?

Log in

вопросы об электричестве - Поклонник деепричастий [entries|archive|friends|userinfo]
Anatoly Vorobey

[ website | Website ]
[ userinfo | livejournal userinfo ]
[ archive | journal archive ]

Links
[Links:| English-language weblog ]

вопросы об электричестве [ноя. 25, 2012|04:11 am]
Anatoly Vorobey
[Tags|]

Пытаюсь лучше понять, как устроено электричество в простых цепях. В частности, я понял, что не понимаю микроскопическую картину того, как возникает ток при замыкании цепи. Например, я подключил к батарее лампочку, и цепь на данный момент раскрыта ключом. Я замыкаю цепь; что конкретно происходит с электронами и полями?

Изучил несколько разъяснений и статей, которые навели некоторый порядок в голове. На сайте Уильяма Бити есть отличные очерки Electricity is NOT a form of energy и In a simple circuit, WHERE does the energy flow?. Вообще на его сайте есть еще много про электричество и неверные мифы о нем.

Статья Understanding Electricity and Circuits: What the Text Books Don’t Tell You еще больше помогла с прояснением микроскопической картины, и с понимаем того, как энергия переносится от батареи к лампочке не электронами в проводе, а электромагнитным полем вне провода, рядом с ним. Еще несколько источников на ту же тему: Energy transfer in electrical circuits: A qualitative account, A unified treatment of electrostatics and circuits.

Тем не менее, полного ответа на свой вопрос я, кажется, не получил. Пусть у нас есть батарея, и от ее полюсов отходят медные провода длиной, скажем, в 100 метров каждый. К одному из проводов последовательно подключена лампочка. Я подвожу концы проводов друг к другу, но еще не соединяю. Цепь разомкнута, лампочка не горит, тока нет, поэтому, если я правильно понимаю, электрического поля внутри проводов и магнитного поля вокруг них тоже нет. Теперь я замыкаю цепь.

Если я верно понял вышеописанные ссылки (если неправильно - поправьте), на поверхности проводов образуются скопления зарядов, причем неоднородные, и разница между ними на протяжении провода образует электрическое поле. Это поле движет (медленно) электроны в проводнике, что создает магнитное поле вокруг провода; это магнитное поле в сочетании с электрическим полем от зарядов на поверхности создает поток электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга) вдоль провода, и эта энергия возвращается в каждую точку проводника ровно в той степени, в какой это место рассеивает энергию; т.е. львиная доля энергии приходится на лампочку.

Однако чего я не понял - это каким образом замыкание цепи приводит к образованию этих скоплений зарядов на поверхности проводника, откуда берется их неоднородность итд. Иными словами, что именно происходит на микроскопическом уровне в момент замыкания цепи и далее до возникновения вышеописанного стабильного состояния (если я его действительно правильно описал). Если есть знающие люди, готовые объяснить или дать ссылку на хорошие объяснения, буду рад.
СсылкаОтветить

Comments:
Страница 1 из 2
<<[1] [2] >>
[User Picture]From: askold
2012-11-25 02:14 am
я как раз тоже самое пытаюсь понять эти последние пару месяцев
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: certus
2012-11-25 02:19 am
Насколько я понимаю, избыток/недостаток электронов на концах проводов есть просто потому, что они подключены к батарее, создающей разность потенциалов. Батарею без потери общности можно заменить, скажем, на электрическую машину, вращающуюся с постоянной скоростью и трущую шёлк о стекло — там сразу будет видно, почему концентрации электронов на полюсах разные.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: avva
2012-11-25 08:38 am
Я готов поверить, что какой-то дисбаланс зарядов возникает на проводах, как только мы подключаем их к полюсам батареи. Мне непонятны, однако, две вещи: 1) как этот дисбаланс распостраняется по длине провода, и как быстро; 2) что происходит с ним в момент замыкания цепи.
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
[User Picture]From: onkel_hans
2012-11-25 02:34 am
Это, как феромоны, или секс у бабочек ...

Кстати, если в цепи есть нагрузка (напр., омическая), то энергия к ней поступает не по проводам, а сбоку - вспомните вектор Пойнтинга, который есть произведение ЕхН. Зачем в Америке провода делают такие толстые?
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: meshko
2012-11-25 02:51 am
И еще философский аспект пусть кто-нибудь разъяснит. Для чего нам так нагло врали в школе?

