Исторически сложилось так, что направление протекания электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. (Тогда ещё не был открыт электрон.) На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному, и действительное направление тока противоположно принятому.Как-то так получается, учебники полны законами электродинамики, но общей картины электрического тока не дают. Мозаичная картина создаёт впечатление, неуверенности учёных мужей в понимании этого природного явления. Можно даже встретить громкие заявления об отсутствии на сегодняшний день такового, и далее мы увидим трудности, с которыми сталкивается попытка зримого представления в целом. Современная физика давно оторвалась от реальности, делая заявления вроде возможности частицам находится в одном месте, а проявлять свои свойства в другом (нелокальность, квантовая запутанность) при принципиальной невозможности экспериментальных подтверждений, что доверять ей есть ровно столько оснований, сколько религиозной метафизике. К счастью у нас есть великое множество опытов, позволяющих делать обобщающие выводы, которые почему-то до сих пор никем не сделаны. Попробуем самостоятельно проанализировать имеющиеся факты.
В учебниках физики его называют потоком электронов, движущихся из места, где они в избытке туда, где их недостаток. Измеряют в Амперах. А=Кл/с (1 Кл равен заряду 6 241 509 074 460 762 608 электронов). Когда металлический проводник подключается к полюсам источника питания, или генератора, "свободные" электроны, находящиеся в "подвешенном" состоянии между атомами и слабее связанные с ними, образуют правильные цепочки и начинают двигаться в одном направлении при постоянном токе, либо колебаться туда-сюда при переменном. Энергия электричества передаётся по проводнику со световой скоростью, обгоняя ползущие по миллиметру в секунду электроны. Отсюда следует, что сама природа электричества электромагнитна, и выражается электрическим потенциалом U Дж/Кл. В зависимости от него одно и то же количество Кл/с может передавать разное количество энергии Дж. БОльшая энергия заставляет быстрее двигаться электроны. Электромагнитная энергия расставляет электроны в цепочки, словно бусинки на ожерелье, придаёт им кинетическую энергию, и использует в виде транспортной ленты, растянувшейся от полюса к полюсу. В микроволновой печи она вообще обходится без электронного посредничества, телепортируясь в место потребления.
Сопротивление R (Ом) это энергетический фильтр, ограничивающий количество таких нитей, и кинетическую энергию составляющих их электронов, - силу тока. Без сопротивления электрический ток представляет собой условно бесконечное множество цепочек движущихся электронов, передающих такую же условно бесконечную энергию. Поскольку энергия нужна порционно, и потому, что от перегрева, провоцируемого внутренним сопротивлением и запредельными значениями силы тока проводка разрушится, в потребитель встраивают сопротивление, обрезающее лишние цепочки, и понижающие кинетическую энергию электронов. В лампочке накаливания оставляют крошечную «дырку» (большое сопротивление), в нити накаливания калорифера огромная дыра (маленькое сопротивление). Оно называется омическим. Омическое сопротивление цепи можно измерить омметром без подачи питания, измерив сопротивление между клеммами. Элементы активного сопротивления, электромотор, обогреватель, проявят себя только после подачи в цепь электрического тока. Поэтому отождествление омического сопротивления с активным распространенная ошибка.
Различают так же активное и реактивное сопротивления. Мощность, выделяемая на активном сопротивлении, цепь покидает навсегда в виде потраченной на свет, обогрев, и т.д энергии. А энергия на реактивном сопротивлении выделяется с возвратом, запасаясь временно в электрическом и магнитном полях, никакой работы не совершая. Их два вида - индуктивное ("складируется" в магнитном поле) и ёмкостное (в электрическом) сопротивления. Индуктивное сопротивление (катушка) возникает из-за противодействия току меняющегося магнитного поля, которое вызвано этим же переменным током, - ток через магнитное поле мешает меняться сам себе, что и снижает переменный ток или постоянный, но в моменты его нарастания или убывания. (Катушка аналог тяжёлого водного колеса, сначала заимствующего энергию падающей на него воды, а потом крутящегося по инерции без всякой воды.) Вот и получается, что сопротивление есть, а энергия на нём не тратится - половину периода запасается, половину - расходуется из запасов.При параллельном соединении нагрузка на проводку возрастает, ибо все приборы подключаются не к уже отведённому ручейку, как в случае последовательного соединения, а к главной артерии. Каждый новый включённый прибор добавляет свой поток энергии через главный канал проводки. Если в розетке указан параметр напряжения 220 В, это значит, что каждый заряд равный 1 Кл переносит в секунду 220 Дж.
Максимально допустимая сила тока стандартной розетки 16 А. Значит, в такую розетку можно включить электроприборы общей мощностью не больше: P = 16 А х 220 В = 3 520 Кл/с⋅Дж/Кл = 3,5 кДж/с = 3,5 кВт. (Более мощные приборы сожгут проводку.) Если сила тока огромна, но напряжение мизерно, то человеческому организму такой энергетический удар не причинит ущерба, как и если сила тока будет мизерна, а напряжение огромно.Номинал напряжения источника питания означает какую энергию он может сообщить одному кулону электрического заряда (Дж/Кл).
