✅Стаціонарне електричне поле

Ми весь час говоримо про направлений рух зарядів, але ще не торкаємося питання про те, чому вільні заряди створюють такий рух. Чому, власне, виникає електричний струм?

Для упорядкованого переміщення зарядів усередині провідника необхідна сила, що діє на заряди в певному напрямку. Звідки береться ця сила? З боку електричного поля!

Щоб у провіднику протікав постійний струм, всередині провідника повинно існувати стаціонарне електричне поле. Іншими словами, між кінцями провідника потрібно підтримувати постійну різницю потенціалів.

Стаціонарне електричне поле повинно створюватися зарядами провідників, що входять в електричний ланцюг. Однак заряджені провідники самі по собі не зможуть забезпечити протікання постійного струму.

Розглянемо, наприклад, два проводять кулі, заряджених різнойменно. З’єднаємо їх проводом. Між кінцями дроту виникне різниця потенціалів, а всередині дроти – електричне поле. По дроту потече струм. Але в міру проходження струму різниця потенціалів між кулями буде зменшуватися, слідом за нею стане спадати і напруженість поля в проводі.

Зрештою потенціали куль стануть рівні один одному, поле в проводі звернеться в нуль, і струм зникне. Ми опинилися в електростатики: кулі плюс провід утворюють єдиний провідник, в кожній точці якого потенціал приймає одне і те ж значення; напруженість поля всередині провідника дорівнює нулю, ніякого струму немає.

Те, що електростатичне поле саме по собі не годиться на роль стаціонарного поля, що створює струм, ясно і з більш загальних міркувань. Адже електростатичне поле потенційно, його робота при переміщенні заряду по замкнутому шляху дорівнює нулю. Отже, воно не може викликати циркулювання зарядів по замкнутому електричному ланцюзі – для цього потрібно здійснювати ненульову роботу.

Хто ж буде здійснювати цю ненульову роботу? Хто буде підтримувати в ланцюзі різниця потенціалів і забезпечувати стаціонарне електричне поле, що створює струм в провідниках? Відповідь – джерело струму, найважливіший елемент електричного кола.

Щоб у провіднику протікав постійний струм, кінці провідника повинні бути приєднані до клем джерела струму (батарейки, акумулятора і т. д.).

Клеми джерела – це заряджені провідники. Якщо ланцюг замкнута, то заряди з клем переміщаються по ланцюгу – як у розглянутому вище прикладі з кулями. Але тепер різниця потенціалів між клемами не зменшується: джерело струму безперервно заповнює заряди на клемах, підтримуючи різниця потенціалів між кінцями ланцюга на незмінному рівні.

У цьому і полягає призначення джерела постійного струму. Усередині нього протікають процеси неелектричного (найчастіше – хімічного) походження, які забезпечують безперервне розділення зарядів. Ці заряди поставляються на клеми джерела в необхідній кількості.

Кількісну характеристику неелектричних процесів розділення зарядів всередині джерела – так звану ЕРС – ми вивчимо пізніше, у відповідному листку.

А зараз повернемося до стаціонарного електричному полю. Яким же чином воно виникає в провідниках ланцюга при наявності джерела струму?

Заряджені клеми джерела створюють на кінцях провідника електричне поле. Вільні заряди провідника, що знаходяться поблизу клем, приходять в рух і діють своїм електричним полем на сусідні заряди. Зі швидкістю, близькою до швидкості світла, це взаємодія передається уздовж всього ланцюга, і в ланцюзі встановлюється постійний електричний струм. Стабілізується і електричне поле, створюване рухомими зарядами.

Стаціонарне електричне поле – це поле вільних зарядів провідника, вчиняють спрямований рух.

Стаціонарне електричне поле не змінюється з часом тому, що при постійному струмі не змінюється картина розподілу зарядів в провіднику: на місце заряду, який покинув дану ділянку провідника, в наступний момент часу надходить точно такий же заряд. З цієї причини стаціонарне поле в чому (але не в усьому) аналогічно полю електростатичного.

А саме, справедливі наступні два твердження, які знадобляться нам надалі (їх доказ дається у вузівському курсі фізики).

  • Як і електростатичне поле, стаціонарне електричне поле потенційно. Це дозволяє говорити про різниці потенціалів (тобто напрузі) на будь-якій ділянці ланцюга.

Потенційність, нагадаємо, означає, що робота стаціонарного поля по переміщенню заряду не залежить від форми траєкторії. Саме тому при паралельному з’єднанні провідників напруга на кожному з них однаково: воно дорівнює різниці потенціалів стаціонарного поля між тими двома точками, до яких підключені провідники.

  • На відміну від електростатичного поля, стаціонарне поле рухомих зарядів проникає всередину провідника. Це пояснюється тим, що вільні заряди, беручи участь в направленому русі, не встигають належним чином перебудовуватися і приймати «електростатичні» конфігурації.

Лінії напруженості стаціонарного поля усередині провідника паралельні його поверхні, як би не вигинався провідник. Тому, як і в однорідному електростатичному полі, справедлива формула

U = El,

де

  • U – напруга на кінцях провідника;
  • E – напруженість стаціонарного поля в провіднику;
  • l – довжина провідника.
Посилання на основну публікацію