А по сути -- я думаю, правды не знает никто. Я как-то спросил у двух физиков примерно то же самое, где-то через час нам пришлось их растаскивать по разным концам дома, чтобы не подрались.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: mord08
2012-11-25 05:29 am

Электроток

Рискну объяснить так, как это объясняется современной физикой, а потом добавлю еще несколько слов от себя. 1, При подсоединении источника ПОСТОЯННОГО тока к проводам, эл.поле распространяется вдоль проводников до места разрыва ключа. По сути, разрыв тоже является частью всей цепи, но с большим сопротивлением и некоторый ток начинает идти и до замыкания. 2. При замыкании ключа, ток резко увеличивается и создает магнитное поле, замкнутое вокруг провода, но поскольку оно является вихревым, рождает электрическое, также замкнутое, вихревое с двояким действием: вектор его направлен вдоль проводника и приложен к каждому электрону, двигая его к плюсу, а его динамическая составляющая рождает магнитное, вектор которого направлен обратно первичному, создавшему ток, препятствуя его нарастанию в цепи. Это наз. самоиндукцией и физически представляет собой накапливание энергии в… а про это скажу потом. Чем больше индуктивность цепи, тем больше накапливается этой энергии, наз. «Реактивной». При размыкании ключа, накопленная реактивная энергия стремится поддержать ток и он спадает тем дольше, чем большей индукцией обладает цепь. Но, вся заковыка-то в том, что наука пока не описывает, где именно накапливается реактивная энергия и не может описать, поскольку этот феномен очень зримо показывает процесс взаимодействия явлений, имеющих место в нашем мире с сущностями всего большого Мира, Мира многомерного, в котором все хотя и происходит по тем же фундаментальным физическим законам, как и в нашем, но… система Основных взаимодействий другая. Наука упорно не хочет признать, что кроме нашего мира есть еще что-то, хотя математика уже сотни лет описывает этого «Чего-то» существование в виде мнимых и комплексных чисел в своих математических моделях физических явлений, т.е. используя системы координат…, не существующих в нашем мире. Вот такие пока дела. Всего!
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
[User Picture]From: imfromjasenevo
2012-11-25 03:08 am
тут наверняка уже написали, в приведенной схеме, провода еще до замыкания при разных потенциалах и вполне имеют поверхностный заряд (который впрочем всегда есть какой-то, кроме специального случая)
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: nomen_nescio
2012-11-25 04:01 am
Можно добавить: Если пренебречь потерей и рассеянием на проводнике, любой провод - это длиннюююююющая клемма батарейки. На всём его протяжении и на всей его поверхности заряд такой же, как на клемме. А если не пренебрегать - если подключить к пальчиковой батарейке километровые провода и замкнуть их, ток не потечёт, весь заряд рассеется по проводу за счёт его неоднородности и неидеальности.
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: imfromjasenevo
2012-11-25 04:21 am
еще,
в нестационарном состоянии система работает, как RC элемент (индуктивность впрочем тоже есть какая-то) потом емкость разряжается и устанавливается стационарное состояние поверхностных зарядов.

Edited at 2012-11-25 04:23 (UTC)
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: akuklev
2012-11-25 04:31 am
В нулевом приближении проводник можно представить себе как резервуар с электронами, которые могут по нему свободно передвигаться — этакий стакан, в котором есть конечное количество воды. (Или длинный канал с закрытыми заслонками концами, если мы говорим о медном проводе.) Если всю воду (всё свободные электроны) убрать больше электроны будет брать неоткуда, так что количество воды конечное. С другой стороны и высота стенок конечная — начиная с определённого количества запихнутых сверх нормы электронов, для них не будет места и дополнительные электроны уже никак в проводник не засунешь — существующие уже в проводнике электроны будут их отталкивать слишком сильно, чтобы они могли там задержаться.

"Высота" воды в канальце называется потенциалом, если два канала разных потенциалов соединить, потенциалы в них быстро сравняются — электроны из того, где из больше будут перетекать в тот, где их меньше, пока не будет достигнуто равенство. Можно в канал установить и насос, который нагнетает воду (электроны) с одной стороны на другую. Каждый насос ограничен в своих ТТХ по двум параметрам:
- максимальный перепад высот, который они могут обеспечить и
- максимальный поток воды, который они могут через себя пропускать.

Для некоторых видов насосов (например, для химической батарейки или термопары) максимальный перепад жёстко задан параметрами используемых веществ, а максимальный поток определяется регулируемыми свойствами (количеством реагентов, площадью реакции и температурой в случае батареек/количеством подаваемого тепла в случае термопары). Если нагрузки нет, т.е. каналы на входе и выходе насоса-батарейки разомкнуты, то разница потенциалов-высот на них всегда будет соответствовать максимуму, который способна дать батарейка, ведь ограничение по току, которое могло бы сработать, не срабатывает, т.к. ток в разомкнутой цепи не нужен. Если мы подключили к батарейке длинный провод, через неё протечёт немножко тока, чтобы перекочать ещё немножко электронов для выравнивания потенциала свежедобавленного провода и уже подключённого с другой стороны, но быстро наступет гомеостаз без всякого тока. (Ну не считая того, что всякая батарейка-насос чуточку негерметична и пропускает ток назад в небольшом количестве мимо насоса, что насос должен компенсировать.)

