О природе электрического тока и основах электротехники
В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.
1. Что такое электрический ток.
«Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам» (с)
1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток — это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы — это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален — заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья — это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по «электронная теория проводимости»).
Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.
1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.
Бывают два типа генераторов — генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже
рис 1. Генератор напряжения величиной U
рис 2. Генератор тока величиной I
На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней — генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя — замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь
рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1
В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 — это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 — это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть — сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше — сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.
Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.
рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2
Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью — ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью — ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники — Закон Ома. ( «С красной строки. Подчеркни» (с))
2. Закон Ома.
Сначала c точки зрения генератора напряжения
Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока
Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R
Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде — если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде
рис 5. Последовательное включение резисторов
Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще — говорят «падение напряжения на резисторе», потому что «производит» напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.
Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.
1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни — это делитель напряжения.
( «С красной строки. Подчеркни» (с))
3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.
рис 6. Делитель напряжения
Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.
Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология — сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.
Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).
Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.
Второй важный случай — учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)
рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.
Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.
Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.
Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!
В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.
Ещё раз о том, что собою представляет электрический ток.
Многие прежние представления учёных оказывались ошибочными после того, как открывались новые подробности устройства механизма Природы. Например, вплоть до середины 19 века в науке доминировало представление о двух видах «электрического флюида», создающего в телах электрические заряды противоположного знака — положительные и отрицательные.
Именно через «конфликт» между двумя разными «электрическими флюидами», который, как предполагалось, возникает при их встречном движении по проводнику, при замыкании положительного и отрицательного выводов «Вольтова столба», датский учёный Ганс Эрстед описал в 1820 году своё эпохальное открытие влияния электрического тока на магнитную стрелку.
Это влияние электрического тока на магнитную стрелку, как подметил Эрстед, обусловлено образованием вихревого движения особой материи вокруг провода, по которому протекает электрический ток.
Впоследствии английский физик Майкл Фарадей, заменивший в этом опыте Эрстеда магнитную стрелку на железные опилки, назвал наблюдаемое с их помощью явление «магнитным полем», имеющим вихревой характер.
Когда были открыты электроны, субатомные частицы, обычно движущиеся по своим орбиталям вокруг ядер атомов вещества, но способные также легко уходить в «свободные полёт», учёным стало ясно, что электрический ток в проводниках создают именно «свободные электроны», когда они упорядоченно движутся под действием внешней силы.
Соответственно, с открытием в 1897 году английским физиком Джозефом Томсоном свободных электронов стало окончательно ясно, что такие явления электростатики как заряжание тел положительным электричеством или заряжание тел отрицательным электричеством, происходят в тех случаях, когда с поверхности электрически нейтральных тел каким-либо путём снимаются свободные электроны или наоборот они переносятся на их поверхность.
Примеры образования разноимённых электростатических зарядов в телах с помощью трения.
Примеры образования разноимённых электростатических зарядов в телах с помощью трения.
При внешнем фотоэффекте, открытом в 1887 году немецким физиком Генрихом Герцем и детально изученном русским физиком Александром Столетовым в 1888-1889 годах, происходит выбивание свободных электронов с поверхности этих тел падающим на эти тела светом высоких энергий (ультрафиолетом, рентгеновскими лучами, гамма-излучением). Тела, теряющие таким образом свободные электроны, одновременно с этим теряют свой электрический заряд, становясь электрически нейтральными или даже положительно заряженными.
Все эти эффекты говорят нам о том, что сами по себе свободные электроны не могут покидать тела, даже если они являются электрически заряженными.
Чтобы свободный электрон ушёл за пределы поверхности того или иного тела, он должен получить определённой величины энергетический импульс, сообщающий ему дополнительную энергию, достаточную для отрыва от поверхности тела. Такую энергию выхода за пределы вещества свободные электроны получают не только при фотоэффекте и электризации тел механическим путём, но также и при сильном нагревании тел.
