Наше деловое партнерство www.banwar.org

Глава 2. Постійний електричний струм

Електричне поле поза провідника зі струмом

Лінії напруженості електростатичного поля поза провідника перпендикулярні його поверхні, і поверхня провідника еквіпотенційної. Уздовж провідника зі струмом, як ми бачили, потенціал змінюється. Тому є складова напруженості , Спрямована уздовж провідника. В результаті лінії напруженості поля поза провідника розташовуються під кутом до його поверхні. У цьому можна переконатися на досвіді (див. Рис. 2.7). На верхній провід підвішують легку стрілку - індикатор так, щоб вона могла вільно повертатися вздовж провідника. При відсутності струму стрілка розташовується перпендикулярно зарядженого проводу. Якщо верхній і нижній дроти з'єднати, то піде струм і стрілка встановити не перпендикулярно, а під деяким кутом до проводу, вказуючи на зміну напрямку ліній напруженості .

На відміну від внутрішнього поля зовнішнє поле має більш складну структуру. Воно залежить від форми провідника, розташування джерела струму і оточуючих тел.

Як утворюється електричне поле всередині і поза провідника зі струмом?

Електричне поле створюється електричними зарядами. Отже, на полюсах джерела струму або втулках розетки у вашій квартирі обов'язково накопичуються заряди протилежного знака. Це, в свою чергу, означає, що всередині джерела струму (батареї або генератора електростанції) відбуваються процеси *, завдяки яким заряджені частинки приходять в рух.

* Що це за процеси, буде з'ясовано в подальшому (див. § 2.11- 2.13).

Але ж заряджені частинки на полюсах батареї не можуть створити електричне поле в провіднику довжиною в сотні кілометрів, наприклад в телеграфної лінії Москва - Санкт-Петербург? Звичайно, не можуть! Це поле з'являється в результаті того, що при замиканні ланцюга майже відразу ж на всій поверхні провідника виникає поверхневий заряд. Щільність поверхневого заряду поступово зменшується в міру віддалення від джерела струму. Саме цей заряд створює електричне поле, що існує всередині і поза провідника, на всій його довжині.

Як же утворюється поверхневий заряд на провіднику з струмом? У перший момент після замикання ланцюга електричне поле з'являється тільки на кінцях провідника. Воно викликає зміщення електронів в провіднику в усіх напрямках (рис. 2.10). На малюнку 2.10 схематично зображено негативна клема До джерела струму і перетин приєднаного до неї кінця металевого дроту. Штрихом показані деякі лінії напруженості поля клеми в перший момент після приєднання до неї дроти, а стрілками - сили, що діють з боку цього поля на вільні електрони дроти, що знаходяться в точках 1,2,3, .... В результаті електрон, що знаходиться в точці 1, починає рухатися уздовж осі провідника. Електрони 2, 3, 4, 5 зміщуються також уздовж провідника, але одночасно переміщаються до його поверхні і скупчуються на ній. Переміщення електронів уздовж дроту являє собою зародження струму. Переміщення ж електронів в напрямку до поверхні проводу триває до тих пір, поки вони не досягнуть її і не утворюють на дроті поверхневий заряд (рис. 2.11). Цей поверхневий заряд створює досить сильне поле в наступному ділянці провідника. Там процес повториться: відбудеться зміщення зарядів уздовж провідника, утворення поверхневих зарядів і, отже, створення електричного поля на наступній ділянці провідника. Цей процес буде поширюватися зі швидкістю, близькою до швидкості світла (300 000 км / с), поки уздовж всієї поверхні провідника чи не з'явиться поверхневий заряд.

Тепер зрозуміло, чому, незважаючи на дуже малі швидкості упорядкованого руху електронів (див. § 2.2), електричний струм встановлюється майже відразу ж після замикання ланцюга довжиною в сотні кілометрів. Це відбувається тому, що через дуже малий проміжок часу в усьому провіднику і навколо нього виникає електричне поле.

Процес встановлення електричного струму в провіднику нагадує процес встановлення перебігу води в трубі. Коли поршень насоса почне рухатися, то завдяки наявності стінок труби рідина сильно стискається і імпульс тиску в ній поширюється по трубі зі швидкістю декількох сотень метрів в секунду. Тому майже відразу ж все частинки води в трубі прийдуть в рух під дією сил тиску. Швидкість же руху самих частинок води невелика: кілька десятків сантиметрів в секунду.

Стаціонарне електричне поле

Електричне поле в провіднику з струмом створюють поверхневі заряди. При постійній силі струму кулоновское електричне поле рухомих поверхневих зарядів всередині і поза провідника не змінюється з плином часу подібно електростатичного поля нерухомих зарядів. Таке поле називається стаціонарним.

Поле не змінюється з часом внаслідок того, що поверхнева щільність зарядів, що створюють це поле, залишається незмінною. Заряди рухаються, але на місце пішов за час Δt заряду на дану ділянку поверхні приходить точно такий же новий заряд.

Електричний струм може бути отриманий в речовині, в якому є вільні заряджені частинки. Щоб вони прийшли в рух, потрібно створити в провіднику електричне поле. Це електричне поле називається стаціонарним. Воно потенційно, як і електростатичне поле, але на відміну від статичного поля може існувати всередині провідника.