Если реагентов/подаваемого тепла будет недостаточно, чтобы прокачать нужное количество электронов сквозь цепь (это всегда случается, если замкнуть накоротко), то батарейка/термопара будут выдавать напряжение (разность высот) ниже номинала! То есть не надо думать, что они всегда работают на максимальном напряжении. Просто в норме их используют как раз с достаточным количеством дровишек. Если замкнуть накоротко, будут качать тока сколько могут при разнице высот слева и справа ровно в 0 (работать на максимальном токе при нулевом напряжении).

Для других видов насосов (электростатическая машина и многие типы генераторов) напротив максимальный ток задаётся свойствами конструкции и (в случае генераторов) угловой скоростью вращения, а получаемый при этом перепад высот ничем априорно неограничен, просто
а) по мере нарастания перепада высот увеличивать его становится всё более трудно (в случае электростатической машины надо крутить быстрее, в случае генераторов сильнее, там сопротивление вращению усиливается) и
б) начинают играть роль практические ограничения: например если на электростатической машине получить напряжение достаточное до пробоя, он случится, и высоты сравняются. А на генераторах есть та самая негерметичность (обратный ток), сила которого очень растёт с разностью высот-потенциалов на концах, и начиная с определённой разности просто поплавит генератор.

Это было нулевое приближение, в нём о потенциалах сказано, но ни слова о поле.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: akuklev
2012-11-25 04:59 am
Аналогия с водой сильно хромает в том, что у воды в канале нет никакого естественного "нейтрального уровня", а у свободных электронов в проводнике есть; когда свободных электронов в проводнике ровно столько же, насколько недозаражены атомы в узлах кристаллической решётки, это нейтраль, в таком состоянии свободные электроны в проводнике друг друга не отталкивают, они окружены узлами кристала, которые компенсируют дальнодействующее отталкивание.

Если электронов больше нормы, они друг друга отталкивают и получается поверхностный эффект прямого типа: почти все "лишние" электроны сидят на самой поверхности проводника, при продвижении вглубь проводника плотность электронов быстро экспоненциально спадает до нейтрали.

Поверхностный эффект второго типа заключается в том, что при движении электронов (даже если их в проводнике нормальное количество), движущиеся электроны тоже тяготеют к краю проводника, потому что магнитное поле.

Вот у нас есть проводник, мы с одного конца пихаем туда лишних электронов, почему остальные начнут двигаться? Ведь новодобавленные электроны на всю длину проводника не отталкивают... А дело в том, что отталкивают они ровно перед собой, и действительно немедленно приводят в движении электроны в самом ближнем сегменте проводника, они в свою очередь "толкают" электроны впереди себя, и так до конца проводника, по проводнику прокатывается очень быстрая волна толканий, то есть ударная волна повышенной напряженности электрического поля. Если с конца проводника аккуратно снимать лишние электроны, чтобы не было отражения этой волны и отката, то прокатившись, волна приведёт в равномерное прямолинейное движение вдоль проводника все электроны на его поверхности, а дальше процесс будет стационарным: по проводнику, а точнее по его краю (см. поверхностный эффект второго типа) будут медленно и неторопливо ехать электроны, толкаемые электронами сзади них.

