Посвящается математикам, считающим себя физиками
В отсутствие интересных научных новостей в новогодние праздники, я хочу вернуться к теме электрического тока. Она, конечно, не так интересна, как тема рыбалки или космических исследований и на ней не заработаешь много денег, но я ведь тут не для этого. Даже если эту статью дочитает до конца десяток человек - мои усилия уже будут оправданы. А если среди них найдутся люди, в которых ещё не укоренились стадные привычки верить на слово авторитетам, то возможно, они смогут задать им несколько "неудобных" вопросов или своим преподавателям, которые их этому обучают.
Начнём мы, пожалуй, с формулировок.
"Электри́ческий ток или электрото́к - направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц - носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.
Носителями электрического заряда могут являться: в металлах - электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях - электроны, в полупроводниках - электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.
Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля".
В этом месте хочу обратить ваше внимание на два момента:
1. ток - это упорядоченное движение заряженных, МАТЕРИАЛЬНЫХ частиц;
2. скорость распространения тока достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда, собственная скорость которых в проводниках составляет десятые доли миллиметра в секунду.
Идём дальше:
"Сила тока, также просто ток - скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда dQ, прошедшего через определённую поверхность за бесконечно малый промежуток времени dt, к длительности этого промежутка
J = dQ/dT".
Я благодарен упёртому математику под ником "Альтернативная физика" за то, что он просто задолбал меня этой формулой и я, наконец, понял её фундаментальную ошибочность! Вы посмотрите на неё внимательнее. Сила тока это количество заряда за время? Точно??? Что это за "бесконечно малый промежуток времени"? Например сейчас самым малым измеряемым промежутком времени является 10Е-17 секунды и уже за это время электроны, при их скорости в проводнике сдвинутся только на сотые доли процента от своего диаметра. Это можно считать, что они куда-то движутся и что-то пересекли???
Другими словами, всё это нужно перефразировать примерно так: ток - это количество зарядов, пересекающее сечение проводника безотносительно времени. В популярной формуле сразу появляется деление на ноль и она отбывает в определённом мною направлении, о котором я умолчу. Учитывая первое определение, это должны быть упорядоченно движущиеся заряды, а значит просто взять проводник и подсчитать электроны в его сечении нельзя, т.к. там может и не быть упорядоченного движения. С этим надо что-то делать и это сделал Кулон:
"Кулон - это величина заряда, прошедшего через сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Через основные единицы СИ кулон выражается соотношением вида:
Кл = A · c"
Т.е. Кулон - это какое-то определённое количество зарядов, которые выпали нам из провода за одну секунду, мы их можем подсчитать и сказать, что получили какую-то мощность или количество энергии. Ок.
А что, собственно, упорядочивает движение зарядов в проводнике и вообще заставляет их куда-то двигаться? Говорят, что это электрическое поле - разность потенциалов. Очень интересно, потому что если поле и может распространяться со скоростью света, то на это накладывается несколько ограничений: это только в вакууме; напряжённость поля убывает согласно закону обратных квадратов от расстояния. Вы и сами могли это видеть: когда сварщик подносит электрод к металлу разряд, ток и дуга появляются только на определённом расстоянии. Если его увеличить, то напряжённость поля резко уменьшается и ток пропадает. Почему же в таком случае электрическое поле распространяется внутри медного проводника не только со скоростью света, но и без потерь? Почему не выполняется закон обратных квадратов, причём в плотном металле, а не в вакууме?
Это, конечно, интересный вопрос, но не самый важный на сегодня, поэтому я не буду на нём сейчас останавливаться, а перейду к основному. Вот он:
на перемещение заряда на какое-то расстояние затрачивается энергия и совершается работа. Мы затратили потенциальную энергию электрического поля и получили 1 Кл за секунду. Т.е. нам досталось определённое количество зарядов, которые мы потратили на свои нужды. А что дальше, в следующую секунду? Если мы опять потратим такое же количество энергии то сможем получить это же количество зарядов? А тут вопрос... А есть ли рядом заряды, которые за это же количество энергии готовы преодолеть большее расстояние в проводнике и достичь вас? А через 10 секунд будут?
