Почему существует электрическое поле ВНЕ батареи?

Поправьте меня, если я ошибаюсь, но электрическое поле батареи похоже на электрическое поле конденсатора, состоящего из двух параллельных пластин. Но мы знаем, что электрическое поле вне двух пластин равно нулю.

Итак, в контексте электростатики, почему электрическое поле формируется вне батареи и внутри цепи?

Так вы имели в виду, почему электрическое поле есть в проводе, но вне батареи/конденсатора? Опять же, нет никакой важной физической разницы между конденсатором и батареей. Для вас основное различие между конденсатором и батареей заключается в том, что люди рассказывают вам разные истории, (чрезмерные) упрощения и фольклор о них.
Да, это то, что я имел в виду. Думаю, вы правы. Единственная разница в том, что в батарее также действуют некоторые химические силы.
Поле существует за пределами двух пластин конденсатора по той же причине, что и за пределами батареи. Разница в том, что конденсаторы, как правило, широкие и плоские, а батареи длинные и тонкие, поэтому поле у ​​конденсаторов меньше.

Ответы (3)

Другими словами, напряжение на обкладках конденсатора такое же, как и напряжение на соединительных проводах, но расстояние между обкладками конденсатора очень мало. Это означает, что электрическое поле между пластинами (вольт/метр) намного интенсивнее, чем электрическое поле между двумя проводами.

Но электрическое поле между проводами никогда не может быть равно нулю, за исключением случаев, когда напряжение между ними также равно нулю. Или мы можем уменьшить расстояние между пластинами конденсатора, чтобы уменьшить внешнее электронное поле, и если зазор конденсатора равен нулю, это также устранит внешнее электронное поле (и, конечно, напряжение на конденсаторе).

Ситуация аналогична очень маленькому конденсатору (два отдельных провода), подключенному параллельно к гораздо большему конденсатору (тому компоненту с микрофарадами). «Диэлектрик» маленького конденсатора — это пустое пространство, окружающее два провода. Если мы подключим резистор к дальнему концу этих проводов, то их же электрическое поле создаст движущую силу для создания тока внутри резистора.

Обратите внимание, что с конденсатором, подключенным к резистору, электронное поле внутри резистора не распространяется вдоль проводов.. Электронное поле внутри проводов почти равно нулю (и было бы точно равно нулю для проводов из сверхпроводника). Итак, каково происхождение этого сильного электронного поля внутри резистора? Это от соединительных проводов! Концы резистора имеют на своей поверхности два противоположных скопления заряда, той же полярности, что и поверхностные заряды на проводах. Сам резистор тоже похож на конденсатор. Но это конденсатор с проводящим диэлектриком. Электронное поле внутри резистивного материала связано с зарядами на конце резистора. Поток электронного поля не распространяется внутрь проводов и обратно к конденсатору. Другими словами, конденсатор заряжает провода, а провода заряжают концевые клеммы резистора, что создает внутреннее электронное поле для ускорения мобильных носителей внутри резистора.

Отличная статья в формате PDF на эту тему написана авторами серии студенческих курсов по физике MATTER & INTERACTIONS. Ответы на все ваши вопросы!

В конденсаторе с плоскими пластинами с одной стороны накапливаются электроны, а с другой их не хватает. Поскольку одна пластина находится перед другой, поля на каждой равны по величине и противоположны, и поэтому силовые линии прямые (вдали от границ) и сокращаются.

В батарее поле создается химическим путем внутри структуры объекта. Из-за формы большинства батарей геометрия не позволяет расположить положительный и отрицательный полюса друг перед другом, поэтому линии поля должны изгибаться и уходить.

Если бы можно было сделать батарею в виде, например, тора, а затем отрезать от нее очень тонкий срез, то поле внутри этого среза было бы очень близко к полю плоского конденсатора (т. вне среза).

Итак, причина, по которой в цепи есть ток, не имеет ничего общего с электрическим полем. Поскольку на одной стороне происходит накопление заряда, а на другой его недостаток, между полюсами возникает разность электрических потенциалов. Форма конденсатора/батареи здесь не имеет значения: если что-то подключить к полюсам/пластинам, потечет ток.

