¿Cuáles son los campos producidos alrededor de un conductor que lleva corriente?

Para el campo magnético, las corrientes son una fuente del campo magnético, pero este problema está más relacionado con la fuente de la corriente en el cable. Para un conductor con conductividad finita, se necesita un campo eléctrico para impulsar una corriente en el cable.

Si asumimos que su cable es recto, este campo requerido es uniforme. Una forma de realizar este campo es tomar dos partículas con carga opuesta y enviarlas al infinito mientras aumenta la magnitud de su carga para mantener la magnitud correcta del campo eléctrico. En este límite, obtendrá un campo eléctrico uniforme en todo el espacio.

Ahora, coloque su conductor en su lugar a lo largo del eje entre las fuentes de voltaje: fluirá una corriente. En el caso de CC, esto da lugar al campo magnético fuera del cable. En cuanto al campo eléctrico, un conductor es un material con electrones que pueden moverse fácilmente en respuesta a campos eléctricos y su tendencia es apantallar el campo eléctrico para obtener un equilibrio de fuerzas. Debido a que los electrones no pueden simplemente escapar del conductor, solo pueden proteger el campo dentro del conductor y no fuera del conductor. Con este modelo, vemos que el campo eléctrico es creado completamente por la fuente y colocar el conductor en el campo realmente establece una corriente. Tenga en cuenta aquí que si dobla el cable o lo coloca en un ángulo relativo al campo, se formarán cargas superficiales porque ahora tiene un componente de campo normal a la superficie.

Para el límite de un conductor ideal, no se necesita un campo eléctrico para impulsar la corriente y, por lo tanto, no hay uno fuera del cable.

Para el caso de CA, la resolución de los campos se vuelve tremendamente complicada muy rápido, ya que ahora el campo eléctrico que impulsa las corrientes de partículas tiene una fuente de voltaje y una fuente magnética variable en el tiempo a través del potencial del vector magnético. Sin embargo, la física esencial es la misma, ya que la fuente establecerá los campos (en orden cero), y la adición del conductor realmente solo define el camino para que viajen las corrientes de partículas. En el siguiente orden, la corriente retroalimenta y produce campos electromagnéticos además de la(s) fuente(s) y afectará la corriente en otras ubicaciones del circuito.

Supongo que una respuesta corta a su pregunta es que siempre hay campos fuera del cable que transporta corriente y el campo eléctrico exterior desaparece solo en el límite del conductor ideal. Los conductores generalmente no requieren campos muy fuertes para impulsar las corrientes de todos modos, por lo que el campo eléctrico exterior suele ser insignificante, pero no lo descuide para potenciales muy grandes en circuitos pequeños.

Parece ser poco conocido, pero una corriente estática dentro de un cable de conductividad finita produce un campo eléctrico estático en el exterior. Ver "Aplicación 9.2" en el nuevo texto de Zangwill (que es fantástico y reemplazará a Jackson), o http://www.ifi.unicamp.br/~assis/Found-Phys-V29-p729-753(1999). pdf

Sí, hay un campo eléctrico fuera de un cable que lleva corriente, en una dirección a lo largo del eje del cable (es decir, paralelo al cable). Esto es cierto tanto en el caso de CA como en el de CC. Por supuesto, también hay un campo magnético en la dirección azimutal.

Para un alambre resistivo orientado a lo largo del eje z, el campo eléctrico dentro del alambre viene dado por la Ley de Ohm$E_y=\eta j_y$dónde$\eta$es la resistividad y$j_y$es la densidad de corriente. Esta corriente tiende a fluir cerca de la superficie del cable (este es el efecto pelicular). Para que no haya discontinuidad en el campo eléctrico paralelo al alambre, el campo eléctrico$E_y$en el vacío en el borde del alambre tiene que coincidir con el campo en el alambre dado por la Ley de Ohm. Más lejos del cable, debe haber un campo eléctrico radial necesario para mantener el campo eléctrico total libre de ondulaciones.

El hecho de que este campo eléctrico sea paralelo al cable es la razón por la cual la energía electromagnética fluye radialmente hacia el cable. Esto es algo contrario a la intuición, pero se puede ver observando la dirección del vector de Poynting$\bf E \times \bf B$.

Esto se menciona brevemente en Lectures on Physics II de Feynman, capítulo 27-5.

Esta no es una respuesta directa a su pregunta, pero creo que va al meollo del problema.

Cuando se habla de energía y electrodinámica en un sentido clásico, a menudo es posible interpretar la energía de dos maneras diferentes. La primera forma es pensar en la energía potencial de una configuración de carga. Por ejemplo, si tiene una carga positiva fija y acerca una segunda carga positiva, entonces la está empujando cuesta arriba contra la energía potencial. El campo eléctrico de la primera carga normalmente repelería la segunda. El trabajo necesario para acercar la segunda carga entra en la energía potencial de la configuración.

La segunda forma de pensar sobre la energía es un poco más sutil. Cuando juntas las dos cargas, obtienes un campo eléctrico muy grande entre ellas. De hecho, puede considerar la energía almacenada en el campo eléctrico.

La gran ventaja de comprender la energía almacenada en el campo eléctrico surge cuando se habla de luz. La luz tiene energía, pero también es campo electromagnético. No hay configuraciones de carga para almacenar la energía, por lo que la energía debe estar en el propio campo.

La energía eléctrica y las señales realmente se transmiten a la velocidad de la luz en un conductor, como dice el artículo de Wikipedia. Los propios electrones viajan mucho más lento. Esto es más claro si considera que la energía se almacena en el campo eléctrico (y el campo magnético), por lo que la señal debe viajar a la velocidad del campo eléctrico que se propaga (también conocida como la velocidad de la luz).

Una respuesta más directa a su pregunta: sí, hay campos eléctricos y campos magnéticos alrededor del conductor mientras fluye corriente a través de él. Esto está garantizado por las ecuaciones de Maxwell y el hecho de que la corriente es proporcional al campo eléctrico en un conductor.

No hay campo E fuera del conductor debido a los electrones porque el conductor no está cargado; esto significa que existe un número igual de protones por cada electrón en el conductor. Si el conductor estuviera cargado, habría un campo E fuera del conductor debido a esa carga. De hecho, para que un conductor produzca un campo E fuera de sí mismo, debe estar cargado estáticamente como una placa de capacitor.