Электрическое поле проводника

[posetitel]

Объясните, пожалуйста, механизм образования статического поля, перпендикулярного поверхности проводника в электростатическом поле. Приведу свои мысли. Будем рассуждать, как во всех школьных учебниках. Представим источник постоянного тока, например батарейку. Упрощенно примем, что внутренние силы химических реакций гонят электроны к одному выводу батарейки от другого, значит на одном выводе скапливаются электроны со своим отрицательным зарядом, а на другом атомы без электронов, с избыточным положительным зарядом. Пусть выводы смотрят друг на друга. Между выводами устанавливается статическое электрическое поле (ну или часть линий поля, начинаясь у одного вывода, уходят в бесконечность и также из бесконечности приходят ко второму выводу батарейки). Поле потенциально. Далее подносим к выводам проводник в виде цилиндра длинною L, длина много больше его диаметра. Получается мы пока находимся в электростатическом разделе физики. Пусть мы этот проводник внесли мгновенно в область между выводами батарейки, но не соединили с выводами, т.е. ток пока идти не может. Тогда поле от выводов батарейки мгновенно распространится в проводнике и в проводнике начнется перераспределение зарядов. Это перераспределение зарядов не мгновенное и называется током смещения, я правильно понимаю? Цилиндрический проводник можно условно представить состоящим из слоев, длина слоя – дельта L, а диаметр такой же как и у проводника, каждый слой электрически нейтрален, т.е. отрицательный заряд электронов в слое скомпенсирован положительным зарядом атомов в слое. Пусть первый слой находится у положительно заряженного вывода батарейки, а последний слой проводника у отрицательно заряженного вывода батарейки. Тогда ток смещения будет заключаться в смещении электронов в первом слое относительно своих атомов в сторону положительно заряженного выводу батарейки, эти электроны скопятся на поверхности проводника. Если не рассматривать скопление электронов на поверхности, вынести их за пределы первого слоя, то первый слой приобретет положительный заряд, электроны второго слоя будут смещаться в сторону первого слоя, они нейтрализуют заряд этого первого слоя, а сам второй слой станет положительно заряженным. Тогда электроны третьего слоя устремятся ко второму, и так далее. В конечном счете проводник у первого слоя будет иметь скопление электронов, у последнего слоя наоборот их недостаток, внешнее поле от батарейки в проводнике будет скомпенсировано внутренним полем между первым и последним слоем, т.е. результирующее поле в проводнике будет равно нулю. Все как и в учебниках. Но появляется непонятный момент, от куда тогда берется радиальное электрическое поле снаружи проводника?

[Munin]

posetitel в сообщении #886748 писал(а):

Это перераспределение зарядов не мгновенное и называется током смещения, я правильно понимаю?

Нет, оно так не называется. См. в другой теме: post886760.html#p886760

В остальном вы правы. Оно не мгновенное. Оно происходит за время, определяемое электрической ёмкостью проводника. См. темы: переходные процессы в электрических цепях, $RC$-цепочка.

[posetitel]

напутал с терминологией, тему создавал до появления сообщения post886760.html#p886760, но вопрос в другом: от куда берется радиальная составляющая поля вне проводника?

[Munin]

Дык куда-то поле из избыточных зарядов должно выходить. (Это теорема Гаусса.) Внутрь проводника не может. Остаётся наружу.

[posetitel]

избыточные заряды будут только на концах проводника, которые находятся у выводов батарейки, а в середине проводника все заряды будут скомпенсированы, поэтому радиального поля в пространстве от проводника в середине проводника быть не должно

[Munin]

posetitel в сообщении #886837 писал(а):

избыточные заряды будут только на концах проводника

Нет, не только. На всём проводнике, который снаружи батарейки, и находится под повышенным потенциалом.

[posetitel]

так проводник еще не подключен к батарейке, он только в поле находится, заряды перераспределились по концам проводника, в центре нейтралитет

[Munin]

А тогда почему они перераспределились? Его к батарейке поднесли, что ли?

Здесь тоже не всё так очевидно. Правильный ответ даёт решение уравнения Лапласа. А это сложно, 3-й курс.

[posetitel]

конечно поднесли.
я весь эксперимент описал в первом сообщении.
во всех учебниках, которые я читал, объяснение поля сводится примерно вот к такому: разница потенциала на поверхности равна нулю, значит тангенциальная составляющая напряженности отсутствует, иначе был бы ток, а раз поверхность эквипотенциальна, то линии напряженности направлены перпендикулярно поверхности.
не так уж это и очевидно, ведь во-первых, напряженность снаружи проводника может быть равна нулю, что тоже удовлетворяет условию. а если следовать логике из эксперимента, то она и должна быть равна нулю, ведь свободных зарядов на поверхности нет, а во-вторых, при переходе через границу проводника, отсутствие тока вовсе не является следствием отсутствия разности потенциалов, за границей проводника диэлектрик, поэтому может присутствовать тангенциальная составляющая в напряженности электрического поля от проводника.

[Munin]

posetitel в сообщении #886945 писал(а):

не так уж это и очевидно

Очевидно, при некотором опыте с векторами и уравнениями.

posetitel в сообщении #886945 писал(а):

ведь во-первых, напряженность снаружи проводника может быть равна нулю, что тоже удовлетворяет условию.

Да. Конечно. Но тогда и зарядов вообще никаких нет, и поля нет.

И условно считается, что нулевой вектор (а вектор поля в такой ситуации именно нулевой) перпендикулярен всему, чему захотите. В том числе, и поверхности. Ну, это если вы большой педант. Обычно все подразумевают, что раз говорят "перпендикулярно", то для случая, когда оно вообще ненулевое.

posetitel в сообщении #886945 писал(а):

а если следовать логике из эксперимента, то она и должна быть равна нулю, ведь свободных зарядов на поверхности нет

Почему это нет? Есть.

posetitel в сообщении #886945 писал(а):

а во-вторых, при переходе через границу проводника, отсутствие тока вовсе не является следствием отсутствия разности потенциалов, за границей проводника диэлектрик, поэтому может присутствовать тангенциальная составляющая в напряженности электрического поля от проводника.

Это в Зильбермане объяснено.