Что касается вашего третьего абзаца, вы говорите, что поле конденсатора из двух пластин возникает из-за того, что две пластины намного больше, чем расстояние между ними, но в четвертом абзаце вы утверждаете, что, поскольку у батареи нет намного больших краев от расстояния между ними поле не такое же, как у конденсатора из двух пластин, который равен E=s/2ε. Правильно ли я понял?
Четвертый абзац касается только характера тока. В третьем абзаце я говорю, что если вы согните цилиндрическую батарею в форме бублика, пока два полюса не окажутся очень-очень близко, то поле между ними будет почти как у плоского конденсатора (если вы очень близко к полюсам).

Электрические поля существуют и вне реального конденсатора, любого конденсатора с пластинами конечного размера. Энергия в конденсаторе хранится в электрическом поле, а поскольку часть электрического поля находится вне пластин, часть энергии также уже находится вне пластин.

Представьте множество поверхностей повсюду в пространстве, ортогональных электрическому полю. Электромагнитная энергия фактически распространяется вдоль этих поверхностей (в направлении, которое также ортогонально магнитному полю). Энергия может течь, как транспорт, часть уходит вправо, так как, возможно, равное количество поступает справа, поэтому есть линии электрического поля в этом потоке энергии . или изменение от электромагнитной энергии). Там, где они заканчиваются, начинается и заканчивается энергия, поэтому, например, в резисторе электромагнитная энергия преобразуется в тепло, поэтому силовые линии потока электромагнитной энергии будут сходиться в местах внутри резистора.

Итак, если у вас есть конденсатор с параллельными пластинами, вы можете представить себе кучу поверхностей, расположенных между пластинами. Если бы в вашей цепи был, скажем, резистор, то внутри резистора есть электрическое поле, управляющее током, поэтому поверхности, ортогональные электрическому полю, пересекают резистор, и энергия от батареи (или конденсатора) действительно течет. вдоль этих поверхностей. Таким образом, пространство снаружи и между проводами на самом деле необходимо для передачи энергии от батареи или конденсатора к резистору.

Некоторые хорошие фотографии доступны на этом сайте .

Когда ваш конденсатор разряжается, напряженность электрического поля уменьшается, и эта энергия перетекает в резистор, но энергия, которая втекает в резистор в небольшой момент времени, представляет собой энергию, находящуюся прямо рядом, и прямо перед резистором существует высокая проводимость. материал с очень низкими электрическими полями, поэтому электромагнитной энергии не так много, поэтому энергия, которую резистор превращает в тепло, фактически поступает сбоку из «пустого» пространства между проводами.

редактировать, чтобы ответить на вопрос о полях в проводах

Если вы посмотрите на рисунок 4 ссылки, вы увидите, что заряжается не только верхняя пластина конденсатора, но и весь провод до резистора, точно так же весь провод снизу. путь к нижней пластине заряжен отрицательно. Потому что они в основном представляют собой один гигантский проводник с распределенным снаружи зарядом. Таким образом, когда вы подключаете провод к конденсатору, он в основном становится частью конденсатора, и поэтому он больше не является «просто» конденсатором с параллельными пластинами.

Это происходит и с батареей, когда вы подключаете идеальные проводники к клеммам. Если ни один из проводников не идеален, то они больше похожи на резисторы с действительно очень низким сопротивлением, так что давайте поговорим о резисторе.

В резисторе у вас есть одна эквипотенциальная поверхность на одном конце резистора, затем множество эквипотенциальных поверхностей пересекают резистор, а затем одна последняя эквипотенциальная поверхность на конце. Электрическое поле ортогонально поверхностям, поэтому идет от одного конца резистора к другому.

