До недавнего времени я полагал, что понимаю, что такое электрический ток. Но я не смог ответить себе на некоторые вопросы, которые появились у меня после некоторых размышлений.
Из школьного курса физики все знают, что электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. В данной публикации я остановлюсь на рассмотрении самого простого варианта – постоянного тока в металлах.
Электрический ток в металлах — это упорядоченное (направленное) движение электронов под действием электрического поля. Особенность металлических проводников состоит в том, что заряд электричества переносят свободные электроны. Они перемещаются в одном направлении под влиянием внешнего электрического поля, создавая электрический ток.
Природа электрической проводимости у металлов обусловлена наличием кристаллической решётки, в узлах которой расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны.
https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/8/usloviya-sushhestvovaniya-elektricheskogo-toka-v-metallah
Именно так я всё и представлял. Металл представляет собой кристаллическую решётку из ионов, между которыми движутся свободные электроны. При этом электроны между собой практически не взаимодействуют. Поэтому их часто называют электронным газом. Частицы этого газа движутся хаотично. Но под действием внешнего электрического поля возникает направленное движение свободных электронов, что называется электрическим током.
Вроде бы всё понятно. Со стороны электрического поля на электроны действует сила, которая заставляет их направленно двигаться. Но из второго закона Ньютона следует, что под действием силы тела движутся с ускорением. Означает ли это, что свободные электроны в проводниках движутся с ускорением? Если свободные электроны представляют собой электронный газ, то под действием внешнего электрического поля эти электроны должны двигаться с ускорением. Это означает, что сила тока в проводниках должна увеличиваться со временем. Но в проводниках этого увеличения не наблюдается. Почему?
Вопрос 1. Если под действием электрического поля электроны движутся с ускорением, то почему сила тока не изменяется со временем?
Возможно, всё объясняется взаимодействием электронов с ионами кристаллической решетки. Можно предположить, что ионы препятствуют свободному движению электронов, что воспринимается как сопротивление проводника. Но это порождает только дополнительные вопросы. Во всех моделях взаимодействия тела со средой, при рассеянии электронов на атомных ядрах и т.п., параметры взаимодействия зависят от скорости движения тела или частицы. Это означает, что сопротивление среды по отношению к движущейся частице должно зависеть от скорости движения частицы.
Более высокая разность потенциалов, приложенная к проводнику, означает более сильное электрическое поле. Это, в свою очередь, означает, что на свободные электроны действует бОльшая сила, и электроны движутся быстрее. То есть сила тока определяется скоростью направленного движения электронов. Это должно приводить к увеличению сопротивления при увеличении силы тока. Но в электротехнике полагается, что электрическое сопротивление проводника не зависит от силы протекающего по нему тока. Почему?
Вопрос 2. Почему сопротивление проводника не зависит от силы тока?
Я уже неоднократно отмечал, что физика – это прикладная наука. С этой точки зрения вполне естественно воспринимается утверждение, что для возникновения электрического тока в проводнике необходимо приложить некоторое напряжение к концам этого проводника. В результате этого возникает электрическое поле, которое приводит к возникновению тока в проводнике. Но так ли это?
Дело в том, что напряжение нельзя приложить. Напряжение – это разность потенциалов электрического поля между двумя точками проводника. Электрическое поле не возникает под действием напряжения. Это электрическое поле действует на проводник, что приводит к появлению разности потенциалов в проводнике. То есть на проводник действует не напряжение, а электрическое поле, которое вызывает электрический ток.
При этом хорошо известно, что металлы хорошо экранируют электрическое поле. Для экранирования оборудования от воздействия внешнего электромагнитного поля помещение с оборудованием ограждают металлической решеткой, которая препятствует проникновению поля внутрь решетки. По этой же причине электрическое поле внутри металлического проводника отсутствует. Это приводит к очередным вопросам о природе электрического тока. Известно, что электрический ток течет по всему сечению проводника. Почему?
Вопрос 3. Под действием каких сил происходит движение свободных электронов в проводнике, если внутри проводника электрическое поле отсутствует?
Читатели могут напомнить мне, что во всех учебниках приводится аналогия электрического тока в проводнике с движением воды в обычном водопроводе. С помощью этой аналогии объясняется, почему электрический ток появляется практически сразу по всей длине проводника, почему при параллельном соединении проводников электрическое сопротивление уменьшается, а при последовательном – увеличивается.
Я тоже помню эту аналогию. Более того, я полностью с ней согласен. Я полагаю, что она более близка к действительности, чем гипотеза с электронным газом, двигающимся под действием внешнего электрического поля. Рассматривая приведенные в публикации вопросы можно прийти к выводу, что электрический ток по своим свойствам более похож на несжимаемую жидкость, чем на электронный газ. При этом источник питания выполняет роль своеобразного насоса, перегоняющего электроны по проводнику. Но это уже тема других публикаций.
Всё это заставляет более критически относиться к версии о природе и свойствах электрического тока, известных нам со школьной скамьи.