Однако, если нет ни того, ни другого, ни третьего, свободные электроны не покидают тел. В этой связи возникает закономерный вопрос: как ведут себя свободные электроны в тех или иных телах, когда никакие внешние силы на них не действуют?
Простейшие опыты по электростатике показывают, что заряженные тела одного знака, отталкиваются друг от друга, а разноимённые — притягиваются.
На этих рисунках представлены электрические заряды и силовых линии электрических полей.
На этих рисунках представлены электрические заряды и силовых линии электрических полей.
Свободные электроны — это заряды одного знака. Соответственно, они всегда стремятся держаться подальше от других свободных электронов, находящихся внутри тех же тел.
А если таких свободных электронов в теле миллиарды штук, и за пределы этих тел, (даже находясь на их поверхности!) они выйти не могут, как газ не может выйти из закупоренной ёмкости, что тогда?
Кстати, среднее значение концентрации электронов в каждом кубическом сантиметре металла составляет примерно 10 в 23 степени.
Надо думать, что столь огромное количество свободных электронов подобно молекулам воздуха создаёт в проводниках своего рода «электронный газ», который может находиться как в состоянии давления, так и в состоянии разрежения, а также в состоянии равновесия с положительным зарядом атомных ядер вещества. В последнем случае тело является электрически нейтральным.
Средневековые учёные интуитивно так и понимали природу электричества, связывая его с представлением об «электрическом флюиде». Вот только они не могли догадаться, что тело приобретает положительный заряд при снижении внутреннего давления в «электронном газе», за счёт снятия с поверхности тела части свободных электронов, а отрицательный заряд тело приобретает, когда происходит повышение давления «электронного газа», за счёт переноса на поверхность тела дополнительных свободных электронов. Таким образом оба знака заряда (плюс и минус) создаёт в телах «электронный газ», находящийся в состоянии повышенного или пониженного давления.
Соответственно, чтобы нейтрализовать электрический заряд, находящийся на поверхности тела, необходимо сделать так, чтобы электроны могли перейти оттуда, где есть их переизбыток, туда, где имеется их дефицит.
То обстоятельство, что электростатические заряды, находящиеся на поверхности заряженных тел (электростатика), а также электрический ток, протекающий по проводникам (электродинамика), создают эффекты, выходящие далеко за пределы этих тел, дало учёным повод предположить существование материальных полей взаимодействия — электрического и магнитного.
На этом рисунке электрическое поле представлено сиреневым цветом, а вихревое магнитное поле — синим. Провод, по которому проходит электрический ток, и с которым связаны эти явления, здесь не показан, но его наличие надо обязательно иметь ввиду, так как без участия и упорядоченного движения свободных электронов существование электрического и магнитного полей невозможно, кто бы и что бы ни говорил. (Подробно я поясню это позже).
Со временем учёным стало понятно, что силовое электрическое поле, через которое со скоростью света передаётся силовое взаимодействие между электронами, представляет собой особый, отличный от вещества вид материи, способный заполнять собой в веществе всё межатомное и внутриатомное пространство. Поэтому объяснение сущности электрического, магнитного и суммарного электромагнитного поля в учебниках физики не обходится без упоминания «особой формы материи».
Пример: «Электрическое ( электростатическое) поле — особая форма материи, передающее воздействие одного электрического заряда на другой электрический заряд в соответствии с законом Кулона». (Справочник по физике, автор Хорошавин С.Г.).
Скорость передачи силового взаимодействия между электронами и другими субатомными частицами, ограниченная скоростью
300 тысяч км/сек, по всей видимости, определяется исключительно электромеханической упругостью и плотностью этого межатомного и внутриатомного материального «наполнителя».
Причём самим электронам свойственно двигаться внутри электропроводящих тел под воздействием внешней силы со скоростью всего несколько миллиметров в секунду.
Как согласуется между собой крайне медленная скорость упорядоченного движения электронов в проводе с очень быстрой скоростью распространения по проводу силового электрического поля?
