные с электрическими полями и течением тока. Итак, предположим электрическую цепь, которая содержит батарею и провод, соединяющий положительный и отрицательный полюсы батареи. Я читал, что на его отрицательной клемме много отрицательного заряда/электронов, и из-за силы отталкивания электроны пытаются отдалиться друг от друга, поэтому они пытаются двигаться к положительной клемме. Итак, мой первый вопрос:
Когда электроны начинают двигаться по проводу к положительному выводу, все ли они движутся одновременно? Потому что иначе при движении они все равно будут оказывать друг на друга силы отталкивания? Влияет ли эта отталкивающая сила на их движение?
Итак, предположим, что они не двигаются один за другим. Итак, некоторые из них текут по проволоке, и поскольку они расходятся друг от друга, сила отталкивания также уменьшается. Итак, мой второй вопрос:
Разве часть электронов не должна остаться в самой проволоке? Если в какой-то точке провода будет недостаточно силы отталкивания, они вообще остановятся или дойдут до плюсовой клеммы?
Теперь предположим, что есть много цепей, в которых форма провода в каждом случае разная (некоторые прямые, некоторые круглые). Итак, мой третий вопрос:
Будет ли форма влиять на движение тока? Влияет ли это на электрическое поле?
И, мой последний вопрос. Предположим, у нас есть очень длинный провод. Теперь я читал, что, поскольку у нас есть концентрация отрицательных зарядов на отрицательной клемме, у нас есть концентрация положительных зарядов на положительной клемме. Так, если провод очень длинный. Итак, сила между отрицательным зарядом и положительным зарядом становится меньше:
Будет ли длина провода влиять на скорость потока зарядов? Если у нас есть провод бесконечной длины, будут ли вообще течь заряды?
Вы задали здесь несколько действительно хороших вопросов. Прежде чем начать, я хочу отметить, что в традиционной картине движения частиц по проводу в электростатике отсутствует часть физики; например, он игнорирует квантово-механическую природу электронов. Причина, по которой мы до сих пор обучаем этой модели, заключается в том, что она фиксирует основные эффекты (феномен тока), не затрагивая микроскопических деталей, но я хотел предупредить вас, что некоторые ответы будут включать физику, которая, вероятно, не содержится в ваших чтениях по электростатике. .
Чтобы представить ситуацию в перспективе, мы теперь знаем, что ньютоновская физика «неправильная» (или, точнее, неполная) и не дает правильных ответов, если, например, объект очень мал или движется очень быстро. Но мы по-прежнему преподаем ньютоновскую физику, потому что она «достаточно хороша» для описания макроскопических объектов, таких как автомобили и бейсбольные мячи.
Теперь, чтобы ответить на ваши вопросы,
Когда электроны начинают двигаться по проводу к положительному выводу, все ли они движутся одновременно? Потому что иначе при движении они все равно будут оказывать друг на друга силы отталкивания? Влияет ли эта отталкивающая сила на их движение?
Микроскопическая картина металла представляет собой (грубо) совокупность отрицательных зарядов, то есть электронов, движущихся через решетку положительных ионов. Действительно, будет притяжение между этими ионами и электронами и отталкивание между любыми двумя электронами. Удивительно, но между электронами также существует сила притяжения . Происхождение этой силы притяжения заключается в том, что электроны притягивают вокруг себя положительные заряды и в некоторых случаях могут приводить к образованию связанного состояния, называемого куперовской парой, которые важны для объяснения явления сверхпроводимости, фазы металлов. где сопротивление точно равно нулю. Обратите внимание, что для правильной работы этого требуется квантовая механика, и это чрезвычайно тонко.
Разве часть электронов не должна остаться в самой проволоке? Если в какой-то точке провода будет недостаточно силы отталкивания, они вообще остановятся или дойдут до плюсовой клеммы?
Опять же, нам нужна более совершенная модель, в данном случае статистическая механика. Перед подключением клемм все электроны имеют случайное распределение энергии, которое проявляется в виде температуры. Наличие электростатического поля вызывает суммарный поток заряда, но на микроуровне электроны сталкиваются и движутся в разных направлениях. Часто вы встретите книги по электростатике, говорящие о дрейфовой скорости электронов, которая является статистическим представлением чистого потока. Отдельный электрон, вероятно, движется намного быстрее, чем скорость дрейфа, даже , возможно, в направлении, противоположном направлению тока, из-за случайной тепловой энергии и столкновений между частицами.
Будет ли форма влиять на движение тока? Влияет ли это на электрическое поле?
В электростатике нет, а в реальности да. В механике есть статика и динамика. В электромагнетизме есть электростатика и электродинамика .. Если вы продолжите изучать электромагнетизм, вы вскоре столкнетесь с другим полем, магнитным полем, и вы узнаете, что электрические поля и магнитные поля переплетены таким образом, что заставят вас пересмотреть эти два поля как компоненты единого объекта ( следовательно, «электромагнетизм»). В частности, вы узнаете, что провода с током создают магнитные поля (закон Ампера) и что изменяющиеся магнитные поля могут создавать ЭДС (закон Фарадея). Это законная проблема для построения реальных схем, и величина, связанная с этим эффектом, называется импедансом. Импеданс измеряется в Омах, как и сопротивление, и зависит от геометрии цепи.
Будет ли длина провода влиять на скорость потока зарядов? Если у нас есть провод бесконечной длины, будут ли вообще течь заряды?
Вы определенно на что-то здесь. Сопротивление провода пропорционально длине провода. По закону Ома сила тока обратно пропорциональна. Ток пропорционален скорости дрейфа, поэтому ток обратно пропорционален длине провода . См . http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/ohmmic.html#c1 для вывода.
1.) Когда вы впервые замыкаете цепь, существует очень короткий период времени, в течение которого электроны толкают друг друга вперед, так сказать, «один за другим». Этот очень короткий период времени, вероятно, составляет порядка наносекунд, поэтому мы обычно его игнорируем. После этого устанавливается стационарное состояние, и электроны движутся все сразу... более или менее. Не забывайте, что электроны постоянно сталкиваются с примесями и колебаниями решетки.
2.) Итак, ваш второй вопрос спорный.
3.) Форма может иметь эффект. Сопротивление больше там, где есть изгибы провода, и все цепи имеют паразитные емкости и индуктивности, которые могут повлиять на работу. Часто (обычно?) эти эффекты малы и незначительны. Иногда они вводятся намеренно.
4.) Длина влияет на скорость. Для данного приложенного напряжения более длинный провод будет иметь более низкое напряжение на метр (электрическое поле), а сопротивление провода увеличивается. В конце концов, будет достигнута длина, при которой генерируемый ток будет неизмеримо мал, ниже, чем ток, генерируемый тепловыми флуктуациями. В этот момент течение эффективно остановилось.
Анна В