Если вы хотите увидеть, как он туда попал, представьте себе схему с конденсатором (или батареей) слева, переключателем вверху и резистором справа. Когда переключатель разомкнут, весь провод, подключенный к положительной клемме/пластине, находится под высоким напряжением, а вся остальная часть цепи находится под низким напряжением. Между пластинами (или внутри батареи) имеется множество эквипотенциальных поверхностей. Думайте о том верхнем проводе перед выключателем как о стене замка, все вверху, между пластинами (или внутри батареи) есть подъем от земли до высоты. Но если оставить провод в любом направлении, это приведет к падению. В частности, между двумя концами переключателя имеется много эквипотенциальных поверхностей. Когда вы начнете замыкать переключатель, металлические концы начинают сближаться, и область между действиями похожа на резистор с очень высоким сопротивлением, и начинает течь крошечный ток, и эти эквипотенциальные поверхности текут с током к фактическому резистору, где они накапливаются (поскольку вам нужно больше тока протолкнуть эквипотенциальную поверхность через резистор с конечным сопротивлением). Чем ближе переключатель подходит к полному соединению, тем больше протекает ток и тем больше эквипотенциальных поверхностей прижимается к резистору, в конечном итоге переключатель действует как отсутствие сопротивления, и ток увеличивается настолько, что все эквипотенциальные поверхности подталкиваются к резистору, где они оставаться (до тех пор, пока батарея или конденсатор не потеряют напряжение, и когда это начнет происходить, поверхности втягиваются обратно в батарею/конденсатор).

Таким образом , вне проводов всегда были эквипотенциальные поверхности, и когда вы подключали последний провод в цепи, эти поверхности попадали в провод и, следовательно, в цепь. Те эквипотенциальные поверхности, попадающие в провода, находятся там, где и когда электрическое поле входит в провода.