В среднем электрическое поле вдоль края проводника (если пренебречь его проводимостью, или если перед нами реальный сверхпроводник) нулевое, ведь назад электроны отталкивают ровно настолько же, насколько вперёд — это не мешает работать толканию: поле электронов спереди давит на электроны сзади, поле электронов сзади давит на электроны спереди, всё компенсируется, и электроны продолжают двигаться прямолинено и равномерно. Если у нас не сверхпроводник, а реальный проводник, в нём засчёт сопротивления такое движение быстро затихнет, если только нет электрического поля направленного вдоль проводника. Если проводник подключен к батарейке, даже накоротко, то оно есть! Батарейка в режиме короткого замыкания выдаёт свой максимальный ток I, у проводника есть сопротивление R, соответственно на разных концах проводника есть малюююсенькая разность высот-потенциалов IR, и соответственно вдоль его края имеется электрическое поле пропорциональное этому IR и обратно-пропорциональное длинне проводника. Точно так же, как электроны в проводнике текут почти полностью по краю, экспоненциально спадая в своей плотности до нормы за десятки одноатомных слоёв, точно так же и поле, ведущее эти электроны, сконцентрировано на самом краю проводника, причём больше даже снаружи проводника. В проводнике оно стихает за те самые пару десятков одноатомных слоёв, а снаружи экспоненциально спадает в разы (или может даже на порядки, я точно не помню) медленнее.
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
[User Picture]From: volger
2012-11-25 05:08 am
У нас видимо очень хорошая физичка в школе была. Помню она на этом моменте заостряла внимание, при рассмотрении скорости движения электронов в проводнике и последовавших вопросов в стиле "а ведь сигнал передается со скоростью света".
А меня вот еще всегда интересовали источники тока и их возможность накапливать/отдавать энергию. Может тут тоже кто знающий найдется, и скажет, например, вот есть же очень мощные конденсаторы. Почему они не используются в качестве аккумуляторов? Все таки "хранимый" ток очень мал, или нет способов его получить размеренной дозой, понемногу? И если есть методы - почему не видно на этом поприще мощных подвижек?
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: volger
2012-11-25 05:13 am
Открыл гугль, а таааам:
"Конденсаторы вполне способны заменить литиевые батареи" http://science.compulenta.ru/663261/
(Ответить) (Parent) (Thread)
(Удалённый комментарий)
[User Picture]From: migmit
2012-11-25 10:42 am
> Но давление в шланге появилось, причем мгновенно.

Не мгновенно, а, если я правильно понимаю, вдоль шланга со скоростью звука. Ну да, почти мговенно.
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: volger
2012-11-25 05:13 am
Открыл гугль, а таааам:
"Конденсаторы вполне способны заменить литиевые батареи"
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: mord08
2012-11-25 05:26 am

Электроток

Рискну объяснить так, как это объясняется современной физикой, а потом добавлю еще несколько слов от себя. 1, При подсоединении источника ПОСТОЯННОГО тока к проводам, эл.поле распространяется вдоль проводников до места разрыва ключа. По сути, разрыв тоже является частью всей цепи, но с большим сопротивлением и некоторый ток начинает идти и до замыкания. 2. При замыкании ключа, ток резко увеличивается и создает магнитное поле, замкнутое вокруг провода, но поскольку оно является вихревым, рождает электрическое, также замкнутое, вихревое с двояким действием: вектор его направлен вдоль проводника и приложен к каждому электрону, двигая его к плюсу, а его динамическая составляющая рождает магнитное, вектор которого направлен обратно первичному, создавшему ток, препятствуя его нарастанию в цепи. Это наз. самоиндукцией и физически представляет собой накапливание энергии в… а про это скажу потом. Чем больше индуктивность цепи, тем больше накапливается этой энергии, наз. «Реактивной». При размыкании ключа, накопленная реактивная энергия стремится поддержать ток и он спадает тем дольше, чем большей индукцией обладает цепь. Но, вся заковыка-то в том, что наука пока не описывает, где именно накапливается реактивная энергия и не может описать, поскольку этот феномен очень зримо показывает процесс взаимодействия явлений, имеющих место в нашем мире с сущностями всего большого Мира, Мира многомерного, в котором все хотя и происходит по тем же фундаментальным физическим законам, как и в нашем, но… система Основных взаимодействий другая. Наука упорно не хочет признать, что кроме нашего мира есть еще что-то, хотя математика уже сотни лет описывает этого «Чего-то» существование в виде мнимых и комплексных чисел в своих математических моделях физических явлений, т.е. используя системы координат…, не существующих в нашем мире. Вот такие пока дела. Всего!
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: volger
2012-11-25 05:33 am
Блин, я даже начал читать с интересом, но мой мозг все больше и больше скукоживался, а к словам "Наука упорно не хочет признать" мне уже совсем поплохело (
(Ответить) (Parent) (Thread)
From: oblomov_jerusal
2012-11-25 05:31 am
Электрическое поле есть. Если между контактами есть напряжение 100 Вольт это значит, что если провести линию, соединяющую две точки, находящиеся в двух константах, и проинтегрировать по длине этой линии проекцию вектора электрического поля на касательную к линии, то получится 100 вольт.

Edited at 2012-11-25 05:34 (UTC)
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: avva
2012-11-25 07:51 am
Если есть поле, то есть ток; но ток не может продолжаться неограниченно в незамкнутой цепи, т.к. электронам некуда деваться. Наверное, под влиянием этого поля заряды в проводнике перераспределяются так, чтобы в точности отменить поле внутри проводника?