В современной теории заряды не движутся со скорость света в проводнике, а толкают другие, образуя волну. Однако закон по перемещению зарядов и затрат энергии от этого не перестаёт действовать. Тогда откуда энергия на перемещение такой массы зарядов? По идее, чем больше зарядов нам нужно передвигать одновременно, тем больше это требует энергии.
Как обычно, на пальцах: у нас есть тонкий медный провод длиной 10 см и сопротивлением 1 Ом. Если мы приложим к нему разность потенциалов в 1 Вольт, то по нему потечёт ток в 1 Ампер. Это значит, что через любое сечение этого провода проходит определённое количество зарядов и на их перемещение тратится определённая энергия. Теперь мы берём провод потолще из той же меди, но его сопротивление составляет 1 Ом на 1 километр. Мы точно так же прикладываем к нему напряжение в 1 Вольт и получаем ток в 1 Ампер, т.е в каждом сечении этого километрового провода будет такое же количество упорядоченно движущихся физических зарядов, но их общее количество будет в 10000 раз больше. Получается что, если заряды должны перемещаться по проводнику, то в первом случае затраты энергии на перемещение единичного заряда должны быть в 10000 раз меньше, чем во втором. Т.е. либо энергия электрического поля на перемещение заряда не должна тратиться вообще, что не согласуется с законами сохранения, либо ток это не движение зарядов.
На это же намекает разряд катушек индуктивности и эффекты длинных линий: если разорвать цепь, в которой был ток, то этот ток не угасает из-за того, что пропадает разность потенциалов на концах цепи и электроны не останавливаются, как следовало бы из движения зарядов: нет разницы потенциалов и заряды остановились там, где они есть, они и разогнаться быстрее черепахи не успели - нет. Происходит выброс ЭДС индукции, которая является Вольт-Амперной характеристикой ЭМ поля, а не вылетает пучок разогнанных электронов.
Можно так же запустить по проводнику импульс тока, который будет короче самого проводника и он дойдёт до второго конца, хотя никакой разности потенциалов там уже нет. Это значит, что ток в проводнике, если он там появился, больше не зависит от существования разности потенциалов, сопротивлений и прочей ерунды. Если он появился на одном конце проводника, то достигнет второго в любом случае, а значит он именно движется по проводнику, а не происходит согласованное движение зарядов. Ток - это ЭМ энергия, идущая вдоль проводника. Она не может оставаться внутри проводника, как в аккумуляторе и поэтому происходит её выброс в виде ЭМ излучения, пробоя изоляции и т.д.
Исходя из этих соображений, током надо считать количество ЭМ фотонов, находящихся в сечении проводника и намёк на эту формулировку уже добавили в описание тока. Я её приводил выше:
"С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон".
Таким образом решаются все проблемы, которые я описывал выше:
из формулы убирается время - оно там лишнее, в проводнике либо будут фотоны тока, либо нет и нам не надо узнавать куда и как они движутся хотя бы потому, что они не могут покоиться или колебаться в одном месте, как электроны;
ЭМ фотоны не имеют массы, в отличии от электронов и на их перемещение не нужно затрачивать дополнительную энергию, нет разницы 100 фотонов движется или миллион - законы сохранения могут спать спокойно;
ЭМ фотоны движутся не внутри проводника, а вдоль него, поэтому и скорость распространения тока практически равна скорости света;
фотон попадает в проводник из вне (генератора, батареи...) и от разности потенциалов зависит только количество одновременно попавших в проводник фотонов на начальном этапе, а дальше они движутся сами, вне зависимости от наличия потенциала.
Статья получилась большая, но делить её на части не хотелось, поэтому спасибо, если дочитали.
Начнём мы, пожалуй, с формулировок.
"Электри́ческий ток или электрото́к - направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц - носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.
Носителями электрического заряда могут являться: в металлах - электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определённых условиях - электроны, в полупроводниках - электроны или дырки (электронно-дырочная проводимость). С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон.
Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля".
В этом месте хочу обратить ваше внимание на два момента:
1. ток - это упорядоченное движение заряженных, МАТЕРИАЛЬНЫХ частиц;
2. скорость распространения тока достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда, собственная скорость которых в проводниках составляет десятые доли миллиметра в секунду.