Вы можете объяснить это в более простых электростатических терминах? Потому что я знаю, что поле от конденсатора с двумя пластинами равно нулю вне конденсатора, но только потому, что длина пластин намного больше, чем расстояние между ними. Но что отличает батарею от этой «Является ли критерием то, что длина концов батареи не намного больше, чем расстояние между ними? Я спрашиваю вас об этом просто потому, что не могу понять, как ваше объяснение дает мне ответ с точки зрения электростатики.
@LandosAdam Может быть, вам стоит просто сравнить конденсатор и батарею, которые имеют равное количество полезной накопленной энергии. Поле Е приблизительно равно нулю, поэтому, если у вас есть конденсатор с большой энергией, равной величине, возможно, вы увидите такое же сильное поле Е вне его. Но эта ненулевая часть снаружи на самом деле необходима для передачи энергии в вашу цепь, потому что энергия течет из конденсатора/батареи в пустое пространство снаружи конденсатора/батареи, а затем вдоль пустого пространства рядом с проводами. Поверхности, ортогональные полю E, являются эквипотенциальными поверхностями в электростатике.
Таким образом, в теории электрическое поле конденсатора снаружи равно нулю, но на практике это не так, потому что в реальном мире не существует приближения бесконечной длины его пластин. Поэтому мы говорим, что Е вне конденсатора приблизительно равно нулю. и вы хотите сказать, что то же самое относится и к аккумулятору?
@LandosAdam Электрическое поле у ​​края конденсатора немного меньше, чем в середине, но его величина меньше (с точки зрения энергии) точно такая же величина, которая находится вне конденсатора. Вы можете сделать конденсатор из группы диполей, поэтому поле определенно должно (даже теоретически) быть отличным от нуля вне пластин, вы можете просто иногда получать правильные ответы, предполагая, что оно равно нулю (когда это не так). ) и предполагая, что в некоторых местах он больше, чем есть на самом деле. Когда вы концентрируете заряд, вы увеличиваете плотность энергии вне зарядов, это универсальное явление.
что вы имеете в виду, говоря, что сумма, которая меньше, точно равна сумме вне конденсатора? Где именно вне конденсатора?
@LandosAdam Если вы вычислите энергию однородного электрического поля между пластинами, вы получите ответ. Если вы вычислите энергию правильного поля (которое отлично от нуля вне пластин и немного слабее вблизи краев пластин), вы просто получите точно такой же ответ.
однородное электрическое поле, которое создает каждая пластина, дает E = 0 вне конденсатора. Я думаю, что оно ПРИБЛИЗИТЕЛЬНО то же самое. Поскольку в действительности это не однородное электрическое поле, а очень слабое, на практике мы можем сказать, что оно равно нулю. на самом деле он не равен нулю, поэтому он дает электронам движение (ток). Вот как я интерпретирую ваш ответ и единственное логическое объяснение, которое я пришел к выводу в результате своих исследований.
@LandosAdam Поле снаружи не равно нулю, и если вы будете заряжать конденсатор все больше и больше, он будет только увеличиваться и увеличиваться, поэтому я говорю, что вы должны сравнить батарею и конденсатор с одинаковым количеством хранимой полезной энергии. Это справедливо. А поля связаны с силами (а значит, и с ускорениями, поэтому для движения они не нужны). А поля вне проводов не связаны с движением зарядов внутри проводов. Поля снаружи доставляют энергию в места (например, резисторы), где энергия потребляется.
@LandosAdam Вы спросили, ПОЧЕМУ есть поля снаружи, и причина, ПОЧЕМУ, в том, что они необходимы для транспортировки энергии. Существует больше энергии, чем просто кинетическая энергия электронов (и в устойчивом состоянии, которая является константой), если вы решите не узнавать о транспортировке энергии, вы выберете невежество и не поймете вопрос ПОЧЕМУ, который вы задали. Вы не должны «завершать» свои исследования электростатикой, электростатика не объясняет и никогда не будет правильно объяснять, как энергия попадает в резистор.
@LandosAdam Мой ответ говорит вам, что внешние электрические поля необходимы для того, чтобы резистор работал так, как он работает. Существует электрическое поле вне резистора и одно вне (конденсатора или батареи), и эти поля накапливают энергию. Вот откуда берется энергия, нагревающая резистор. Для движения энергии требуется время, поэтому энергия покидает батарею, прежде чем она попадет в резистор, и фактически выходит за пределы проводов. Если вы думаете, что у батарей есть электрические поля вне батареи, а у конденсаторов нет, вы просто ошибаетесь.
@LandosAdam Неправильное истолкование моего ответа или завершение учебы до того, как вы узнаете о том, что с этим связано, не сделает вас правым, все, что он может сделать, это скрыть свое невежество от самого себя.
я не говорил, что не принимаю ваши ответы. Я знаю об энергии, это очень базовое понятие, и первое, что я анализирую в системе, прежде чем углубляться в силы, а затем в микроскопический анализ. Причина, по которой я продолжаю задавать вопросы, заключается в следующем. что я уже знаю большую часть вещей, которые упоминает большинство людей, но я хочу более микроскопического анализа. Когда я говорю, что это то, что я пришел к своим исследованиям, это означает, что я нашел много источников (например, известные книги по физике (в основном для аспирантов). в этом случае)) которые поддерживают то, что я пришел к выводу. спасибо за другое объяснение
и я, конечно же, не невежа! Вот почему я задаю некоторые вопросы. Но дело в том, что я ищу ответы, совсем другие, чем думает большинство людей.
@LandosAdam Я пытался сказать вам, что вы не можете остановиться (сделать окончательный вывод) на объяснении электростатики. Ток в проводах вызван не внешними полями, внешние поля переносят энергию. Постоянный ток возникает из-за электростатических сил (из-за дисбаланса зарядов внутри проводов, чтобы помочь заряду огибать изгибы и т. д. и ускоряться по мере необходимости) и из-за инерции (мобильные заряды уже движутся). Переход к устойчивому состоянию — это еще одна проблема, но она по-прежнему вызвана полями внутри провода. Микроскопический анализ может быть отдельным вопросом. Как микро? Нет термика? КМ?
Вы меня неправильно поняли, я ничего не говорил об электрическом поле вне ПРОВОДА. Я имел в виду только поле вне БАТАРЕИ (все еще внутри провода). Возможно, это вводило в заблуждение.
Что касается того, насколько СИЛЬНО микро, термические воздействия не влияют на вещи, которые я задаю вопросом, поэтому не учитывать их в анализе нормально. Самый микроанализ (если есть такой термин) - это QM. Но у меня еще нет образования, позволяющего достичь QM. Я самоучка (помимо моей академической карьеры инженера-строителя, которая не имеет ничего общего с QM и электромагнетизмом), поэтому следующим шагом в моем самообразовании является QM;)
@LandosAdam Я обновил ответ, чтобы объяснить поля внутри схемы.
Почему существует электрическое поле ВНЕ батареи?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v