Почему сила тока в цепи постоянна, если существует постоянное электрическое поле?

Это аналогичный полезный способ понять резистивную цепь в том смысле, что электрическое выражение$V = RI$имеет ту же форму, что и механическая$F = kv$, в среде, где сила сопротивления пропорциональна скорости.

В случае проводника важно отметить, что даже без какого-либо приложенного поля свободные электроны имеют импульс во всех направлениях и разной величины. Но нет чистого потока без Е-поля. Эффект электронного поля заключается в увеличении доли электронов в одном направлении и уменьшении доли в противоположном. Рассеяние с решеткой ограничивает этот чистый поток и отвечает за эффект Джоуля электрического сопротивления.

Именно так, как говорит @Claudio Saspinski. Я собирался написать ответ в тех же терминах, когда увидел его превосходный ответ. Думайте о металле как о необычайно плотной «жидкости», в которой движущиеся частицы (электроны) почти сразу же приобретают свою предельную скорость. Чем быстрее они хотят двигаться, тем большее сопротивление они встречают пропорционально их собственной скорости.$\dot{x}=\textrm{const.}$является решением уравнения,

разность потенциалов, создаваемая батареей, заставляет носители заряда течь из-за электрической силы, которую можно представить наличием электрического поля повсюду в цепи.

Разность потенциалов, создаваемая батареей, заставляет течь носители заряда только в том случае, если к клеммам батареи подключена нагрузка. Если нагрузка не подключена, между клеммами батареи есть разность потенциалов, но нет потока носителей заряда.

Тогда мой вопрос заключается в следующем: если носители заряда в цепи движутся под действием электрической силы, то как ток может быть постоянной величиной? Я предполагаю, что ток является мерой того, сколько заряда пересекает площадь поперечного сечения, перпендикулярную направлению потока, за время; кроме того, не должны ли компоненты скорости носителей заряда в направлении потока, пропорциональном току, увеличиваться из-за электрической силы, толкающей их в этом направлении?

Сила электрического поля заставляет течь кинетическую энергию носителей заряда, но столкновения между носителями заряда и атомами/молекулами электрического сопротивления в цепи забирают эту кинетическую энергию и рассеивают ее в виде тепла. Это непрерывный процесс электрического поля, дающего зарядам кинетическую энергию, и столкновений, забирающих кинетическую энергию, который поддерживает скорость носителей заряда (т. е. дрейфовую скорость) и, следовательно, постоянный ток. Конечным результатом является то, что электрическая потенциальная энергия, передаваемая носителям заряда батареей, преобразуется либо в тепло в сопротивлении, либо сохраняется в виде потенциальной энергии в электрических полях емкости или кинетической энергии в магнитных полях индуктивности.

Размышляя над этим вопросом, я пришел к возможному объяснению, связанному с законом Ома: в моем учебнике сопротивление сравнивается с силой трения, вызванной накоплением столкновений, которым подвергается носитель заряда (которые приводят к изменению скорости в зависимости от направления потока).

И это действительно хорошая механическая аналогия. Допустим, вы толкаете коробку с постоянной скоростью по полу с трением на расстояние d. Сила, которую вы прикладываете, аналогична силе электрического поля. Коробка аналогична зарядке. А трение о пол аналогично электрическому сопротивлению. Ящик, движущийся с постоянной скоростью, аналогичен постоянному току. Работа, которую вы делаете (Fxd), деленная на массу m, аналогична падению напряжения (работа на единицу заряда).

Продолжая, я бы предположил, что при заданном напряжении и заданном сопротивлении ток изменяется так, что они действуют на носители заряда с одинаковой эффективной силой - это означает, что резистор сможет прикладывать только определенное количество общей силы (работа) за раз, и, следовательно, заряд за раз должен быть изменен, чтобы работа за заряд была эквивалентна напряжению (этот последний бит кажется мне наиболее сомнительным).

Имею небольшую проблему после вас. Но вы должны понимать, что разность потенциалов или напряжение между выводами резистора равна работе, необходимой на единицу заряда, или джоулей/кулонам, для перемещения заряда между выводами резистора. Затем, поскольку ток в резисторе представляет собой заряд в единицу времени, кулон в секунду, проходящий через любую точку резистора, то мощность, рассеиваемая в резисторе в виде тепла, равна напряжению, умноженному на ток, или джоулям/кулонам x кулонам/ Секунда = Джоуль/сек = ватт.

Кроме того, когда вы сказали, что «разность потенциалов или напряжение между клеммами резистора равна работе, необходимой на единицу заряда ... для перемещения заряда между клеммами резистора» - уточнить - если эта работа за заряд - это комбинация сопротивления и тока, а ток - это заряд за время, означает ли это, что сопротивление - это работа за время?

Во-первых, я сказал, что это электротехническое определение разности потенциалов или напряжения. В вашем примере он представляет собой работу, требуемую батареей, на единицу заряда, для перемещения заряда через сопротивление.

Во-вторых, определение напряжения не зависит от тока. На клеммах батареи есть напряжение, когда она ни к чему не подключена, т. е. когда нет тока. А вот связь между током в и напряжением на резисторе постоянного сопротивления определяется законом Ома.

В-третьих, сопротивление — это не работа в единицу времени. Работа в единицу времени представляет собой мощность, рассеиваемую на резисторе, и равна$VI${Джоуль/Кул x Кул/сек = Вт).

Надеюсь это поможет.

Я думаю, что во всех ответах отсутствует то, что нужно было сделать. Батарея обеспечивает электрическое поле, но расположение электронов в «коже» проводника создает противоположное электрическое поле, которое нейтрализует электрическое поле батареи, что означает, что результирующая сила равна 0, и электроны не ускоряются к катоду проводника. Батарея. Тем не менее, от батареи все еще существует электрический потенциал. Вы можете спросить, как это возможно, поскольку разве я только что не сказал, что полное электрическое поле равно 0? Ну да, но электрическое поле является первой производной напряжения, поэтому нуль электрическое поле означает постоянное напряжение!.

В классической теории свободные электроны беспорядочно скачут в тепловом равновесии с атомами проводника. Электрическое поле ускоряет их так, что траектория после каждого отскока становится кривой. Среднее смещение (вытекающее из этой кривой) после каждого отскока определяет «дрейфовую» скорость свободных зарядов. Непрерывность потока требует, чтобы ток был одинаковым по всей длине любого одиночного проводника. Если проводник имеет однородное сечение и плотность свободного заряда, то для этого требуется однородное электрическое поле. Однако для поддержания однородного поля требуется градиент плотности заряда. Если к клеммам батареи подсоединить однородный провод, то вблизи отрицательной клеммы будет избыток свободных электронов и меньшая плотность свободных электронов вблизи положительной клеммы.