Если имеются два последовательных резистора, они, словно последовательные гармоники водяного отопления создают тот же эффект фильтрации энергии, что и резистор суммарного номинала. Остывая, вода теряет часть своего объема, становится плотнее, объем уменьшается, и при том же самом диаметре трубы линейная скорость потока незначительно падает. Кроме того, теплоноситель обладая вязкостью, тратит свою кинетическую энергию на трение, давление по мере продвижения теплоносителя по трассе постепенно падает, что приводит к уменьшению его расхода на входе в систему, - аналогия с уменьшением силы тока при увеличении сопротивления тут полная за исключением неравномерности распределения энергетических потерь. В электрическом токе потери на всех сопротивлениях усредняются, и не имеет значение, последнее это сопротивление в цепи, или первое, показатели будут одинаковы. Это происходит из-за непрерывного, со скоростью света притока энергии из источника питания, тогда как теплоноситель должен вновь вернутся на ТЭЦ для прогрева. Недостаток аналогии заключается в том, что, в отличии от электрической цепи, мы не можем получить равной потери энергии на входе и выходе с ТЭЦ при любом радиаторе. Понимая под энергией давление и температуру теплоносителя, перепад которых между входом и выходом составляет некую дельту, потеря энергии зависит от количества установленных радиаторов, а в электрической цепи потеря зависит не от отбора энергии потребителем, а от входных и выходных параметров источника питания. Чтобы вписаться в этот логический норматив нужна аналогия-схема верёвки, поднимающей грузы (сопротивления). Сила двигателя подъёмника - напряжение, скорость верёвки - сила тока. Чем тяжелее грузы (больше сопротивления), тем меньше скорость движения верёвки, меньше сила тока. Рост потенциальной энергии грузов - расход источника питания на нагрев и работу сопротивлений. Кроме того, верёвка объясняет нам, как именно непрерывно и со скоростью света подводится энергия из источника питания ко всем сопротивлениям сразу, и куда расходуется нерастраченная энергия из "обратки", - она остаётся в источнике питания. (Разница между силой лебёдки и совокупной силой тяжести грузов.) Мощность электрического тока - произведение силы тока (скорости движения верёвки) на напряжение (силу лебёдки). Поскольку скорость верёвки при увеличении груза падает, сила лебёдки константа, - падает их произведение, как падает мощность при увеличении сопротивления. Если в этом есть хоть какой-то физический смысл…Если измерить падение напряжения на краях одиночно подключённого к источнику резистора, замер одновременно покажет напряжение источника питания. Падение напряжения на резисторе не константа, оно зависит от напряжения источника питания, чем напряжение больше, тем больше сила тока, проходящая через резистор, тем больше энергии резистор пропускает. Если подключение параллельное, каждый резистор подключен к источнику питания индивидуально.
Когда через резистор проходит ток, электроны "трутся" о частицы резистивной плёнки, теряют энергию превращая её в тепло, то есть плёнка оказывает сопротивление потоку, говорят нам учебники физики. Но скорее всего ток имеет границу плотности, которая мешает ему проходить узкие места, ограничивая число электронов в единицу времени так, что резистор даже не запрашивает большую часть этой энергии. И уже пролезшие в сопротивления сильно урезанные электроны отдают свою энергию в виде тепла. Резистивная плёнка сопротивляется потоку электрического тока сужением русла, по которому движутся электроны. На подложку наносится тонкий слой резистивного материала, чаще всего сплава металлов или углерода. Слой плёнки делают очень тонким. Затем лазер вырезает в плёнке спиральную канавку, увеличивая эффективную длину пути тока, что повышает сопротивление. Чем толще проводник (больше площадь его поперечного сечения), тем меньше его электрическое сопротивление, так как электроны имеют больше места для свободного движения. Сопротивление обратно пропорционально площади сечения и прямо пропорционально длине и удельному сопротивлению материала.
Рассчитаем номинал резистора R2 который понизит в цепи напряжение и силу тока для лампочки чьи характеристики сильно меньше характеристик имеющегося источника питания, чтобы через R1 проходил ток I напряжением X.
Рассчитаем номинал резистора R2 который понизит в цепи напряжение и силу тока для лампочки чьи характеристики сильно меньше характеристик имеющегося источника питания, чтобы через R1 проходил ток I напряжением X.Амперметр не может отличить электромагнитный поток быстрых, но разреженных электронов от более плотного и пропорционально более медленного. Представление тока нитями каната, обрезаемыми каждым последующим сопротивлением, сталкивается с той же проблемой равных диаметров расположенных друг за другом труб, - ряд одинаковых последовательных сопротивлений должен понижать силу тока, как одно единственное. Экспериментально на протяжении проводника не удаётся отделить электроны от скорости их движения (от переносимой им энергии), и играться с плотностью потока, хотя по логике закона сохранения энергии так и есть. Энергия, доставляемая теплоносителем/током должна из них потребителем отбираться.
U - напряжение источника
X – необходимое нам напряжение для лампочки Дж/с R1.
I – паспортная сила тока лампочки
U2=U-X Дж/Кл, излишнее напряжение, которое частично останется в источнике питания, а частично пойдёт на подогрев R2, чтобы уменьшить нажим на лампочку.
U = I⋅R – закон Ома для участка цепи
Формула для расчёта сопротивления R2=(U-X)/I при заданной силе тока полностью нейтрализующего избыточное напряжение (U2= U-X =>U = X+U2= I⋅R1+I⋅R2 = I (R1+R2))
Возьмём источник питания 12 В, и лампочку, рассчитанную на работу при 3,5 В; 0,28А; 12,5 Ом. Требуется нейтрализовать 8,5 В. По вышеприведённой формуле вычисляем R2 = 30 Ом.
Если рассматривается параллельное соединение разных резисторов, сила тока будет разной. При разных напряжениях на одном и том же сопротивлении потеря кинетической энергии электронов разная. При разных сопротивлениях на одном и том же напряжении, потеря кинетической энергии отдельного электрона одинакова. Это хорошо видно на трёх ветках, - оба сопротивления сразу, только лампочка, и только резистор.
