Что такое электрический ток? Это упорядоченное направленное движение заряженных частиц по проводнику. Хорошо, пусть так. Но почему они движутся именно в момент подключения к источнику тока? Каков механизм этого процесса?
Стандартный учебник физики описывает это примерно как "электрическое поле толкает заряды внутри провода, а потому и создаётся тот самый электрический ток". Но как оно их толкает, почему и для чего? Что-то здесь не укладывается в осознании всего процесса.
Это простое описание, которого достаточно для прикладного понимания проблемы и оно, в общем-то, правильное. Но если хочется изучить природу проблемы глубже и представить "а как оно это", то этих знаний не хватит. Вопросов остаётся очень много. Логично, что мы можем обратиться к более сложным источникам, но там начинается ну совсем тёмный лес. Читателю без дополнительных знаний это будет непонятно.
Давайте попробуем пройти где-то между простым прикладным пониманием проблемы и осознанием реальный природы интересного и сложного физического процесса, а заодно составим для себя представления того, как это работает на самом деле.
Что мы точно знаем
Мы точно знаем, что заряды перемещаются внутри проводника не просто так и все источники информации сходятся в одном - заряды и правда толкает электрическое поле. Для простоты в этот раз будем считать, что под движущимися частицами мы понимаем только электроны, хотя ток не всегда и не обязательно связан именно с движением электронов.
Хорошо, пусть всё так. Дополнительным вопросом тут останется "а почему поле толкает заряды именно в ту сторону, в которую толкает", но пока сконцентрируемся на самом процессе этого "толкания". Будем исходить из того, что почему-то оно работает именно в этом направлении.
Нам нужно ответить на ряд сложных и не очевидных вопросов, которые определят понимание процесса. Будет необходимо разобраться с тем, а что вообще такое электрон (что такое мы толкаем по проводу), чем является само поле (что такое толкает), откуда это поле берется вдруг вокруг проводника и как это поле может повлиять на электрон, то есть провзаимодействовать с ним.
Колыбель Ньютона вместо трубы с водой
Первое, от чего нужно избавиться для правильного понимания проблемы - это образ воды в трубе. Да, он удобный и подходит для понимания некоторых моментов в логике процессов. Но он фундаментально запутывает.
Представьте себе металлический проводник. Это кристаллическая решётка из ионов и облако свободных электронов вокруг них. Это облако обычно именуется электронным газом. Примечательно тут, что электроны не то, чтобы сильно свободные. Каждый электрон отчасти связан со своим атомом. При этом электроны могут перепрыгивать от атома к атому и это похоже на одуванчики на ветру.
Тем не менее, главная идея тут одна. Полностью свободных электронов в проводнике не так-то и много. Это значение значительно меньшее, чем вы себе представляете. Электронный газ - это не вода, которую налили в трубу аля провод. Это специфическое поведение электронов от атомов.
Если бы ток действительно работал как вода, электроны должны были бы куда-то вытекать и рано или поздно заканчиваться. Но они не заканчиваются и провод мгновенно не деградирует, хотя и есть тут эффект вырождения проводника. Но масштабы совсем не те.
Гораздо точнее представить колыбель Ньютона. Помните шарики на нитках? Один ударяет с одного конца, другой вылетает с другого, средние стоят на месте. Вот примерно так же работает ток в металле.
Один электрон пинает соседний, тот следующего. Энергия передаётся, а само вещество почти не двигается.
Это не значит, что отдельные электроны вообще не перемещаются по проводнику. В некоторых количествах они всё-таки движутся. Но это не самый главный механизм.
Главное тут передача энергии от частицы к частице, а не перенос вещества. Электроны при этом могут отрываться от своих атомов и перелетать к другим или не делать этого. Это не влияет главным образом на процесс. При этом мы внезапно видим тут определение волны, а если вспомнить, как ведут себя волновые процессы в электрофизике, то многие вопросы отпадают.
