Глава седьмая. Постоянный электрический ток

§ 54. Электрическое поле внутри проводника с током

В проводниках тока имеется большое количество хаотически движущихся свободных заряженных частиц - электронов, ионов. Если эти частицы заставить помимо хаотического движения еще двигаться в целом в виде направленного потока, то получится электрический ток. В электрических цепях частицы, образующие тек, приводятся в направленное движение электрическим полем, которое создает источник тока в проводах цепи вследствие наличия на его полюсах разности потенциалов. Электрическое поле внутри и вокруг неподвижного проводника с постоянным током называется стационарным электрическим полем.

Рис. 72. Линии напряженности стационарного электрического поля

Наблюдать такое поле можно на следующем опыте. В проекционной ванночке имеется тонкий слой прозрачного жидкого диэлектрика, в котором находятся мелко нарезанные волоски и две параллельные влажные палочки (рис. 72, а). Присоединим проводники (палочки) к источнику напряжения (к шарикам электрофорной машины). Волоски приходят в движение и располагаются, создавая картину электростатического поля заряженных проводников, в котором линии напряженности нормальны к поверхности проводников (рис. 72, б). Замкнем цепь в ванночке деревянной палочкой А (рис. 72, в). В проводнике и вокруг него образуется стационарное электрическое поле. Под его действием возникает ток, и вид прежнего поля изменяется. Сравнивая картину электростатического и стационарного полей, видим, что* между ними есть отличие:

1. Линии напряженности электростатического поля заряженного проводника перпендикулярны к поверхности проводника, а стационарного поля вне проводника - наклонны в направлении тока (рис. 72, г). Обнаружить стационарное электрическое поле вне проводника такими приемами, как обнаруживается электростатическое поле зарядов гильзой, нельзя из-за малой напряженности первого. Внутри прямолинейного проводника стационарное поле однородное (его линии напряженности направлены вдоль проводника), внутри криволинейного - неоднородное.
2. В любой точке стационарного поля есть напряженность, на что указывает наличие тока в цепи.
3. Потенциал поля внутри проводника и на его поверхности уменьшается в направлении движения тока. В этом можно убедиться на таком опыте (рис. 73). Приведя в действие электрофорную машину, получим в цепи из шпагата (потертого влажной тряпочкой) электрический ток. Начнем электрометр, соприкасающийся стержнем, со шпагатом, передвигать вдоль цепи. Видим, что потенциал в разных точках цепи различен. У шарика А он был наибольшим, при перемещении к середине В длины шпагата постепенно уменьшался, в точке В стал равным нулю, а затем начал по абсолютной величине увеличиваться, имея знак минус. Потенциал уменьшается вдоль внешней цепи от точки к точке в направлении тока.
   
   Рис. 73. Падение потенциала вдоль проводника с током
   
   
4. Свободные заряженные частицы, образующие ток, движутся непрерывным равномерным потоком и нигде не накапливаются и не исчезают. На это указывает постоянство тока в цепи.
5. Стационарное поле внутри проводника с постоянным током и магнитное поле вокруг него образуют электромагнитное поле.
6. При прохождении тока по проводнику поверхность последнего заряжена. В процессе прохождения тока заряды на поверхности проводника непрерывно обновляются.
7. Для поддержания электростатического поля энергию затрачивать не надо, а для поддержания стационарного электрического поля необходима непрерывная затрата энергии источника тока, так как энергия стационарного поля с помощью электрического тока превращается в другие виды энергии (механическую, внутреннюю).
8. Стационарное электрическое поле (как и электростатическое) - потенциальное.

От точки к точке проводника распространение электрического поля, а следовательно, и процесс направленного движения заряженных частиц, образующих ток, происходит со скоростью света, а направленное движение этих частиц происходит с очень малыми скоростями. Например, когда по медному проводу сечением 1 мм² идет ток 1 а, электроны, образующие ток, движутся со скоростями порядка 0,07 ^мм/_сек.