U – 12В, X – 3,5 В, I – 0,28 А, R2 – 30 Ом, R1 – 12,5 Ом – цепь из обоих сопротивлений.
Трата энергии P=3,5 В⋅0,28 А + 8,5 В⋅0,28 А = 3,36 Вт.
U – 12В, I – 0,96 А, R1 – 12,5 Ом – цепь из одной лампочки.
Трата энергии P=12 В⋅0,96 А= 11,52 Вт. (если лампочка не сгорит.)
U – 12В, I – 0,4 А, R2 – 30 Ом – цепь из одного резистора.
Трата энергии P=12 В⋅0,4 А= 4,8 Вт.
Сопротивления снижают количество зарядов, проходящих в единицу времени и кинетическую энергию каждого электрона, тут же восполняющуюся из источника питания. Часть энергии не запрашивается, а часть идёт на нагрев сопротивления. Основная роль сопротивления именно отсечение незапрашиваемой энергии; чем больше сопротивление, - тем меньше её тратится.
Тело тока не вытаскивает из источника, и не протаскивает по широкой реке проводника со стороны отрицательного полюса источника питания больше электронов и энергии, нежели ему позволяют все сопротивления вместе взятые. На всём своём протяжении он выглядит однородным, имеющим равную плотность. Чем выше напряжение источника питания при постоянном сопротивлении, тем больше скорость электронного потока через резистор, - больше сила тока.
С какой бы скоростью электрон не двигался, сообщает он о себе другим электронам всегда со скоростью света. Вывод о том, что источником электромагнитного излучения является именно движение электрона, а не перетекание излучения из источника питания "по головам" электронов делается из опыта с вращением рамки в магнитном поле. Сначала движутся электроны, и уже потом из них при движении "выскакивает" электромагнитное излучение. Крайний электрон источника питания на входе в цепь начав движение "толкает в спину" своим электромагнитным излучением ближайший электрон, тот начинает движение сам, и толкает следующий. Так распространяется ток.
Если R=0, то при любом U сила тока I Кл/с - условная бесконечность. Чтобы договорится о градуировке сопротивления, предложили приравнять его к единице, когда источник тока в 1 Дж/Кл при его прохождении даёт силу тока 1 Кл/с: Дж/Кл(U) = 1 Кл/с(I) => 1 Ом = 1 В/1 А. Таким образом R=1 Ом тормозит тело тока (частично оставляя энергию в источнике, частично тратя на нагрев) до скорости 1 Кл/с, при которой оно несёт энергию 1 Дж. Если теперь добавить за первым R второе такое же, то скорость движения тела тока упадёт ещё вдвое I = 1/2 (Кл/с), - R2 притормозит приторможенное на половину.
Напряжение и силу тока измеряют по одному и тому же принципу. Когда ток течет по проводу, вокруг него возникает магнитное поле. Внутри прибора стоит маленькая катушка с проводом и стрелка. Катушка помещена между полюсами обычного магнита. Когда через катушку идет ток, она превращается в магнит и начинает отталкиваться от встроенного магнита. Цифровой амперметр измеряет падение напряжения. Внутри прибора стоит деталь с очень точным, но крошечным сопротивлением. Когда ток проходит через это препятствие, на нем падает напряжение. Микросхема измеряет эту разницу, пересчитывает её в амперы, показывая готовое число на экране. Хотя «мозг» прибора работает как амперметр и вольтметр одинаково, его внутренняя конфигурация меняется:Однако откуда взялось утверждение, что А=Кл/с? Откуда появилось время в формуле? Может, амперметр подсчитывает скорость и количество электронов в проводнике? Косвенно измеряется совокупное некое движение неизвестного количества зарядов, скорость коих тоже неизвестно. В одном случае это может быть много медленных электронов, в другом мало быстрых, но прибор в обоих случаях покажет одно и то же значение потока. Ведь вывод о том, что магнитное поле вокруг проводника с током создаётся внутренним движением зарядов делается на основании опыта, - чем быстрее магнит движется внутри катушки, тем выше скорость изменения магнитного потока, что приводит к возникновению более сильного индукционного тока. Открываем определение Ампера 1948 года и видим, что ни количество электронов, ни их скорость на самом деле не считают.
Амперметр (ток): Подключается последовательно в разрыв цепи. Внутреннее сопротивление очень низкое, чтобы не влиять на ток в цепи. Когда сопротивление стремится к нулю, к нему же стремится и падение напряжения, а, значит, измеряемое электромагнитное поле создаётся движением электрических зарядов, а не перепадом напряжения.
Вольтметр (напряжение): Подключается параллельно потребителю. Через вольтметр с известным огромным, чтобы не повлиять на измеряемый ток и не исказить точность измерения сопротивлением начинает бежать очень слабый ток, силу которого вольтметр и измеряет, получая в итоге количество Кулон в единицу времени. Подставляя в закон Ома своё известное сопротивление и измеренную силу тока показывает стрелкой на циферблате перепад напряжения на сопротивлении, по формуле параллельного подключения, совпадающего с измеряемым. Сколько всего тратится энергии можно вычислить, зная лишь напряжение источника, и ситуацию с другими элементами цепи.
Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2*10-7 ньютона.Определение единицы измерения силы Ампера 1893 года, как тока, необходимого для электрохимического осаждения 1,118 миллиграммов серебра в секунду из раствора нитрата серебра, тоже не считало количество зарядов в единицу времени. Суть закона Ампера: сила взаимодействия между проводниками пропорциональна силе тока, длине проводника, магнитной индукции и синусу угла между ними, устанавливает зависимость между перечисленными величинами, ничего не говоря ни о количестве электронов в проводнике в единицу времени, ни об их скорости. Скорость электрического тока равна скорости света, электроны не могут двигаться в проводнике так быстро, следовательно, их вообще можно рассматривать как некие крутящиеся колёса, или даже рельсы, по которым со скоростью света летит энергия. Тогда силу тока надо расценивать количеством "колёс" или "рельсов", толщиной "верёвки", чем-то на самом деле стационарным или почти стационарным, а время тут приблудилось по привычке. Ведь нет опытов, позволяющих напрямую измерить скорость движения электронов в проводнике, и их количество, а когда есть два неизвестных, не может всегда выполняться утверждение А=Кл/с. И, если мы отказываемся представлять себе силу тока скоростью некоего конгломерата, нам следует представлять его шириной канала для энергии. В последовательной цепи канал одинаков на всём протяжении вне зависимости от того, проходит ли он через обычный проводник, или через большое сопротивление. Если по ходу проводника он разветвляется на два рукава, а потом обратно сливается, то суммарная ширина канала сначала делится, а потом снова суммируется. Движение зарядов в проводнике несомненно есть, но мы не знаем в каком количестве, с какой скоростью, и как именно, ибо круговое движение по типу того, что происходит в постоянном магните, может дать тот же эффект.
Сопротивление — узкое место для прохода тока, но не как горлышко от бутылки, а как некая "взлётно-посадочная полоса", которая чем она длиннее, тем больше сопротивление. Причём, ряд располагающихся друг за другом с промежутками широких каналов узких мест действуют как одна длинная узкая полоса, и она частично тормозит энергию, а частично не пускает её из источника. Ток воспринимает всю цепь с проводами, сопротивлениями и всеми нагрузками, как одно бутылочное горлышко, а два параллельных соединения, как два бутылочных горлышка, через которые "льётся" энергия. Каждый участок проводника имеет своё энергопотребление.
На входе в радиатор водяного отопления давление выше, чем на выходе из-за остывания (уменьшения объёма воды), и потерь на трение, поэтому по маленькой параллельно подключённой радиатору трубке вода потечёт в обход, а если эту же трубку мы подсоединим на участке магистральной трубы, перетока не будет, ибо нет перепада давления, а его-то мы и не наблюдаем при измерении вольтметром участка провода. Измерение подобным образом каждого из ряда последовательных радиаторов, ничего не будет говорить о предшествующих и последующих радиаторах, если измерение проводится только с одним радиатором. Энергия до сопротивления/радиатора доставляется в скрытом виде, - по трубам, теплопроводность которых стремятся понизить, и уже там излучается. (Без эффекта сверхпроводимости вся цепь потребляет энергию на нагрев.) В водной аналогии амперметр ротаметр, вставленный в водяной поток, показывающий объём прокачанной в единицу времени воды, - силу тока. Вольтметр – ротаметр в обходной трубке, вычисляющий разность давлений входа и выхода сопротивления, - потерю скорости течения, или движения частиц воды через радиатор/сопротивление.
Равное действие электрического тока на все сопротивления вне зависимости от места их расположения, заставляет бросить водную аналогию, и представить сопротивления верёвкой с грузами, тянущей их вверх. Каждый груз действует на верёвку не только в месте своего размещения, но на всём её поддерживающим груз протяжении, и сила тяжести суммирует общую нагрузку в каждой точке верёвки. Ни одна модель макромира не может полностью визуализировать ток в электрической цепи.
Таким образом при помощи нашей хромой, косой, и кривой, но всё же живой аналогии мы можем сказать, что вольтметр и амперметр всегда измеряют объём водного (электромагнитного) потока в единицу времени, т.е. удельную скорость - силу тока, но вольтметр на этих данных вычисляет приобретаемую у источника питания электронами энергию, либо энергию, которую теряют электроны потока при прохождении сопротивления, как разность давлений на входе и выходе радиатора. При этом нет прибора способного померить на участке цепи всю энергию тока напрямую, как градусник, ротаметр или манометр теплоноситель. Узнать её можно только измерив напряжение источника питания. (У радиатора с диаметром трубы 3 метра и 3 миллиметра потеря "напряжения" (перепад давления) может быть одним и тем же, но разнится удельные скорости потоков, как и радиаторы одного и того же диаметра могут иметь разную "силу тока" и падение "напряжения".)
Но тут возникает вопрос о количестве энергии возвращаемой в источник питания с током после прохождения всей цепи. На выходе из радиатора вода остыла не до абсолютного нуля, в ней есть некий запас энергии, есть давление, и в проводнике после прохождения всех сопротивлений есть напряжение, толкающее электроны вперёд. Чему же оно равно? При Uист=10 В, R=1 Ом, I = 10 А, и при R=10 Ом, I = 1 А, в обоих случаях в источник возвращается одно и то же количество энергии? Если у нас "верёвочная" модель, возвращаемая в источник не потраченная энергия - сила лебёдки минус совокупная сила тяжести всех грузов. (Мы же помним, - нет прибора способного померить на участке цепи всю энергию тока напрямую, как градусник, ротаметр или манометр теплоноситель.) Вольтметр показывает нам напряжение источника питания. То же самое значение будет, если мы измерим подключённое к источнику сопротивление, откуда напрашивается нелепый вывод, - вся энергия им поглотилась полностью, и сильно разные сопротивления поглощают полностью одно и то же напряжение. Однако мы это лишь предполагаем. "Верёвочная" же модель объясняет разницу, и то, как энергия моментально доставляется потребителю. При жидкостной модели у нас получаются два теплоносителя, один поток электронов, другой текущий внутри первого потока – поток электромагнитной энергии. В "верёвочной" они совмещены. Жидкостная модель не может объяснить, как "теплоноситель" напряжения после сопротивления, или на последней стадии электрической цепи отделяется от "теплоносителя" электронов, и перестаёт течь с ним в анод.