(однако это должно произойти в проводе, даже и не подключенном к батарее, потому что закон Кулона никто не отменял. Поэтому, мне кажется, это конкретное распределение зарядов можно игнорировать в рассмотрении того, что происходит, когда мы а) подключаем провод к полюсу батареи; б) замыкаем цепь).
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
[User Picture]From: archaicos
2012-11-25 06:07 am
Могу немного наврать - давно не трогал физику на таком уровне.

Дело в том, что проводник в простейшем случае (если пренебрегать микроскопическими и прочими интересными эффектами) - эквипотенциальная штука, т.е. на его поверхности везде одинаковый потенциал. Иными словами, он «переносит» потенциал поля батареи от конца, которым он с ней соединяется, к противоположному концу, где будет подсоединена лампочка или другая нагрузка.

Поверхность проводника эквипотенциальна из-за того, что т.н. «свободные электроны» будут двигаться и менять своё положение под действием поля (т.е. разницы потенциалов) до тех пор, пока его не скомпенсируют. На youtube даже есть демонстрации.

Когда цепь не замкнута, электроны в проводниках (и нагрузке в т.ч.) находятся в слабом поле, недостаточном чтобы преодолеть т.н. «энергию выхода» и вырвать их из проводника в вакуум/воздух.
В электронных лампах же создаётся достаточно сильное поле между анодом и катодом чтобы вырвать электроны из анода и создать ток электронов. А тут при разомкнутой цепи - нет.

Замыкая цепь, мы избавляемся от необходимости преодолеть высокий барьер энергии выхода электрона из металла и усиливаем поле на лампочке/нагрузке, подключая к ней батарею обоими концами непосредственно, без зазоров. Достаточное поле есть, электроны могут свободно перепрыгивать с проводов на лампочку и обратно, пошёл ток.

Кстати, при очень больших напряжениях и полях и зазор может стать проводящим из-за т.н. «электрического пробоя» воздуха.

Про радиолампу наврал. Там электроны вылетают из анода хорошо не только из-за одного поля, там ещё термоэлектронная эмиссия - в нагретом (током) аноде электроны имеют достаточно широкий спектр энергии/скоростей и какое-то их кол-во может преодолеть потенциальный барьер отрыва от анода. Дальше поле тянет их к катоду.

Edited at 2012-11-25 06:22 (UTC)
(Ответить) (Thread)
From: asox
2012-11-26 07:15 am
Вы всё перепутале.
В электронных лампах электроны вылетают из катода - который нагревается. Но нагрев катода осуществляется отдельным током.
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: mopexod
2012-11-25 07:20 am
Почему "на поверхности проводов"? Если нет высокочастотных эффектов (у тебя же батарейка?) - то по всему объёму проводника, вполне однородно (настолько же однородно, как и локальная проводимость).
В "In a simple circuit" прекрасно расписаны поля вокруг проводников, но то, что эти поля - главные переносчики энергии от батарейки к лампе? - пардон. Технически ты можешь добиться отсутствия полей вокруг проводников.
Собственно, при передаче энергии к этому даже стремятся, насколько это экономически оправдано.
Если ты хочешь механических аналогий - то это газ. Молекулы газа - свободные электроны, скорость звука - скорость света, разница давлений - разница потенциалов.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: avva
2012-11-25 08:50 am
Почему на поверхности - я точно не знаю, но по ссылкам пишут, что избыток заряда в металле всегда выдавливается на поверхность.

Насчет переноса энергии это, по-моему, ключевой момент, и статьи по ссылкам меня убеждают, особенно "Understanding Electricity and Circuits". Что, по-твоему, переносит энергию? Если электроны внутри провода, то надо как-то объяснить, как им это удается, если они движутся очень медленно, а в цепи переменного напряжения вообще по сути не движутся, а только дрожат на месте. А электромагнитное поле внутри металла распостраняется очень плохо.

Технически ты можешь добиться отсутствия полей вокруг проводников. Собственно, при передаче энергии к этому даже стремятся, насколько это экономически оправдано.