Зная о том, что свободные электроны образуют в металлах «электронный газ», и о том, что пространство между электронами плотно заполнено «особой материей, отличной от вещества», из которой формируются электрическое и магнитное поля, мы можем движение электрического тока по проводам уподобить потоку жидкости в гидравлической системе.
В обоих системах (электрической и гидравлической) с наивысшей скоростью передаётся по замкнутой цепи давление воды и напряжение электрического поля. Для воды эта скорость равна
1500 м/сек, для электрического поля она равна
300 тыс. км/сек. Если отследить в воде, которая под давлением движется по трубе, скорость отдельных капель или молекул, то окажется, что её величина составляет лишь единицы метров в секунду. Аналогично обстоит дело и с движущимися в потоке свободными электронами, который мы называем электрическим током. Электроны движутся в потоке ещё медленнее, чем молекулы воды, зато электрическое напряжение (аналог давления в воде) распространяется по проводам с гигантской скоростью.
Теперь, когда мы имеем некоторое представление о процессах, протекающих в электрических проводах, мы можем более детально представить, что такое электрический ток.
Когда в обмотке электрического генератора, вырабатывающего электроэнергию, свободные электроны сдвигаются с места под воздействием магнитного поля изменяющейся силы и перемещаются в ту или иную сторону вдоль провода, пусть даже и на микроскопическое расстояние.
. они толкают и деформируют своими электрическими полями электрические поля соседних электронов, те также сдвигаются со своего места на микроскопическую величину в направлении действия силы и в свою очередь своими электрическими полями толкают и деформируют электрические поля других соседних электронов. Так происходит движение вширь и вдоль провода объёмной упругой волны электрического поля, которая за счёт свойств «особой материи», отличной от вещества, распространяется со скоростью света.
Напомню читателю на всякий случай: «Электрическое (электростатическое) поле — особая форма материи, передающее воздействие одного электрического заряда на другой электрический заряд в соответствии с законом Кулона». (Справочник по физике, автор Хорошавин С.Г.).
Учитывая то, что свободные электроны своей совокупностью образуют в телах «электронный газ», не покидающий пределы наружной поверхности проводника, то упругая объёмная волна напряжения (давления) электрического поля, передающая силовое взаимодейстсвие между электронами, распространяется по проводнику (внутри «электронного газа») как по трубчатому волноводу, и за его пределы она не выходит.
Движение по проводу этой упругой волны электрического напряжения (электродвижущей силы, ЭДС) лучше всего объясняет рисунок американского инженера Николы Тесла, с помощью которого он также объяснил, как можно передавать электрическую энергию на любые расстояния всего по одному проводнику, нагруженному на свободном конце электростатической ёмкостью.
Обратите внимание на то, как работает на конце проводника электростатическая ёмкость в виде токопроводящей сферы, на наружной поверхности которой плотность электрических зарядов может то увеличиваться, то уменьшаться. Её аналогом в гидравлической системе является эластичная (резиновая) ёмкость, наружный размер которой может то увеличиваться, то уменьшаться.
За счёт нагнетания на поверхность уединённой электростатической ёмкости электрических зарядов или за счёт снятия с её поверхности электрических зарядов и возможно организовать передачу электроэнергии по одиночному проводнику.
Этот же принцип и этот же эффект «эластичной ёмкости», возникающий при движении электрических зарядов по поверхности проводников под действием Кулоновских сил, используется в радиотехнике для возбуждения в пространстве, окружающем проводник, радиоизлучений.
Ниже патент, выданный инженеру Н.Тесла в США 20 марта 1900 года, на систему для передачи электрической энергии без проводов, причём это дополнение к его раннему патенту от 1897 года:
Слева передающая установка, справа приёмная установка, использующие электростатические ёмкости на свободных концах проводников, излучающих электрическую энергию в пространство и принимающих её из пространства. Правда, сам Тесла, придумал эти установки для передачи электрической энергии не через пространство, а через землю. В этом случае, говорил он, можно передавать энергию на любые расстояния с весьма малыми потерями.
