Ми вже знаємо, що електричний струм — це впорядкований рух заряджених частинок, а напруга — різниця електричних потенціалів між двома точками. Але як напруга змушує електрони рухатися? Адже сама «різниця потенціалів» нічого не штовхає і безпосередньо на електрони не діє.
Відповідь пов’язана з електричним полем. Це те саме поле, про яке ми вже говорили раніше: його створюють електричні заряди, і воно може діяти на інші заряди з певною силою. Якщо помістити заряд в електричне поле, на нього діятиме сила. Саме електричне поле, а не напруга сама по собі, безпосередньо змінює рух електронів.
Як пов’язані напруга та електричне поле
Але як тоді пов’язані напруга та електричне поле? Згадаємо нашу аналогію електричного потенціалу з висотою. Вершина гори знаходиться вище, долина — нижче, а між ними існує перепад висот. В електриці одна точка може мати більший потенціал, інша — менший, а різницю потенціалів між ними ми називаємо напругою.
Проте знати лише різницю висот недостатньо, щоб описати місцевість. Можна спуститися на 100 метрів дуже плавно протягом кількох кілометрів, а можна подолати ті самі 100 метрів майже вертикальним схилом. Перепад висот однаковий, але крутизна зовсім різна. Електричне поле в певному сенсі нагадує саме крутизну цієї електричної «місцевості».
Там, де електричний потенціал змінюється з відстанню, існує електричне поле. І чим швидше змінюється потенціал на певній відстані, тим сильнішим буде поле. Напрям електричного поля при цьому показує, куди зменшується потенціал — тобто куди умовно «вниз» рухався б позитивний заряд. Тому напруга й електричне поле тісно пов’язані між собою.
Не зовсім правильно уявляти, що спочатку окремо існує напруга, а потім вона якимось чином «створює» поле. Потенціал, різниця потенціалів і електричне поле — це різні, але пов’язані способи описати одну електричну ситуацію. Напруга говорить нам про різницю потенціалів між двома точками, а поле описує, що відбувається локально в конкретному місці простору.
Електричне поле в батарейці
Тепер візьмемо звичайну батарейку. Хімічні процеси всередині не створюють нових електронів, а виконують роботу з розділення зарядів і підтримують різницю потенціалів між двома клемами. Заряди створюють електричне поле. І важливо розуміти: це поле існує навіть тоді, коли батарейка просто лежить на столі й коло не замкнене.
Уявімо, що до батарейки приєднали два довгі дроти, але їхні далекі кінці залишили роз’єднаними. Після приєднання відбувається короткий перехідний процес: заряди трохи перерозподіляються по поверхні провідників, і приєднані ділянки набувають відповідних потенціалів. Але оскільки між двома сторонами немає замкненого шляху, сталий струм через усе коло не тече.
А тепер з’єднаємо дроти через лампочку й замкнемо коло. Часто це уявляють так: батарейка починає виштовхувати електрони, і вони мчать уздовж дроту до лампочки. Але ми вже знаємо, що дрейфова швидкість електронів у металі дуже мала. Електрону зовсім не потрібно долітати від батарейки до лампочки, тому що електрони біля лампочки вже знаходяться там.
Після замикання кола змінюється конфігурація всієї електромагнітної системи. Відбувається перерозподіл зарядів, а зміна електромагнітного поля швидко поширюється вздовж кола. У реальному кабелі цей сигнал рухається дещо повільніше за світло у вакуумі, але все одно з величезною швидкістю. Тому в колі завдовжки кілька метрів затримку людина практично не помічає.
Коли електричне поле встановлюється в певній ділянці металевого провідника, воно починає діяти на вільні електрони, які вже там знаходяться. Без поля їхній рух не має напрямленої складової, але електричне поле створює силу, що діє на кожен електрон. Оскільки електрон має негативний заряд, ця сила напрямлена проти напрямку електричного поля.
Чи дійсно напруга “штовхає” електрони
Електрони починають прискорюватися, але постійно взаємодіють із кристалічною ґраткою та іншими збудженнями матеріалу. Тому вони не розганяються до величезних швидкостей в одному напрямку. Натомість до їхнього складного мікроскопічного руху додається невелика середня напрямлена швидкість — дрейф. Коли так поводиться величезна кількість електронів, ми спостерігаємо електричний струм.
Отже, популярна фраза «напруга штовхає електрони» корисна як дуже грубе перше наближення. Але тепер ми можемо сказати точніше. Напруга — це різниця потенціалів між двома точками. А безпосередньо на електрони діє електричне поле, пов’язане з просторовою зміною потенціалу.
Саме тому батарейці не потрібно доставляти свої електрони до лампочки. Електрони вже знаходяться в проводах і самій лампочці. Після замикання кола електромагнітна перебудова швидко поширюється системою, поле діє на місцеві електрони, виникає їхній напрямлений дрейф — і з’являється струм.
Додаткову інформацію дивись на сторінці “Світ електрики“.