Какие поля создаются вокруг проводника с током?

Для магнитного поля токи являются одним из источников магнитного поля, но эта проблема больше связана с источником тока в проводе. Для проводника с конечной проводимостью электрическое поле необходимо для возбуждения тока в проводе.

Если мы предполагаем, что ваш провод прямой, это обязательное поле является однородным. Один из способов реализовать это поле — взять две противоположно заряженные частицы и отправить их в бесконечность, увеличив при этом величину их заряда, чтобы поддерживать правильную величину электрического поля. В этом пределе вы получите однородное электрическое поле во всем пространстве.

Теперь поместите проводник вдоль оси между источниками напряжения — потечет ток. В случае постоянного тока это приводит к возникновению магнитного поля вне провода. Что касается электрического поля, проводник — это материал с электронами, которые могут легко двигаться в ответ на электрические поля, и их тенденция состоит в том, чтобы экранировать электрическое поле для достижения баланса сил. Поскольку электроны не могут просто покинуть проводник, они могут экранировать поле только внутри проводника, а не снаружи проводника. С помощью этой модели мы видим, что электрическое поле полностью создается источником, и размещение проводника в поле действительно просто создает ток. Обратите внимание, что если вы согните проволоку или поместите ее под углом к ​​полю, сформируются поверхностные заряды, потому что теперь у вас есть нормальная к поверхности составляющая поля.

В пределе идеального проводника для начала не требуется никакого электрического поля, чтобы управлять током, и поэтому его нет вне провода.

Для случая переменного тока решение для полей очень быстро становится дико сложным, поскольку теперь электрическое поле, управляющее токами частиц, имеет как источник напряжения, так и источник магнитного поля, изменяющийся во времени, посредством магнитного векторного потенциала. Однако основная физика та же самая, поскольку источник устанавливает поля (в нулевом порядке), а добавление проводника на самом деле просто определяет путь движения токов частиц. В следующем порядке ток возвращается и создает электромагнитные поля в дополнение к источнику (источникам) и будет влиять на ток в других местах цепи.

Я предполагаю, что краткий ответ на ваш вопрос заключается в том, что всегда есть поля за пределами провода с током, а электрическое поле снаружи исчезает только в пределе идеального проводника. Проводникам, как правило, не требуются очень сильные поля для управления токами, поэтому внешнее электрическое поле обычно незначительно, но не пренебрегайте им для очень больших потенциалов в небольших цепях.

Кажется малоизвестным, но статический ток внутри провода с конечной проводимостью создает снаружи статическое электрическое поле. См. «Приложение 9.2» в новом тексте Зангвилла (это фантастика, и он заменит Джексона) или http://www.ifi.unicamp.br/~assis/Found-Phys-V29-p729-753 (1999). пдф

Да, существует электрическое поле вне провода с током, в направлении вдоль оси провода (т.е. параллельно проводу). Это справедливо как для переменного, так и для постоянного тока. В азимутальном направлении также существует магнитное поле.

Для резистивного провода, ориентированного вдоль оси z, электрическое поле внутри провода определяется законом Ома.$E_y=\eta j_y$куда$\eta$это удельное сопротивление и$j_y$это плотность тока. Этот ток имеет тенденцию течь вблизи поверхности провода (это скин-эффект). Для того чтобы не было разрыва электрического поля, параллельного проводу, электрическое поле$E_y$в вакууме на краю провода должно совпадать с полем в проводе, определяемым законом Ома. Дальше от провода должно быть радиальное электрическое поле, необходимое для того, чтобы общее электрическое поле не закручивалось.

Тот факт, что это электрическое поле параллельно проводу, является причиной того, что электромагнитная энергия течет в провод радиально. Это несколько нелогично, но это можно увидеть, отметив направление вектора Пойнтинга.$\bf E \times \bf B$.

Об этом кратко упоминается в Лекциях Фейнмана по физике II, глава 27-5.

Это не прямой ответ на ваш вопрос, но я считаю, что он касается сути проблемы.

Говоря об энергии и электродинамике в классическом смысле, часто можно интерпретировать энергию двумя разными способами. Первый способ — подумать о потенциальной энергии конфигурации заряда. Например, если у вас есть фиксированный положительный заряд, и вы приближаете второй положительный заряд, то вы толкаете его в гору против потенциальной энергии. Электрическое поле первого заряда обычно отталкивает второй. Работа, необходимая для сближения второго заряда, уходит в потенциальную энергию конфигурации.

Второй способ думать об энергии немного более тонкий. Когда вы соединяете два заряда вместе, вы получаете очень большое электрическое поле между ними. На самом деле вы можете рассматривать энергию как запасенную в электрическом поле.

Большое преимущество понимания энергии, хранящейся в электрическом поле, возникает, когда вы говорите о свете. Свет имеет энергию, но также является электромагнитным полем. Нет никаких конфигураций заряда для хранения энергии, поэтому энергия должна находиться в самом поле.

Электрическая энергия и сигналы действительно передаются со скоростью света в проводнике, как говорится в статье в Википедии. Сами электроны движутся гораздо медленнее. Это становится яснее, если учесть, что энергия хранится в электрическом поле (и магнитном поле), поэтому сигнал должен распространяться со скоростью распространяющегося электрического поля (также известной как скорость света).

Более прямой ответ на ваш вопрос: да, вокруг проводника существуют как электрические, так и магнитные поля, пока по нему протекает ток. Это гарантируется уравнениями Максвелла и тем фактом, что ток пропорционален электрическому полю в проводнике.

Вне проводника нет поля E из-за электронов, потому что проводник не заряжен — это означает, что на каждый электрон в проводнике существует равное количество протонов. Если бы проводник был заряжен, то из-за этого заряда снаружи проводника было бы поле Е. Фактически, чтобы проводник создавал поле Е вне себя, он должен быть заряжен статически, как обкладка конденсатора.