Что касается так называемого «магнитного поля», которое всегда является вихревым по характеру, то учёным было изначально ясно, что оно образуется только при движении электрического тока.
В любой современной энциклопедии можно прочесть следующее утверждение: «Магнитное поле — это поле, действующее как на движущиеся электрические заряды, так и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения. Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле». Источник: https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитное_поле
Как видим, и в случае с магнитным полем мы тоже имеем дело с материей, отличной от вещества. Только, если в случае с электрическим полем мы имеем в телах «электронный газ», находящийся под давлением (когда тела заряжены отрицательно) или в состоянии разрежения (когда тела заряжены положительно), то в случае с магнитным полем мы имеем вихревое движение этой же тончайшей материи, отличной от вещества, причём это вихревое движение тончайшей материи может охватывать области, простирающиеся на некоторое расстояние за пределы проводника.
То обстоятельство, что неподвижные электростатические заряды не создают магнитные поля, их создают только движущиеся упорядоченно электрические заряды, указывает нам направление поиска первопричины возникновения магнитных полей вокруг проводов с током.
В любой энциклопедии можно прочесть следующую информацию: «Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)».
Поскольку всё большое состоит из малого, нам нетрудно понять, что большие магнитные поля образуются из слияния малых вихревых магнитных полей, постоянно присутствующих вокруг электронов по причине того, что они обладают собственными магнитными моментами.
Картина суммарного магнитного поля, возникающего вокруг многовитковой проволочной катушки при протекании по ней тока:
.jpg)
Справка из энциклопедического словаря: «Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других частиц), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента — спина. Спин (от англ. spin, буквально — вращение, вращать(-ся)) — собственный момент импульса элементарных частиц)».
Таким образом мы приходим к пониманию, что магнитное поле как микрообъект существует вокруг электронов всегда, по причине того, что они обладают вращением, спином.
Как макрообъект магнитное поле возникает вокруг тел только тогда, когда большое количество электронов под действием внешней силы (ЭДС) приходит в упорядоченное поступательное движение, при этом их оси вращения (магнитные полюса электронов) занимают в пространстве одинаковое положение. В этом случае и происходит слияние миниатюрных вихрей каждого отдельно взятого электрона в один большой вихрь, окружающий тело, по котором течёт электрический ток.
Если всё это понятно, и ничто не вызывает возражений, то можно перейти к подведению некоторых итогов.
Первый и главный вывод: ни электрическое поле, ни вихревое магнитное поле не может существовать в отрыве от электрических зарядов.
ЭПИЛОГ
Как я написал в самом начале этой статьи, многие прежние представления учёных оказывались ошибочными после того, как открывались новые подробности устройства механизма Природы.
Когда английский учёный Майкл Фарадей открыл явление электромагнитной индукции, это случилось 29 августа 1831 года, он просто увидел, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром. Причём величина ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потока — изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.
Спустя почти 30 лет, в 1860-х годах, шотландский учёный Джеймс Максвелл, который разумеется не знал и даже не догадывался о существовании электронов, они были открыты только в 1897 году, высказал смелую гипотезу об электромагнитной природе света. Впоследствии подтвердилось, что свет и все другие излучения (инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское) действительно порождаются движением электронов, вот только не факт, что свет распространяющийся в физическом вакууме (в безвоздушном пространстве) имеет электромагнитную природу!
Возможно, что в случае со светом, радиоволнами и прочими излучениями, порождаемыми движением электронов в вакуумных приборах или на поверхности проводников, мы имеем дело с иными формами материи, нежели изученные нами электрические и магнитные поля.
Иллюстрация ниже показывает устройство и принцип работы рентгеновской трубки, в которой жёсткое рентгеновское излучение порождается за счёт резкого торможения свободных электронов, предварительно ускоренных в сильном электрическом поле. Причём сами свободные электроны, при резком торможении которых рождаются рентгеновские лучи, за пределы рентгеновской трубки не вылетают.