Хорошо, если всё это так, то может быть, и электроны тогда являются чем-то не совсем определенным? Видимо они не двигаются как что-то сугубо материальное? И да, это действительно так.
Что это такое сам электрон?
Получается, что в проводнике есть некоторые электроны, которые не перемещаются сами как вода, но могут передавать энергию. Чем же являются эти объекты?
Электрон - это точно не шарик. Это не маленький твёрдый мячик с зарядом. Электрон - это квант поля и квантовая частица. Возмущение в электронном поле, которое тоже присутствует везде. Отдельная «порция» энергии, которая при взаимодействии с нашими приборами проявляет себя как частица.
Идея таких порций энергии восходит к Планку. Именно он в начале XX века предложил, что энергия передаётся не непрерывно, а пакетами. Эта мысль переворотила всю физику и в итоге привела к квантовой механике. Электрон - один из таких пакетов.
В этом случае мы имеем квант электронного поля. В современной физике электронное поле - это невидимая субстанция, которая заполняет собой всё пространство-время во Вселенной. Собственно, это типичное описание поля. Просто квантовая физика, которая как раз и описывает свойства электрона как частицы, любит для каждого явление использовать собственное поле. Электрон тут не исключение. Это квант электронного поля.
Справедливости ради отмечу, что в комментариях частенько ругают идею существования электронного поля. Но я не вижу в этом противоречий с той же логикой, которая описывает и электромагнитное поле. К этому мы ещё вернемся. Пока важно другое.
Хорошо. Так что же такое электрон? Это пакет энергии, способный расшевелить собственное поле. Получится колебание в электронном поле, которое проявляет свойства частицы. Мы не можем сфотографировать электрон. Мы не знаем его формы. Мы вообще до конца не понимаем, что это такое. И при этом именно он переносит энергию. И вот эта его особенность определяет специфику взаимодействия этого электрона при передаче электрического тока.
Так что же всё-таки толкает электроны?
Очень часто встречается мнение, что электрон - это действительно квант. Но квант не электронного поля, а поля электрического. Это хоть и упрощает логику, но приводит к путанице в понимании и вносит ошибки. Получается, что мы берем одну общую теорию и применяем её так, как нам удобно. На деле, если мы и взяли идею квантовых полей, то тогда у нас должно быть и электронное поле, и поле электромагнитное. Это сложнее, но это соответствует всей логике.
Пусть так. И мы теперь знаем, что электрон - пакет энергии, вызывающий возмущение электронного поля. Стало ли нам что-то проще понять? Пока нет. Теперь ещё и не ясно как связать всё это с тем толкающим полем.
Тогда введём ещё в это дело электромагнитное поле или электрическое поле, как простую его составляющую часть, которой нам пока достаточно.
Мы уже отметили, что согласно учебникам электрическое поле, существующее вокруг проводника, толкает те самые электроны по проводу.
Вопрос номер раз. А откуда вокруг проводника появляется это электрическое поле?
Многие привязываются тут к движущемуся заряду и получается масло масляное. Мол движущийся заряд и порождает это поле, а поле потом толкает заряд. На самом же деле, электрическое поле есть везде. И это такое же квантовое поле, как и поле электронное или любое другое. Оно представляет собой особый вид материи и существует повсеместно. Но оно отвечает за другое взаимодействие относительно поля электронного. Именно в этом поле передаётся сама энергия электрического тока. А электроны лишь посредники.
Электронное и электромагнитное (электрическое в нашем упрощенном контексте) могут взаимодействовать. При этом электронное поле с электронами становится чем-то типа транспорта для электрического поля, несущего энергию. Обмен информацией между полями происходит через фотон и именно фотон связывает эти два объекта. При некоторых параметрах два поля встречаются и влияют друг на друга. Электрический ток в таком контексте - это и есть влияние энергии, переносимой электрическим полем, на те элементы электронного поля, которые мы именуем электронами. Их взаимодействие и порождает то, что мы называем электрическим током.
