Общепринятое определение электрического тока настолько же лаконичное, насколько и бесполезное. Электрическим током принято называть направленное движение заряженных частиц. Бесполезность этого определения заключается в его чрезмерном обобщении абсолютно различных физических явлений. Движение электронов в электрических проводниках, ионов в жидкостях, движение заряженных частиц в ускорителях, молния во время грозы – всё это примеры направленного и упорядоченного движения заряженных частиц. Но всё это – абсолютно различные физические явления, которые невозможно описать единообразно.
Ситуация в физике с электрическим током подобна картине с городским транспортным потоком. Можно назвать транспортным потоком направленное движение транспорта. Можно даже научиться управлять транспортным потоком с помощью дорожных знаков и светофоров. Но при этом мы и близко не подойдем к пониманию причин возникновения этого транспортного потока. Наблюдая за движением машин и сигналами светофора, можно прийти к мысли, что движение машин обусловлено сигналами светофора. Красный сигнал светофора вызывает остановку машин, а зелёный сигнал приводит машины в движение. Но означает ли это, что причиной движения машин является определенный сигнал светофора?
Виды транспортных потоков, как и причины их возникновения, могут быть различны. В каких-то случаях на дорогах появляются гоночные автомобили. Причина и цель их появления совсем иная. Их движение подчиняется совсем иным правилам. В какой-то момент на дороге оказывается военная техника, идущая на парад. У неё своя причина появления, и свои законы движения. Ну и, конечно же, есть свои особенности движение в зависимости от типа дороги – асфальтовое покрытие или грунтовая дорога.
Вот так же и с электрическим током. Ток току рознь.
Поэтому в данной публикации я ограничусь рассмотрением постоянного электрического тока в металлах.
В публикации «Неожиданно для себя я осознал, что не понимаю, что такое электрический ток» я обратил внимание читателей на некоторые свойства тока, которые не согласуются с общепринятой моделью этого физического явления. Я высказал сомнения по поводу того, что электрический ток в металлах можно рассматривать как движение электронного газа, что направленное движение электронов в проводниках обусловлено внешним электрическим полем.
В настоящей публикации я хочу обратить внимание на другой аспект электрического тока, а именно – на скорость направленного движения электронов.
В публикации «Какова скорость электрического тока? Когда загорится лампочка?» обсуждался вопрос о том, что скорость передачи взаимодействия в проводнике может быть близка к скорости света в вакууме. Но при этом сами электроны имеют очень небольшую скорость направленного движения вдоль проводника. Эта скорость составляет несколько миллиметров в секунду. Конечно, при замыкании электрической цепи ток по этой цепи передается практически мгновенно и практически одновременно возникает по всей длине проводника. Но сами носители заряда движутся вдоль проводника очень медленно. При этом сила тока в проводнике определяется не скоростью движения электронов, а их количеством. Таково мнение современной физики.
То есть, для перемещения электрона вдоль проводника с током длиной около 10 сантиметров потребуется почти минута. Запомним это.
При обсуждении упомянутой публикации некоторые комментаторы указали на то, что причина электрического тока в проводнике заключается в разной плотности электрического заряда на противоположных концах проводника. То есть, если на одном конце проводника создать избыток электронов, а на другом конце проводника создать недостаток электронов, то в этом проводнике начнет течь электрический ток (рисунок 1). Так ли это? У меня есть некоторые сомнения по этому поводу.
Этот момент требуется обсудить более подробно, чтобы меня не обвинили в незнании основ электростатики. Разумеется, что в проводнике на рисунке 1 возникнет направленное упорядоченное движение электронов. Оно будет продолжаться до тех пор, пока не выровняется электрический потенциал по всей длине проводника.
Это обусловлено тем, что в соответствии с законами электростатики поверхность проводника является эквипотенциальной поверхностью, то есть имеет один и тот же потенциал в любой точке. Поэтому, если в проводнике создать неравновесное распределение заряда, то этот заряд будет перераспределяться в проводнике до тех пор, пока поверхность проводника не станет эквипотенциальной.
Следует отметить, что если проводнику передается некий дополнительный заряд, то в соответствии с законами электростатики этот заряд располагается на поверхности этого проводника.
Ситуация не изменится, если в проводнике создать избыток электронов только на одном конце проводника (рисунок 2).
В этом случае электроны также начнут двигаться к противоположному концу проводника до тех тор, пока потенциал поверхности не выровняется. Разумеется, что это направленное движение электронов можно назвать электрическим током. Но аналогичен ли этот ток постоянному электрическому току, возникающему в электрической цепи от источника питания?
Для ответа на этот вопрос я предлагаю рассмотреть известный со школьных времен прибор, который называется электроскоп.
Электроско́п (от греческого слова «электрон» и skopeo – наблюдать, обнаруживать) — прибор для индикации наличия электрического заряда. Это простейший прибор для обнаружения электрических зарядов и приблизительного определения их величины.
Принцип действия электроскопа основан на том, что на одноименно заряженные тела действуют силы взаимного отталкивания.
Один из вариантов простейшего электроскопа состоит из металлического стержня —электрода и подвешенных к нему двух листочков фольги или бумаги. При прикосновении к электроду заряженным предметом заряды стекают через электрод на листочки фольги (бумаги), листочки оказываются одноименно заряженными и поэтому отклоняются друг от друга.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электроскоп
Рассмотрим работу электроскопа. Если взять отрицательно заряженную палочку и прикоснуться к стержню электроскопа, то он получит некоторую порцию электронов. Эти электроны начнут двигаться к противоположному концу стержня, аналогично тому, как приведено на рисунке 2. Когда электроны достигнут лепестков электроскопа, то эти лепестки начнут отталкиваться.
Зададим два вопроса:
1. С какой скоростью двигаются электроны по стержню?
2. Через какое время после передачи заряда раздвинутся лепестки, если длина стержня около 10 сантиметров?
Для наглядности приведу ссылку на видео из YouTube, в котором демонстрируется работа электроскопа. https://www.youtube.com/watch?v=UqlQmupsHPk&t=5s
Попробуйте оценить время, через которое лепестки электроскопа начнут отталкиваться после прикосновения к стержню электроскопа заряженной палочкой.
Это происходит практически мгновенно. Это, в свою очередь, означает, что скорость движения электронов по металлическому стержню очень высокая.
Как же это согласуется с предыдущим утверждением, что скорость движения электронов по проводнику с электрическим током составляет несколько миллиметров в секунду? Никак.
Приведенный пример показывает только одно – наши знания о природе электрического тока не достаточно полные, наше понимание этого сложного явления далеко от истины.