Почему я так обозначил проблему современной физики?
Смотрите как подаётся история, связанная с Д.К.Максвеллом и с его «Электромагнитной теорией света» полуторавековой давности:
«. Оказалось, что не только ток, но и изменяющееся со временем электрическое поле порождает магнитное поле. В свою очередь, в силу закона Фарадея, изменяющееся магнитное поле снова порождает электрическое. В результате, в пустом пространстве может распространяться электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следовало, что её скорость равна скорости света, поэтому Максвелл сделал вывод об электромагнитной природе света. »
Максвеллу было простительно сделать в 1860-х годах предположение о том, что не только магнитное поле является вихревым, но и электрическое поле тоже может быть вихревым, и что оба они могут существовать в отрыве от электронов, он ведь ничего не знал об электронах и даже не подозревал об их существовании.
Но мы то уже знаем и про электроны, и про свойства создаваемых ими полей, и мы понимаем, что существование электрического и магнитного полей в отрыве электронов невозможно!
Давайте рассмотрим случай, представленный на рисунке ниже. Так в учебниках современной физики рассказывается об образовании внутри замкнутого металлического кольца вихревого электрического поля.
В показанном на этом рисунке случае, изменяемый рукой оператора магнитный поток, пронизывая замкнутое металлическое кольцо, непосредственно воздействует на свободные электроны, и строго по закону электромагнитной индукции, вызывает их сдвиг в направлении, указанном тонкой стрелкой синего цвета.
В замкнутом металлическом кольце под воздействием изменяющегося магнитного потока свободные электроны сдвигаются фактически все одновременно, следовательно имеющиеся расстояния между ними, обусловленные действием Кулоновских сил не меняются. А значит, электродвижущая сила (ЭДС) в этом случае не возникает! Еинд = О. То есть, вихревого электрического поля, которое должно характеризоваться величиной напряжённости, нет! А вот если бы металлическое кольцо не было замкнутым, то под воздействием изменяющегося магнитного поля мы бы имели скопление свободных электронов на одном его конце, недостаток свободных электронов на другом его конце, и в дополнение к этому мы бы имели некоторую напряжённость электрического поля между наведёнными зарядами.
К сожалению, несмотря на такие очевидные вещи, современная мировая наука отказывается признавать ошибочность теории Д.К.Максвелла, построенной на предположении, что электрические и магнитные поля могут существовать в отрыве от электрических зарядов. До сих пор заявляется, что оба эти поля могут существовать даже в вакууме, в котором отсутствуют малейшие признаки какого-либо вещества.
В школах и ВУЗах учителя до сих пор преподают учащимся, что для образования вихревого электрического поля «проводник вообще не нужен! Проводник является всего лишь индикатором того, что здесь есть электрическое поле! Если убрать проводник и оставить меняющееся магнитное поле, то электрическое поле всё-равно возникает в пространстве. Причём линии этого поля, силовые линии, направлены вот так, они замкнуты. Такое поле, линии которого замкнуты, называется вихревым.
Когда оно появляется? При изменении магнитного поля. Итак, пишем вывод: При изменении магнитного поля в пространстве, в нём возникает вихревое электрическое поле. Проводник при этом не нужен! Без всякого проводника. В пустоте, в вакууме возникает вихревое электрическое поле. » Источник: https://youtu.be/FAqvdIPttjo
Я же хочу сказать следующее:
То обстоятельство, что скорость распространения электрического поля в проводах равна скорости света в вакууме, позволяет высказать предположение, что и в проводах, и в вакууме (безвоздушном пространстве) имеет место распространение упругих волн в одной и той же тончайшей среде, которая отлична от вещества.
Причём, если электрическое поле распространяется в проводах со скоростью света как упругая продольная волна, то и в вакууме (безвоздушном пространстве) волна света тоже представляет собой упругую продольную волну, движущуюся наступательно.