Мне кажется - опять-таки, говорю очень осторожно, потому что ничего в этом не понимаю - что стремятся скорее к изолированию поля внутри "удобного" материала вне проводника. Напр. смотри http://en.wikipedia.org/wiki/Coaxial_cable: "One advantage of coax over other types of radio transmission line is that in an ideal coaxial cable the electromagnetic field carrying the signal exists only in the space between the inner and outer conductors", и это предотвращает, они пишут, power losses, т.е. потерю энергии.
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
(Удалённый комментарий)
[User Picture]From: dzz
2012-11-25 07:40 am
Неравномерность распределения зарядов при замыкании цепи - результат стохастического переходного процесса, в стационарном режиме параметры распределения уже зависят от характеристик электромагнитного поля.
Т.е., грубо говоря, "запуском процесса" мы обязаны случайности, которая есть всегда ;)

Edited at 2012-11-25 07:41 (UTC)
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: mord08
2012-11-26 05:21 am

Случайность

Стохастическая электродинамика - великая вещь и, к примеру, одного из ее известных специалистов, Альфонсо Руеда, подвигла на объяснение, что такое "Масса". Но если ее использовать для объяснения такого физического явления, как "Нажатие пальцем на выключатель", то получается курьез. Желание, включить свет действительно - случайность, но явление не для стохастической электродинамики... Всего!
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: p_k
2012-11-25 07:51 am
Мне кажется, Ваш вопрос не микроскопический вовсе. Это скорее про переходные процессы в длинной линии. Я дочке так объяснял - вот провели мы сверхпроводящую ЛЭП на Альфу Центавра, альфацентавряне в крутили лампочку, а мы включили рубильник. Какой ток потечет и когда? По закону Ома, для сопротивления лампочки, сразу? А откуда мы знаем, что инопланетцы вместо лампочки не включили утюг?

Ну а дальше про волновое сопротивление линии и волну, бегающую туда сюда, до полного согласования она сама додумалась.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: pulkin
2012-11-25 08:08 am
Отлично. Позаимствую для сына )
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: lyuden
2012-11-25 08:22 am
Попробую и я.

Тут много процессов которые можно рассматривать независимо.

Например процессы которые происходят при замыкании клеммы, такие же как если бы никакой лампочки не было.

Т.е. да на клемме есть некоторая разность потенциалов и ток, который допустим переноситься ионами образующимися из водяного пара. При приближени клемм он хитро со скачками растет.

Т.е вот это не верно

> Цепь разомкнута, лампочка не горит, тока нет, поэтому, если я правильно понимаю, электрического поля внутри проводов и магнитного поля вокруг них тоже нет.

Электрическое поле есть. Провода подсоединены к клеммам, заря на них есть. Он производит поле. Оно постоянное да, поэтому магнитного поля оно "не производит" (OMFG)

> и эта энергия возвращается в каждую точку проводника ровно в той степени, в какой это место рассеивает энергию;

Это какая то мистика. У нас есть процесс который мы можем описать как некоторый поток энергии. Он считается так. Все. Для этой модели это в принципе предел разумной детализации. Чтобы понять механизмы надо уже смотреть на уровне атомов и ниже. Например страшно неточная модель заряженного осциллятора во внешнем поле, дает более правильное представление о том как рассеивается энергия этого поля, чем попытки детализации школьных законов.

И т.д. и т.п.
(Ответить) (Thread)
(Удалённый комментарий)
(Удалённый комментарий)
[User Picture]From: ingermanlan
2012-11-25 09:08 am
Долгое время я задавался подобными вопросами, пока на 3-ем курсе в курсе ТОЭ (теоретические основы электротехники) не получил для меня лично практически исчерпывающий ответ. Это телеграфные уравнения (http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%BD%D0%BE%D0%B5_%D1%83%D1%80%D0%B0%D0%B2%D0%BD%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5).
Решения телеграфных уравнений показывают как распространяется фронт тока по длинной линии, как распространяется фронт напряжения, какие бывают отражения от границ линии и переотражения, как они накладываются друг на друга до достижения установившегося режима. Показывается поведение токов и напряжений в привязке не только ко времени, но и координате. Насколько я помню одним из следствий телеграфных уравнений является четвертьволновый металлический изолятор - вещь не поддающаяся пониманию без этих уравнений
В сочетании с основами вычисления переходных процессов в цепях (из того же курса ТОЭ) телеграфные уравнения позволяют строить красивейшие графики токов и напряжений в длинных линиях. Это делали руками в курсовых работах или можно посмотреть например здесь: http://portal.tpu.ru/SHARED/a/ALEXTPUFTF/COMSOL/Tab/%D0%A0%D0%B5%D1%88%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5%20%D1%81%D0%B8%D1%81%D1%82%D0%B5%D0%BC%D1%8B%20%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B5%D0%B3%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%BD%D1%8B%D1%85%20%D1%83.pdf
Телеграфные уравнения дают исчерпывающий ответ на вопрос КАК ведут себя ток и напряжение в цепи. На вопрос ПОЧЕМУ по прежнему отвечают уравнения Максвелла.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: p_govorun
2012-11-25 09:16 am
Слишком много думать о векторе Пойнтинга вредно. :-) Это просто такой математический объект, довольно странно выглядящий.