Тут были вопросы из серии "а почему бы электромагнитному полю самому не переносить энергию"? Что же, такое тоже бывает. Передадим пламенный привет радиоволнам или свету. Просто для того, чтобы получился именно электрический ток со всеми его понятными действиями, нам нужно, чтобы эта энергия электромагнитной волны расшевелила электронное поле с представленными в нём возмущениями. В общем-то, в отрыве от общей картины тут не один процесс воспринимать нельзя. Но это и объясняет очень многое, что обычно сложно выцепить из базовых определений в учебнике.
На практике же это и выглядит, как "электрическое поле толкает электрон".
Но тут другой разумный вопрос - а почему бы тогда не передавать энергию без провода, если электроны не нужны? Что же, вам передаёт привет Никола Тесла. Он тоже искал способ передачи электричества без провода и многие полагают, что вполне успешно.
Провод - это не труба
Провод тут уже не труба, по которой течёт жидкость. Провод - это рельса, которая упрощает движение. Паровоз может ехать и без рельсов, но с рельсами едет быстрее и надёжнее. Энергия может двигаться и без провода, но чтобы получился электрический ток как особая форма энергии, нужны электроны.
Электрический ток может распространяться и по воздуху (как молния), и по вакууму (радиоволны до Луны, но с другими параметрами), но по металлическому проводнику она делает это эффективнее всего. С точки зрения физики это один и тот же процесс. Просто разные условия распространения и разные среды.
Так что в итоге?
Теперь можно собрать всё сказанное вместе. Электрическое поле есть везде. Электронное поле есть везде. Кванты электронного поля с достаточной энергией - это электроны. Когда источник тока создаёт разность потенциалов (грубо говоря, делает так, что с одной стороны энергии больше, а с другой меньше) энергия начинает двигаться по полю туда, где её меньше. Это энергетически выгодно, природа всегда идёт по пути наименьшего сопротивления.
Это движение энергии увлекает за собой кванты электронного поля электроны. Взаимодействие происходит через фотоны. Энергия от электрического поля в виде фотонов уходит полю электронному. Фотоны тут являются «посредниками», которые передают импульс от электромагнитного поля к электронам. Это на самом деле и толкает заряды по проводу.
Электрический ток - это не вещество, текущее по трубе. Это энергия, распространяющаяся в электромагнитном поле по наиболее выгодному пути. Провод лишь делает этот путь максимально удобным. Электроны - не шарики, а кванты поля, которые это поле и увлекает за собой. Процесс одновременно и простой, и сложный.
Почему мы всё ещё говорим "никто не знает" как это работает?
У меня есть подборка видео "никто не знает, что такое электрический тока". Раз за разом мы разбираем теорию этого явления и находим ответ. Но на каждом шагу этого объяснения можно остановиться и спросить: "А что такое само поле? Из чего оно сделано? Почему электромагнитное поле вообще взаимодействует с электронным?"
Прямых ответов тут нет. Есть теории, гипотезы, математика, которая работает. Но по сути очень многие моменты мы вынуждены рассматривать через призму математики.
Это не повод расстраиваться или говорить, что все теории врут. Это не значит, что имеющиеся подходы не работают совсем. Всё прекрасно работает. Просто это и есть настоящая физика. Вопросы всегда остаются и остаются неоднозначные сущности. Мы до сих пор не можем правильно описать электрон и используем всяко-разные модели. Но наука - это не набор готовых ответов, а бесконечная цепочка всё более глубоких вопросов. Тем не менее, я полагаю, что теперь вы сможете легко ответить на вопрос что именно толкает заряды по проводнику, опираясь хотя бы на вполне складные теории.
✔️ Если статья показалась вам интересной, то наверняка вам понравится и моё подробное видео по этой теме. Буду благодарен вам за просмотр.
Полагаю, что вполне уместно пригласить вас и к себе в Telegram. Там есть, что изучить.
Ну и читайте материалы на Хабре, я стараюсь вести тут страничку и делиться интересными знаниями.