При этом в реальной волне света равно как и в радиоволне нет места как вихревому магнитному полю, так и вихревому электрическому полю!
Пытаться объяснять явление поляризации света (равно как и явление поляризации радиоволн) с помощью поперечных колебаний магнитного и электрического полей, якобы существующих в отрыве от свободных электронов, было большой ошибкой учёных 19 века.
Создание в ХХ веке квантовой физики дало подсказку, но ею никто из академиков не спешит воспользоваться, что явление поляризации света можно легко объяснить вращением частиц света («фотонов») вокруг своей оси.
Обычный свет после прохождения через поляризатор становится поляризованным, и это обстоятельство заставило учёных придумать поперечные электромагнитные волны.
Хотя, казалось бы, что может быть проще и яснее?! При пропускании неполяризованного света через поляризатор тормозятся все фотоны, оси которых не совпадают с главной осью поляризатора, но те фотоны, у которых оси совпадают с главной осью поляризатора, проходят сквозь него свободно. Так из неполяризованного света получается поляризованный свет. Это исчерпывающее объяснение. И не надо никому рассказывать волшебные сказки про «поперечные колебания вихревых полей, электрического и магнитного в абсолютной пустоте»!
Фотоны — это возбужденные частицы всё той же материи, отличной от вещества, в которой возникают хорошо известные нам электрические и магнитные поля.
Причём гипотетические «поперечные колебания вихревых полей», о которых рассказывает современная физика, нельзя ни нарисовать, ни представить в здравом воображении! А то, что подаётся в учебниках физики под видом радиоволны, является несуразицей, в которой отсутствует даже намёк на то, что поля, электрическое и магнитное, колеблющиеся поперёк направления распространения радиоволны в пространстве, являются вихревыми, как того требует «Электромагнитная теория света» Д.К.Максвелла:
Где здесь хоть намёк на то, что в радиоволне имеет место движение/колебание именно вихревого магнитного поля и именно вихревого электрического поля?!
Реальная картина радиоволны, имеющей продольную компоненту и состоящей из «фотонов», может быть, например, такой:
Если я достаточно ясно всё объяснил, мне остаётся лишь надеется, что процесс ревизии мировой физической науки и переписывания учебников физики первыми начнут российские учёные.
Постоянный электрический ток
Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации — энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь — основаны на использовании электрического тока.
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.
Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно — ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.
• Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это — пример тока в металлах.
• Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы — к положительному.
Это — пример прохождения тока через раствор электролита.
• Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд — молния.
Это — пример электрического тока в газе.
Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости.
• Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов — есть, перенос заряда в пространстве — присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным.
Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника — не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).
Рис. 1. Направление тока
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2) , плотность тока измеряется в А/м2.
Скорость направленного движения зарядов
Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.
Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.
Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.
Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.
1. Скорость распространения тока. Это — скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.
2. Скорость направленного движения свободных зарядов. Это — средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа.
Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.
Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .
Рис. 2. К выводу формулы
Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?
С одной стороны, разумеется,
С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:
Следовательно, их общий заряд будет равен:
Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:
Соответственно, плотность тока оказывается равна:
Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.
Заряд электрона известен: Кл.
Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:
Положим мм . Из формулы (5) получим:
Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.
Стационарное электрическое поле
Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?
Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть — постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.
Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.
Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода — электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.
То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи — для этого требуется совершать ненулевую работу.
Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?
Ответ — источник тока, важнейший элемент электрической цепи.
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).
Клеммы источника — это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи — как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.
В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего — химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.
Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника — так называемую ЭДС — мы изучим позже, в соответствующем листке.
А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?
Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.
Стационарное электрическое поле — это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.
Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.
А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).
1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где — напряжение на концах проводника, — напряжённость стационарного поля в проводнике, — длина проводника.
Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Постоянный электрический ток» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или колледж нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.