Электрическое поле у электронов есть (всегда) но для обычных ситуаций оно несущественно. (Оно существенно вблизи высоковольтной линии, или когда вы гладите кошку.)

Так что лучшая аналогия, как уже написали, поток воды. Вот вы открываете кран, и из него сразу же начинает идти вода. Там же тоже интересные микропроцессы. (На нефтепроводе, скажем, эти "микропроцессы" приводят к необходимости ставить клапаны для сброса гидроудара.)
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: avva
2012-11-25 09:21 am
Проблема в аналогии с водой в том, что электроны под воздействием тока двигаются со скоростью миллиметров в секунду.

Edited at 2012-11-25 09:22 (UTC)
(Ответить) (Parent) (Thread) (Развернуть)
From: ichthuss
2012-11-25 10:21 am
Странно, что среди читателей аввы только один ответил на вопрос. Проще всего объяснить на примере коаксиального кабеля, т.к. в нём поля имеют очень простой вид (электрическое поле направлено вдоль радиусов, магнитное - концентрическими кругами).

Пусть имеем коаксиальный кабель, с одной стороны подключенный к батарейке, а с другой почти подключённый к лампочке. В этот момент вдоль кабеля везде установилось одинаковое электрическое поле и нет магнитного. В момент подключения лампочки через неё начинает разряжаться конденсатор, образованный ближайшим к лампочке элементом кабеля. Это сразу же приводит к образованию тока, но только в малом элементе кабеля - прямо возле лампочки. При этом величина образовавшегося тока определяется всего двумя параметрами: сопротивлением лампочки (если считать её неиндуктивной) и волновым сопротивлением кабеля. Фактически, ток будет ограничен сопротивлением Rламп+Rвол, т.е. будет небесконечен даже в случае короткого замыкания.

Дальше происходит вот что: при отсутствии активного сопротивления в кабеле эта область разрядающегося конденсатора и текущего тока начинается распространяться посредством электромагнитной волны, проходящей внутри коаксиального кабеля. Т.е. кабель в любой момент поделен на две части: одна ещё ничего не знает о включившейся лампочке, а во второй течёт ток, есть магнитное поле, а напряжение на ней будет меньше исходного и зависит от соотношения сопротивлений лампочки и линии.

В момент, когда волна доходит до источника, она переотражается, причём сила этого переотражения зависит от разности волнового сопротивления кабеля и внутреннего сопротивления источника. В частности, если внутреннее сопротивление источника равно волновому сопротивлению кабеля, волна вообще поглотится, и на этом установится стационарный режим. Если сопротивление источника бесконечно, волна переотразится с обратным знаком. Если сопротивление нулевое, волна переотразится с тем же знаком. Затем, дойдя до лампочки, она переотразится снова, на этот раз в зависимости от разности волнового сопротивления линии и сопротивления лампочки. Если сопротивление хотя бы одного конца не равно нулю или бесконечности, то процесс будет спадать в геометрической прогрессии. Если на одном с концов сопротивление нагрузки совпадает с волновым, отражения не произойдёт.

В случае неидеальной линии вступают другие эффекты: сопротивление линии приводит к поглощению волны и образованию продольного электрического поля; если кабель не является коаксиальным или витой парой, волна также излучается в пространство и на этом теряет энергию. Но в общих чертах происходит то же самое: электромагнитная волна болтается туда-сюда.

Кстати, именно поэтому в длинных высокочастотных линиях передачи всегда сопротивление источника подбирают под волновое сопротивление линии, а на висячих хвостах, если такие есть, ставят т.н. терминальные резисторы с тем же сопротивлением.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: toshick
2012-11-25 10:36 am
Представьте себе вот что: в незамкнутой цепи разность потенциалов за пределами батареи приходится на ключ, разность потенциалов на всех остальных участках пренебрежимо мала. Но между контактами существует электрическое поле, как между пластинами конденсатора. При замыкании происходит перераспределение разности потенциалов в соответствии с сопротивлениями цепи. Когда Вы замыкаете цепь, напряженность поля между контактами растет (в геометрическом представлении - до бесконечности, в реальности происходит пробой воздуха и до замыкания проскакивает искра обычно), под его действием электроны сдвигаются так, чтобы это поле компенсировать, переходя с одного контакта на другой.
Небольшое перемешение электронов вызывает значительные изменения поля в окрестности, которые воздействуют на электроны других участков (это воздействие распространяется со скоростью света, разумеется, поскольку является электромагнитной волной). В результате электроны очень быстро начинают двигаться во всем проводнике. Если бы источником ЭДС был конденсатор, то, при нулевой индуктивности проводов (в противном случае возникнут затухающие колебания), электроны сместились бы так, чтобы конденсатор просто разрядить, передали бы свою энергию решетке, и все. Поскольку источником ЭДС является батарейка, то никакой сдвиг электронов не уничтожает поле на всех участках, и электронам приходится двигаться постоянно. На участках с высоким сопротивлением электроны передают много энергии решетке, можно сказать, что из способность компенсировать электрическое поле собственным движением ниже, и поле на таких участках существует внутри проводника постоянно.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: barzel
2012-11-25 10:42 am
Я пошел по ссылке и там написано:
A Coulomb is not a Joule, and there is no way to convert from Coulombs of charge into Joules of energy, or from Amperes to Watts.