Подключим вольтметр к конденсатору колебательного контура, как и положено, параллельно, а амперметр вставим в разъём цепи между конденсатором и катушкой. Зарядим конденсатор и замкнём цепь. Первое мгновение "брызги" тока ударят в тяжёлые неподвижные "лопасти покоящегося водяного колеса" катушки, оставив его неподвижным. Если бы у нас была не катушка, а прямолинейный проводник, или обычное сопротивление, ток бы устремился к другому концу конденсатора с той же световой скоростью. Но он сам себе противодействует самоиндукцией. По этой причине вольтметр покажет максимальную разность потенциалов между обкладками, - напряжение. В следующее мгновение "лопасти покоящегося водяного колеса" сдвинут их с места на ничтожно малое расстояние, сдвинув электроны по всей цепи, - появится ничтожно малый ток. А напряжение между обкладками ровно на столько же снизится, ибо покинувшие одну обкладку электроны со скоростью света протолкнут в другую обкладку соседствующие электроны из подсоединённого проводника, как насос на насосной станции моментально проталкивает воду из подводнОй трубы в кран умывающегося. Когда заряды на обкладках конденсатора сравняются, напряжение упадёт до нуля, а "лопасти водяного колеса" катушки достигнут максимальной скорости вращения, прокачивая максимальный объём электронов и создавая максимальную силу тока. Затем напряжение между обкладками станет снова нарастать, но с другим знаком, а скорость тока падать. Обладающее вязкостью тело тока будет увлекаться раскрученными лопастями "водяного колеса" катушки, пока они полностью не остановится, исчерпав импульс. Напряжение вновь достигнет максимума. Так выглядит колебание изнутри. В данном опыте сила тока и напряжение фазно разделились. Их даже на графике рисуют как синус и косинус.
Обкладки у нас бочки, катушка - массивное колесо с лопастями. Когда вода в бочках разделилась поровну, перетока через вольтметр больше нет, - напряжение равно нулю, накопившее инерцию колесо начинает высасывать воду из первой бочки, пока она полностью не осушается, а колесо не останавливается. Далее всё в обратную сторону. Хотя есть сила, толкающая поток электронов, и она максимальна, когда подключённый к обкладкам вольтметр показывает нулевое значение, природа её уже не "внутри" тока, а "снаружи", в колесе/катушке, и потому не напряжение.Если подключить к полюсам источника питания два провода, в них не произойдёт никаких изменений. Но если начать сближать свободные концы между ними начнёт нарастать разность потенциалов, выражающаяся в оттоке к полюсу свободных электронов анода, и притоку электронов к свободному концу провода, прикреплённого к катоду. После сближения на некоторое расстояние произойдёт пробой, - разность потенциалов достигнет величины способной выдирать электроны из катода после чего дефицит отрицательного заряда затащит его в свободный конец анода. Установится электрический ток, нарастающий по мере дальнейшего сближения концов, пока не достигнет максимума при их соединении. Едва различимое тело тока при разведённых концах полностью сформируется. При разведённых, но достаточно близких свободных концах, когда пробой ещё не начался, ток можно вызвать, прикрепив к катоду цинковую пластину, а к аноду сетку, и освещать пластину коротковолновым светом. Чем короче его частота, тем больше сила тока при одной и той же разности потенциалов. Увеличение же разности потенциалов либо сближением катода с анодом, либо увеличением напряжения тоже будет увеличивать силу тока, но до некоторого максимума.
При U =конст. и переменной R, сила тока I = U/R падает по параболе 1/x. По тому же самому закону суммируется сопротивление при параллельном соединении 1/R=1/R1+1/R2+…1/Rn, что выводится из Закона Ома, и сложения сил тока. Выше был рассмотрен пример с тремя параллельными подключениями: лампочки и резистора, просто лампочки, и только резистора с соответствующими силами тока 0,28 А; 0,96 А; 0,4 А. Три канала разной ширины сливаются в один большой 1,64 А.
Генератор подключён к потребителю двумя проводами, между которыми есть напряжение. По ним движутся электроны. Если третий провод (землю) соединить с одним из них, ток будет бегать точно так же, но один провод розетки становится безопасным. За него можно взяться, стоя ногами в луже. Так в наших розетках появился "ноль" и "фаза". Если взяться за фазу соприкасаясь с землёй, она замыкается с нулём. (Если нуля не делать, нельзя поручится, что в разветвлённой сети электропроводки какой-нибудь провод не замкнулся на землю. Поэтому заземляют превентивно, делая безопасной хотя бы одну клемму розетки.) Кроме того, гигантскому электрическому контуру, включающему многие города с их промышленными предприятиями для транспортировки энергии нужно определённое количество электронов. Если их больше чем нужно, если потенциал проводки выше земного потенциала, возникнет опасное для жизни статическое напряжение, если меньше, - потеря мощности. В принципе можно ограничится одним проводом в розетке и проводке, замыкая второй на землю, и экономя тем самым на проводах, но тогда любое соприкосновение с проводом может стать смертельным для пользователя.При генерации электрического тока вращением рамки в магнитном поле, каждый поворот её на 180 градусов обращает ток вспять. Получается биение. (В Европе 50 Гц – поворотов рамки в секунду.) То же самое будет, если рамка покоится, но движется магнит. Следовательно, именно изменение магнитного поля провоцирует распространение электромагнитного импульса в электрическом токе при его генерации. Кинетическая энергия вращения рамки либо магнита переходит в электромагнитную энергию электрического тока, или их вращение искривляет пространство так, что наблюдается электрический ток, превращая покой в движение.