С какой скоростью перемещается электрический ток по проводам?
Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.
Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.
Электрические токи в природе
Атмосферное электричество — электричество, которое содержится в воздухе. Впервые показал присутствие электричества в воздухе и объяснил причину грома и молнии Бенджамин Франклин. В дальнейшем было установлено, что электричество накапливается в сгущении паров в верхних слоях атмосферы, и указаны следующие законы, которым следует атмосферное электричество:
- при ясном небе, так же как и при облачном, электричество атмосферы всегда положительное, если на некотором расстоянии от места наблюдения не идёт дождь, град или снег;
- напряжение электричества облаков становится достаточно сильным для выделения его из окружающей среды лишь тогда, когда облачные пары сгущаются в дождевые капли, доказательством чего может служить то, что разрядов молний не бывает без дождя, снега или града в месте наблюдения, исключая возвратный удар молнии;
- атмосферное электричество увеличивается по мере возрастания влажности и достигает максимума при падении дождя, града и снега;
- место, где идёт дождь, является резервуаром положительного электричества, окружённым поясом отрицательного, который, в свою очередь, заключён в пояс положительного. На границах этих поясов напряжение равно нулю. Движение ионов под действием сил электрического поля формирует в атмосфере вертикальный ток проводимости со средней плотностью, равной около (2÷3)·10−12 А/м².
Полный ток, текущий на всю поверхность Земли, при этом составляет приблизительно 1800 А.
Молния является естественным искровым электрическим разрядом. Была установлена электрическая природа полярных сияний. Огни святого Эльма — естественный коронный электрический разряд.
Биотоки — движение ионов и электронов играет весьма существенную роль во всех жизненных процессах. Создаваемый при этом биопотенциал существует как на внутриклеточном уровне, так и у отдельных частей тела и органов. Передача нервных импульсов происходит при помощи электрохимических сигналов. Некоторые животные (электрические скаты, электрический угорь) способны накапливать потенциал в несколько сот вольт и используют это для самозащиты.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока. Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока. Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня — получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока. При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе
положительные ионы
двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным, если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1) определяет абсолютную величину, или модуль силы тока. Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока:
где — сила тока, — площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2), плотность тока измеряется в А/м2.
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные — наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Направлением тока принято считать направление движения положительных зарядов.
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма — короткой).
Рис. 1. Направление тока
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь — придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Скорость электрического тока
Почему такой, казалось бы, простой и очевидный факт игнорируется учеными и зачем нужно было придумывать отрицательный заряд электронов и положительный для протонов – это вопрос не ко мне, а к ученым. Это им так проще и удобнее при рассмотрении множества других теоретических вопросов.
Таким образом, чем меньше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его пропускная способность за единицу времени, потому что скорость перемещения энергии ограничена скоростью движения фотонов. Когда мы умножаем площадь поперечного сечения проводника на длину проводника, то получаем условный объем электрического заряда в проводнике.
Когда мы пытаемся “прокачать” через поперечное сечение проводника объем энергии, больший пропускной способности проводника, то “избыточная” часть энергии поглощается проводником. Электроны, поглощая фотоны, переходят на более высокий энергетический уровень. Проводник нагревается и если температура окружающей среды при этом меньше температуры проводника, то проводник начинать излучать это тепло по всей своей длине.
При дальнейшем увеличении объема “прокачиваемой” энергии часть излучаемой “избыточной” энергии переходит в видимый нами спектр – проводник начинает светиться, причем сначала именно в красном спектре. При дальнейшем увеличении объема, часть энергии переходит в ультрафиолетовое излучение и так далее вплоть до γ-излучения, но как правило проводник плавится раньше, электроны переходят на еще более высокий энергетический уровень и материал проводника переходит в новое фазовое состояние – жидкое.
Кстати, сварщики такие загорелые там, где кожа не защищена от света, именно потому, что при сварке – плавлении проводника – достаточно большая часть энергии преобразуется в ультрафиолетовое излучение.