Но разве это правильно?
Единица измерения в СИ — 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду
I=dQ/dt;
Мощность P=I*U=dQ*U/dt. Что не так?

вики:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Ома
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: avva
2012-11-25 10:46 am
То, что они хотят сказать - это что если вы знаете амперы (или кулоны), это не дает вам автоматически ватты (или джоули) - ватты зависят также от вольтов. Одно и то же значение силы тока может означать разную мощность в зависимости от напряжения.
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: phoonzang
2012-11-25 11:34 am
Мне кажется, что ключевое слово тут «ток смещения» (http://en.wikipedia.org/wiki/Displacement_current)

В тот момент, когда вы подключили к батарее провода с разомкнутым ключом и лампой, через них кратковременно прошел этот ток смещения, хотя цепь и не была замкнута. Ток смещения как раз служит для выравнивания потенциала вдоль проводника — до подключения к батарее у провода, ключа и лампы был нулевой потенциал, а после подключения — потенциал соотв. полюса батареи.

Как я сам понимаю ток смещения (вкратце): подключим к батарее пустой конденсатор. Естественно, через диэлектрик между пластинами конденсатора электроны физически пролететь не могут. Но! в момент подключения конденсатор в течение какого-то времени заряжается — амперметр, включенный между кондесатором и батареей покажет ненулевой ток на какое-то время. Т.е. (очень грубо говоря) электроны вышли из батареи, дошли до пластин конденсатора и накопились там до такой степени, что напряжение на пластинах конденсатора сравнялась с напряжением на клеммах батареи.

Разомкнутая цепь с ключом, лампой и проводами представляет собой пластины конденсатора, пусть и малой емкости. В момент подключения проводов к батареи, через них проходит ток смещения, который выравнивает потенциалы.

Аналогия с сантехникой — в момент подключения дома к водопроводной магистрали в дом поступает немного воды (даже если в доме все краны закрыты) для выравнивания давления между домом и подводящей водопроводной трубой. Этот маленький ток воды как раз и есть ток смещения.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: phoonzang
2012-11-25 11:41 am
Если говорить совсем точно, то ток смещения — это виртуальный ток между пластинами конденсатора в момент его зарядки. Этот виртуальный ток тоже приводит к появлению магнитного поля.

Ток смещения по своей величине, конечно, равен физическому току между конденсатором и батареей.
(Ответить) (Parent) (Thread)
[User Picture]From: gineer
2012-11-25 12:02 pm
\\Тем не менее, полного ответа на свой вопрос я, кажется, не получил.

Вообще-то... электромагнитная энергия -- хитрая штука.
У меня вон на почве её непонимания в универе проффесор с ума сошел. :))

Если коротко.
Все сводится к понятию поля,
которое с одной стороны декларруется материальным,
а с другой, не дает никакой возможности говорпить о каких-то отдельных его частях, как то электронах.

Так вот, проводники пока еще не соедененной цепи,
"чуствуют" друг друга с помощью этого поля, еще ДО контакта.
А при полном контакте это поле уже замыкается...
и вызывает уже движение зарядов и прочие дела.
(Ответить) (Thread)
[User Picture]From: hvost
2012-11-25 03:05 pm
http://bookre.org/reader?file=470238&pg=4
Матчать бы сначала изучить. Обратив внимание на то, что раздел электростатики практически не менялся с 1 издания, в то время как раздел электродинамики радикально обновляется от издания к изданию. У меня сейчас 12. Видимо ответ на вопрос все таки в электростатике, вернее в базовом переходе от электростатики к динамике. Электростатика электрически активных нелинейных сред пока терра инкогнито
(Ответить) (Thread)
Страница 1 из 2
<<[1] [2] >>