Без соединения с потребителем ток во вращающейся рамке будет бегать по замкнутой рамке в холостую, нагревая её. Если расстояние между передающими электронами превышает допустимое для данного напряжения, происходит обрыв, и ток перестаёт транспортироваться. Энергию своего движения электроны могут отдавать кинетическим образом, - вращая другую рамку, или через излучения квантов света. Движущийся в потоке электрон постоянно со скоростью света получает и отдаёт энергетическую подпитку. Энергия на нём не задерживается. В токе поток электронов и энергии по сути одно и то же явление. Деление его на множество электронов условно.
При передаче тока на большие расстояния потери в линиях передач пропорциональны квадрату силы тока, а чем выше напряжение, тем меньше ток (при той же мощности) и, следовательно, тем меньше потери. (Электронов становится меньше за счёт снижения их плотности, но в совокупности они перетаскивает прежнюю энергию.) Каждая линия передач имеет предельное напряжение и передаваемая мощность переменного тока будет в 2 раза меньше, чем у постоянного, так как у переменного больше разного рода помех и необходимостей синхронизации.
Велосипедная цепь связывает две шестерни, которые могут быть разного диаметра. Если они равны друг другу, передаваемое от педалей колёсам усилие не меняется. Если шестерня педалей начинает увеличивать свой диаметр, усилие, передаваемое толкающему колесу, увеличивается пропорционально падению скорости цепи. И наоборот. Главное, при любых раскладах энергия (работа) остаётся прежней. Велосипедный аналог в виде трансформатора напряжения повторяет эту философию на электрическом уровне, только роль шестерён играют катушки с проводником разного количества витков, велосипедная цепь - металлический сердечник, соединяющий обе катушки (либо расположение катушек друг в друге), скорость движения цепи - сила тока. Первая катушка генерирует равное количество зарядов во второй катушке, передавая им часть своей энергии. Если она имеет вдвое меньше витков, чем принимающая, происходит увеличение удельного напряжения вдвое, так как одно и то же количество зарядов приходится на вдвое больший объём проводника, плотность Кл/с снижается, но энергия, переносимая совокупностью зарядов, остаётся прежней.
Электроны начинают двигаться с ускорением, их меняющееся коллективное магнитное поле создаёт коллективное электрическое поле, обладающее такой напряжённостью, что оно легко простреливает расстояние между вложенными катушками или до сердечника, толкая тамошние электроны. Причём каждому электрону в одной обмотке соответствует всё тот же один электрон в другой обмотке.
Электрический заряд окружён "полем", которое из неподвижной ИСО (с самого заряда) видится электрическим, а из подвижной, причём не важно, движется ли сам заряд, или наша ИСО, ещё и магнитным полем.
Генерация атомом магнитного поля говорит о том, что электрон на орбите действительно вращается, а отсутствие генерации электромагнитных волн говорит обратное, - электрон неподвижен. Поскольку такое его поведение наблюдается только рядом с разноимённой заряженной частицей - протоном в ядре, тот блокирует свойства электрона ответственные за электромагнитное излучение, свойства, благодаря которым движущейся заряженной частице "подражают" другие заряженные частицы. Протон и электрон в атоме "видят" друг друга неподвижными, удаляя из электромагнитных взаимоотношений электрическую составляющую для внешнего наблюдателя, и магнитную для внутреннего. Замкнутые друг на друга полюса магнита тоже теряют магнитные свойства для внешних объектов, а атом можно рассматривать как элементарную магнитную частицу.Движущийся равномерно и прямолинейно одиночный заряд, видится, как создатель меняющегося магнитного "поля", за счёт прибывания при пролёте нашего наблюдательного пункта, и убывания, то есть в момент изменения. Если мимо нашего пункта наблюдения проходит постоянный ток, обеспечивающий равномерность прохождения зарядов без убываний и возрастаний, магнитное поле не меняется. Если заряженная частица влетает в постоянное магнитное поле, она "видит" его как электрическое, поскольку оно изменяется, и именно это электрическое поле действует на движущуюся заряженную частицу. Если рядом с проводником постоянного тока лежит неподвижный электрон, он так и будет лежать дальше. Но если по проводнику движется переменный ток, "видящийся" неподвижному электрону как электрическое поле, электрон начнёт двигаться (будет индуктироваться ЭДС — скалярная физическая величина, численно равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного электрического заряда. Единица измерения вольт (В)). Именно поэтому трансформаторы на постоянном токе не работают. (И именно поэтому для транспортировки тока на большие расстояния в целях экономии предпочитают переменный ток, "перекладывая" энергию из его силы Кл/с в напряжение Дж/Кл.)
Эта удивительная перевёрнутая симметрия вдохновила многих на перенесение её в Специальную Теорию Относительности, будто не имеет значение, сжимается ли плечо интерферометра реально, или виртуально. Но дело в том, что если плечо интерферометра не сжимается физически, то релятивистские эффекты становятся виртуальными, и вся СТО просто красивая легенда, не стоящая выеденного яйца. Плечо интерферометра не может сжаться в одной ИСО, и остаться прежней в другой, ибо тогда это уже не одно и то же плечо, а два независимых. (Для многих современных образованцев это стало камнем преткновения, который они не в силах преодолеть, так как не пытались вывести СТО самостоятельно.) Если же мы говорим об электромагнитном поле, то в отличии от сжатого плеча интерферометра оно несубстанциально. Нет вещества этого поля, материи. Мы им называем "искривление" пространства, которое само не существует. И потому аналогия неприемлема.