Думаю, теперь можно достаточно логично ответить и на другой вопрос: “Почему электрический заряд движется в направлении, противоположном направлению движения электронов?”
Ответ: Потому что соблюдается закон сохранения энергии.
E = mфc2/2 = mev2/2 (707.3)
Тут, кстати, возникает еще один очень интересный вопрос: “Почему для фотонов Е = mc2, а не Е= mc2/2?”
Возможный ответ: Потому что скорость света определена неправильно. Например если реальная скорость света равна 223000 км/с, то квадрат этой скорости в 2.008 раза меньше, чем квадрат скорости 316000 км/с. Возможно эта двойка именно отсюда и появилась. Впрочем это не имеет прямого отношения к теме данной статьи.
Со скоростью электронов я в последнее время немного разобрался. Электроны действительно законопослушные ребята и двигаются строго в пределах ныне существующих теорий со скоростью, которая может изменяться в очень узких пределах от 0 м/с до 300 000 км/с (в зависимости от выбранной теории). А так чтоб скорость хоть чуть-чуть меньше или больше была, то это ни в какую.
Правда, это возможная скорость при вращении электронов по орбите, а не линейная скорость перемещения в проводнике, но на такие мелочи и вовсе не стоит внимание обращать.
Скорость распространения электрического поля и тока в металлах
После создания электрического поля свободные электроны приходят в движение. Скорость их движения совсем небольшая. В среднем она составляет несколько миллиметров в секунду.
Но как тогда после щелчка выключателем лампа в комнате загорается мгновенно? Дело обстоит в следующем.
Именно само электрическое поле распространяется в проводнике с огромной скоростью. Она близка к скорости света в вакууме ($c = 300 space 000 frac<км><с>$). Распространяется поле по всей длине проводника.
Соответственно, в движение приходят одновременно все электроны в проводнике. И те, что ближе к выключателю, и те, что ближе к электроприбору.
Например, пошлем электрический сигнал из Владивостока в Москву. Расстояние между этими городами составляет около 8000 км. В Москве сигнал будет зафиксирован уже через 0,03 с. Это не означает, что электроны от Владивостока проделали весь этот путь за указанное время и прибыли в Москву. Нет, это электрическое поле распространилось по проводам с невероятной скоростью и привело в движение самые ближние к приемнику в Москве электроны в движение, которое и было зафиксировано.
Поэтому, когда говорят о скорости распространения тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения электрического поля по всей длине проводника.
Скорость движения электронов в металлах
С какой скоростью все же двигаются сами электроны в металлах? Давайте ответим на этот вопрос и сравним полученную скорость со скоростью света, т.е. со скоростью распространения электрического поля по проводнику.
Скорость движения электронов при действии на них электрических сил называется дрейфовой скоростью.
Получается, что скорость распространения электрического поля по проводнику (скорость света) больше скорости движения электронов под действием этого же электрического поля.
Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока
Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.
Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.
Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.
Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света
Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.
Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.
К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП
Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.
Что быстрее: молния или гром?
Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.
Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:
Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.
Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.
Популярные заблуждения о скорости света
Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.
Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.
Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.
Заключение и выводы
Так, давайте вновь вернемся к току. Получается, если на проводник не воздействует электромагнитное поле, то движение электронов внутри провода происходит абсолютно в хаотичном порядке.
Как только к проводнику оказывается воздействие электрического поля, то в зависимости от таких факторов как температура проводника, материала, разности потенциалов, скорость электрического тока может варьироваться от 0,6 до 6 миллиметров в одну единицу времени. Как видите, эта величина очень далека от скорости света. И вычисляется она по следующей формуле:
Где n – концентрация свободных носителей, S – площадь сечения проводника, e – заряд частицы, I – сила тока.
Это все, что я хотел вам рассказать о скорости перемещения электрического тока по проводам. Если статья оказалась вам полезна, то оцените ее лайком. Спасибо за ваше внимание!