Почему сила тока в цепи остается неизменной?

Электроны присутствуют повсюду в электрической цепи. Когда к цепи прикладывается разность потенциалов, по всей цепи создается электрическое поле почти со скоростью света. Электроны в каждой части цепи начинают дрейфовать под влиянием этого электрического поля, и в цепи немедленно начинает течь ток.

Здесь вы должны отметить, что если разность потенциалов, которую вы применяете, постоянна, как в случае с батареей постоянного тока, электрическое поле остается постоянным, и, следовательно, ток остается постоянным.

Хорошо, на самом деле это можно довольно легко объяснить, не прибегая к слишком большому количеству уравнений и имея в виду только одну вещь: заряд не может накапливаться внутри металла .

Другими словами, электроны никогда не будут скапливаться внутри провода. Если бы они это сделали, даже на короткое время, то они бы очень сильно отталкивали друг друга из-за$1/r^2$зависимость электрической силы, с которой электроны действуют друг на друга, пока они снова не будут довольно равномерно распределены по всему металлу.

Теперь, что это означает? Если электроны не могут накапливаться, это означает, что если бы мы должны были измерить скорость электронов, протекающих через любую площадь поперечного сечения провода или резистора в цепи (здесь я предполагаю последовательную цепь), она должна быть одинаковым для всех площадей поперечного сечения!

Но по самому определению тока (количество заряда, протекающего через площадь поперечного сечения металла в секунду) это означает, что ток должен быть одинаковым везде в (последовательной) цепи! В противном случае электроны накапливались бы.

Теперь я более прямо обращусь к вашему замешательству: ток через лампочку.

Что происходит на лампочке?

Итак, во-первых, да, вы правы в отношении того, как работает лампа накаливания. Внутри стеклянной колбы находится очень тонкая вольфрамовая нить, и когда через нее проходит ток, она излучает свет. Я объясню почему:

Вольфрам обладает двумя свойствами, которые делают его идеальным материалом для изготовления нити накала лампочки:

1. Он имеет чрезвычайно высокую температуру плавления.
2. Он довольно проводящий.

Теперь, точно так же, как вода в одиночной трубе с двумя участками разного радиуса течет с большей скоростью через более тонкие участки трубы, если мы сделаем вольфрамовую нить супер-пупер тонкой, электронам нужно будет «течь» ( дрейф) быстрее через нить накала, которая тоньше, чем остальная часть цепи, чтобы нигде в цепи не накапливался заряд. Чем тоньше мы его сделаем, тем большую скорость будут иметь электроны при прохождении через него!

Обходной путь, но именно поэтому на более тонких резисторах наблюдается большее падение напряжения. Чтобы электроны не накапливались внутри цепи, они должны течь быстрее через тонкие части, а для того, чтобы они быстрее текли (дрейфовали) через более тонкие части, должно быть большее электрическое поле, проталкивающее их через тонкие резисторы. . Большее электрическое поле означает большее падение напряжения!

Теперь, поскольку электроны движутся очень быстро через тонкую вольфрамовую нить, они также чаще сталкиваются с атомами вольфрамовой нити по сравнению с атомами других частей цепи. Это заставляет атомы вольфрама начать очень быстро вибрировать, что нагревает вольфрамовую нить до чрезвычайно высоких температур (поэтому было важно использовать вольфрам или другой металл с высокой температурой плавления) .

Аааа, когда вольфрам нагревается до достаточно высокой температуры, его атомы начинают излучать свет!! (Аааа, я мог бы подробнее рассказать, почему это происходит, если хотите, но я думаю, что это выходит за рамки этого вопроса...)

Надеюсь, это помогло!

Первоначальный постер недвусмысленно объяснял, что речь идет о пространственной зависимости, а не о временной, т.е. интересовал частный случай действующего закона Кирхгофа .

Крошечные электроны не являются вещами, обеспечивающими целостность электрических цепей на высоком уровне; они только носители заряда . Это хорошая метафора: когда вы отправляете почту, вас не волнуют перевозчики и их скорость; заботитесь о целостности почты и сроках доставки. Для объяснения того, как эта целостность обеспечивается в неразветвленной цепи, см. Почему сопротивление не пропорционально квадрату расстояния.

Посмотрите на действующий закон Кирхгофа .

Это просто сохранение заряда. Если втекает ток 2 Кл/с, то 2 Кл/с должен вытекать. Потому что заряд нигде не накапливается. Приток должен равняться оттоку в каждой точке устойчивой цепи. Математически:

• Когда у вас в последовательной цепи есть только один путь, то весь ток должен уйти по этому пути. Таким образом, ток, входящий в следующую точку пути, остается первоначальным. Таким образом, во всей цепи ток в любой точке одинаков.
• В параллельной цепи путь может быть разделен на два, поэтому входящий ток может быть разделен, и меньшие части проходят по каждому пути - в целом сумма должна быть равна нулю в любой точке, поэтому теперь ток на каждом пути не обязательно одинаков. Таким образом можно управлять текущим потоком.

Ток течет по проводам цепи, переносимый движением электронов. В любой конкретный момент времени, если вы измерите ток в двух разных местах одного и того же провода, вы получите одинаковые показания. Это закон тока Кирхгофа в действии: весь ток, входящий в точку цепи, должен выйти из этой точки. Любую точку на вашем проводе можно рассматривать как «узел» с двумя путями тока, выходящими из него.

Один из способов взглянуть на это — представить себе протекание тока по проводу подобно воде, текущей по трубе. (На самом деле я ненавижу эту аналогию, но она достаточно проста.) Если вы измерите расход в двух разных точках одной и той же трубы, показания будут одинаковыми, пока вы смотрите на объем воды, проходящий в единицу времени. в любых единицах измерения, например, в кубических метрах в секунду. Если нет утечки, вода должна проходить через трубу. То же самое и с электронами: если нет неисправности или короткого замыкания, электроны должны пройти через провод.

Как в законе сохранения энергии, так и в законе Кирхгофа предполагается, что любая форма энергии, включая ток, не может быть создана или уничтожена. Если это так, то ток должен остаться прежним, потому что, если он увеличится, электроны будут скапливаться, а если он уменьшится, между различными электронами возникнут большие промежутки, что приведет к замедлению цепи и, в конце концов, цепи разорвется.

Это доказано в научном уравнении$\sum I_{IN} = \sum I_{OUT}$.

Это просто из-за сохранения заряда.