В квантовой физике придумали такое понятие, как электрон-вольт, - энергия (Дж) равная по номиналу единичному электрическому заряду 1эВ=1,6⋅10-19 Кл⋅1В=1,6⋅10-19Дж, и переданная ему в результате прохождения разности потенциалов в 1 Вольт. С помощью электрона мы можем оценить "невидимую" электромагнитную энергию через оценку его кинетической энергии, но электрон сам по себе всё равно не является её тождеством. (Хотя при аннигиляции с позитроном оба превращаются в два одинаковых кванта строго определённой энергии.) Если квант энергии 1,6⋅10-19Дж "попадёт" в электрон, считается что он прошёл разность потенциалов в 1 Вольт. То же самое, если электрон получил кинетический импульс 1,6⋅10-19Дж от попадания в него другой микрочастицы обладающей массой покоя, например, нейтрона.
Субсветовой электрон при прохождении сильного магнитного поля вблизи квазаров излучает узкий пучок синхротронного излучения, - зримое наблюдение того, что происходит в радиоантенне, в которой электроны движутся тоже с ускорением, - генерация переменного электромагнитного излучения ускоряющейся заряженной частицей. (Только в антенне электроны раскачивают притоком внешней энергии, а субсветовой электрон движется в чужом магнитном поле с постоянной кинетической энергией.) Всё выглядит как в диснеевском мультфильме, когда персонаж так быстро срывается с места, что его душа в виде туманного очертания за ним не поспевает. Только в этом случае "душа" электрона (электромагнитное излучение) опережает сам электрон, и именно оно распространяется по проводнику со скоростью света.
Вихревые токи — замкнутые электрические токи, возникающие внутри цельного металлического проводника, когда меняется пронизывающее его магнитное поле. Они «вихрятся» внутри металла, подобно водоворотам в воде, нагревая его и создавая собственное магнитное поле, противодействующее внешнему.Но при устоявшемся постоянном токе их нет, хотя концентрические магнитные линии вокруг проводника есть. Следовательно, для их формирования электроны тока должны вращаться как-то иначе. Если распилить кольцевой магнит по диаметру, перевернуть и сложить так, чтобы половинка «Севера» замыкалась на половинку «Юга», мы воссоздадим то магнитное поле, которое создаётся в прямолинейном проводнике постоянного тока. Верность этой теории доказывается фактом притяжения двух проводников с однонаправленными токами, и отталкиванием разнонаправленных. Согласно общепринятой теории, притяжение и отталкивание объясняется действием сил Ампера, но причины разного действия в зависимости от направления тока похоже не поняты до сих пор. Выдвигается предположение, что магнитное поле перед движущимися зарядами и за ними чем-то различается. Определённо можно сказать только то, что если заряженная частица в магнитном поле начинает двигаться по криволинейной траектории, то она попала в магнитный вихрь других частиц, и "подражает" их движению, а, значит, электроны в проводнике в процессе своего движения катятся кубарем, создавая концентрические круги напряжённости вокруг проводника.
Считается, что в постоянном магните есть элементарные токи, но создаются они синхронно вращающимися на месте электронами, и только они могут создавать линии магнитной напряжённости, вокруг которых закручивается пролетающий заряд. Следовательно, мы вправе сделать вывод о том, что электроны склонны подражать друг другу, и если есть синхронное действие группы электронов, природа принудит к этому вновь появившийся. Следовательно, по поведению отдельного электрона мы можем судить о поведении исследуемой группы электронов, и кольцевые линии магнитной напряжённости вокруг проводника с током говорят не о поступательном, а о вращательном характере группы электронов. Если бы электроны двигались по проводнику поступательно, магнитное поле не закручивалось бы, а если бы они двигались кубарем, двигались бы и магнитные линии. При поступательном движении одиночный электрон "сдувался" бы по направлению движения тока.Магнитное поле катушки создаётся суммированием всех кольцевых магнитных полей сечений проводника, как и магнитное поле постоянного магнита. В сечении провода с постоянным током все элементарные магниты выстроились по диаметру, на краях которого находятся полюса.
Проблема объяснения процессов, происходящих в электрическом токе упирается в противоречие поступательной подвижности и неподвижности электронов в электрическом токе. С одной стороны, неподвижность магнитных линий вокруг проводника с постоянным током говорит нам о том, что создающие их электроны вращаются вокруг какого-то своего центра вдоль проводника, чему начинают «подражать» пролетающие мимо свободные электроны, закручиваясь вокруг кольцевых линий напряженности. С другой стороны, электроны в токе вроде как поступательно движутся, ибо емкости ими заполняются из источников питания, и в колебательном контуре радиоприёмника циркулируют с одной обкладки в другую. Но если электроны в проводнике двигаются даже равномерно и прямолинейно, в силу расстояний между ними есть неоднородность совокупного электрического поля, и магнитное поле тоже бы менялось, а неподвижно лежащий рядом с проводником электрон увлекался бы потоком.
Если мимо одиноко лежащего электрона пролетает другой электрон, магнитное поле меняется, и неподвижно лежащий электрон тоже "в подражание" начинает двигаться. А если мимо неподвижного электрона равномерно движется длинный электрон, магнитное поле не меняется. Но как тогда длинный электрон создаёт концентрические магнитные линии, если его магнитное поле не меняется? Примирить эти противоречия можно попытаться, представив электрический ток одним змеевидным электроном, тело которого к тому же состоит из застывших в пространстве радиально-продольных колец вращения, создающих кольцевые линии напряжённости. Отдельные электроны движутся, а кольца тока вращаются на месте, как стоячая волна. Поскольку вращение — это ускорение, оно и создаёт магнитное поле. Но вращение равномерное, не ускоряющееся ускорение, и потому не оказывающее влияния на неподвижные заряды.
Никто и никогда экспериментально не получал магнитное поле поступательно движущегося электрона в виде двух сомкнутых горловинами воронок, как его изображают на схемах, чтобы из отдельных электронов тока можно было бы слепить концентрические силовые линии вокруг проводника. Но даже этот образ магнитного поля движущегося электрона подвижен в отличии от стационарных силовых линий тока. Сначала предполагается прямолинейное движение электронов в проводнике, потом добавляется установленный опытом факт расположения концентрических окружностей его магнитного поля в плоскости перпендикулярной направлению движения электронов, и так на свет появляется утверждение о перпендикулярном отношении электрического и магнитного векторов индукции. Больше этому краеугольному положению электродинамики неоткуда взяться. Мысль, а что, если электроны в электрическом токе при своём движении создают вращающуюся на месте единую структуру, никого не посещала. Принято считать, что направление векторов электрического и магнитного полей в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, - две перпендикулярно склеенные синусоиды, а синусоида говорит о периодизации процесса. Какой может быть период у прямолинейного движения? А вот у вращения, как у рамки в магнитном поле он есть, - 180 градусов на 180 градусов.
Если поведение отдельного электрона мы можем наблюдать, например, в камере Вильсона, то поведения потока электронов внутри проводника недоступно никакому взгляду. Тут есть место только для гипотез. Было бы странно, если бы в воздушной и металлической среде электроны вели себя под воздействием электромагнитного поля одинаково, между тем общепринятая теория, не заморачиваясь опытами смешивает одно с другим. Определённо же можно сказать только, что внутри проводника есть разность потенциалов, тянущая электрон из отрицательного полюса источника питания в положительный.
Каждый атом сам по себе маленький магнит. Но для создания постоянного магнита необходимы атомы способные выстраиваться синхронно, что возможно только у отдельных металлов. Когда атом один, то с одной стороны он имеет один полюс, а с другой – другой. Если теперь выстроить длинный ряд из таких синхронизированных атомов, то посередине никакого полюса не будет, словно своим вращением электроны "сдувают" полюсы к краям, и словно в них самих нет магнитного "свойства", подобно тому, как вентилятор создаёт с одной своей стороны избыток давления, а с другой недостаток, причины которых нужно искать в атмосфере. Катушка с постоянным током создаёт тот же магнитный эффект, один её конец положительный, другой отрицательный. При сгибании катушки в окружность, аналоге подковообразного магнита, заряженная частица, попавшая в пространство между полюсами, так же испытывает действие силы Лоренца, а если при этом увеличивать силу тока, проходящего через магнит, она начнёт разгонятся, что наводит на мысль, - ускоряющиеся в проводе электроны не только увлекают за собой одинокую частицу, но и сообщают ей часть кинетической энергии. Есть так же схожесть между атомарной связностью электрического тока и "стационарного тока" постоянного магнита, - ток прекращается при разрыве, чуть превышающем размеры атома, как и части разделённого продольно магнита тут же превращаются в самостоятельные магниты даже если их плотно прижать друг к другу обратно.В свете вышесказанного принципиально неверно называть электрический ток только потоком электронов. Электроны лишь велосипедная цепь, телеграфные провода, по которым передаётся кинетическое усилие, "телеграмма", - электромагнитная энергия. Именно она крутит моторы, освещает, передаётся без проводов на расстоянии.
В статьях:
Общая теория поля
Проблема закона сохранения энергии в квантовой механике
Один пример бреда современных "квантовых механиков"
мы всесторонне проанализировали электромагнитные явления, и пришли к выводу что попытки объяснить их невидимыми корпускулами смехотворны, и самое правильное, что можно сделать, - признать непостижимость их материальности с бытовой точки зрения, обозначив наше недоумение предложенной Эйнштейном формулой "искривления пространства" под действием магнитного поля и электрических зарядов. Квант энергии — это искривление пространства в виде кинетического импульса, передаваемого от электрического заряда к электрическому заряду со скоростью света в прямой видимости от точки излучения в точку поглощения. Транспортировка этого искривления пространства по цепочкам электронов и есть электрический ток.
Итак, электроны переводят движение в электромагнитную энергию, и электромагнитную энергию в своё движение. Заряженная частица имеет только электрический заряд, но любое движение, даже не её собственное, обнаруживает у неё и магнитное поле, делая электрон электромагнитной частицей. Причём, частицей обладающей массой покоя и вследствие этого могущей двигаться с разными скоростями. Далее, все электроны обладают удивительной особенностью действовать так, будто они сохраняют единство, если нет разрывов проводника.
Один вид тока можно превращать в другой.
Постоянный ток превращается в переменный с помощью устройства — инвертора. Инвертор работает как сверхбыстрый электронный переключатель, который 50-60 раз в секунду меняет направление тока из аккумулятора «туда-обратно» (вперед-назад), создавая синусоидальную волну, необходимую для работы бытовой техники. Постоянный ток крутит рамку, направление которой периодически меняет направление.
Процесс преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением. Устройства, которые используют для этого, позволяют току течь только в одном направлении.
Однополупериодный выпрямитель — во время положительного полупериода переменного напряжения диод смещён в прямом направлении, и ток может протекать через него. В отрицательный полупериод диод смещён в обратном направлении, и ток блокируется. На выходе — только положительные импульсы.
Двухполупериодный выпрямитель — пропускает положительный полупериод и преобразует отрицательные полупериоды в положительные. Это приводит к более плавному выходному сигналу с меньшими пульсациями.
Поливанов О.И.
31.10.2024г
31.10.2024г
Комментариев нет:
Отправить комментарий