Идём дальше:
"Сила тока, также просто ток - скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда dQ, прошедшего через определённую поверхность за бесконечно малый промежуток времени dt, к длительности этого промежутка
J = dQ/dT".
Я благодарен упёртому математику под ником "Альтернативная физика" за то, что он просто задолбал меня этой формулой и я, наконец, понял её фундаментальную ошибочность! Вы посмотрите на неё внимательнее. Сила тока это количество заряда за время? Точно??? Что это за "бесконечно малый промежуток времени"? Например сейчас самым малым измеряемым промежутком времени является 10Е-17 секунды и уже за это время электроны, при их скорости в проводнике сдвинутся только на сотые доли процента от своего диаметра. Это можно считать, что они куда-то движутся и что-то пересекли???
Другими словами, всё это нужно перефразировать примерно так: ток - это количество зарядов, пересекающее сечение проводника безотносительно времени. В популярной формуле сразу появляется деление на ноль и она отбывает в определённом мною направлении, о котором я умолчу. Учитывая первое определение, это должны быть упорядоченно движущиеся заряды, а значит просто взять проводник и подсчитать электроны в его сечении нельзя, т.к. там может и не быть упорядоченного движения. С этим надо что-то делать и это сделал Кулон:
"Кулон - это величина заряда, прошедшего через сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. Через основные единицы СИ кулон выражается соотношением вида:
Кл = A · c"
Т.е. Кулон - это какое-то определённое количество зарядов, которые выпали нам из провода за одну секунду, мы их можем подсчитать и сказать, что получили какую-то мощность или количество энергии. Ок.
А что, собственно, упорядочивает движение зарядов в проводнике и вообще заставляет их куда-то двигаться? Говорят, что это электрическое поле - разность потенциалов. Очень интересно, потому что если поле и может распространяться со скоростью света, то на это накладывается несколько ограничений: это только в вакууме; напряжённость поля убывает согласно закону обратных квадратов от расстояния. Вы и сами могли это видеть: когда сварщик подносит электрод к металлу разряд, ток и дуга появляются только на определённом расстоянии. Если его увеличить, то напряжённость поля резко уменьшается и ток пропадает. Почему же в таком случае электрическое поле распространяется внутри медного проводника не только со скоростью света, но и без потерь? Почему не выполняется закон обратных квадратов, причём в плотном металле, а не в вакууме?
Это, конечно, интересный вопрос, но не самый важный на сегодня, поэтому я не буду на нём сейчас останавливаться, а перейду к основному. Вот он:
на перемещение заряда на какое-то расстояние затрачивается энергия и совершается работа. Мы затратили потенциальную энергию электрического поля и получили 1 Кл за секунду. Т.е. нам досталось определённое количество зарядов, которые мы потратили на свои нужды. А что дальше, в следующую секунду? Если мы опять потратим такое же количество энергии то сможем получить это же количество зарядов? А тут вопрос... А есть ли рядом заряды, которые за это же количество энергии готовы преодолеть большее расстояние в проводнике и достичь вас? А через 10 секунд будут?
В современной теории заряды не движутся со скорость света в проводнике, а толкают другие, образуя волну. Однако закон по перемещению зарядов и затрат энергии от этого не перестаёт действовать. Тогда откуда энергия на перемещение такой массы зарядов? По идее, чем больше зарядов нам нужно передвигать одновременно, тем больше это требует энергии.
Как обычно, на пальцах: у нас есть тонкий медный провод длиной 10 см и сопротивлением 1 Ом. Если мы приложим к нему разность потенциалов в 1 Вольт, то по нему потечёт ток в 1 Ампер. Это значит, что через любое сечение этого провода проходит определённое количество зарядов и на их перемещение тратится определённая энергия. Теперь мы берём провод потолще из той же меди, но его сопротивление составляет 1 Ом на 1 километр. Мы точно так же прикладываем к нему напряжение в 1 Вольт и получаем ток в 1 Ампер, т.е в каждом сечении этого километрового провода будет такое же количество упорядоченно движущихся физических зарядов, но их общее количество будет в 10000 раз больше. Получается что, если заряды должны перемещаться по проводнику, то в первом случае затраты энергии на перемещение единичного заряда должны быть в 10000 раз меньше, чем во втором. Т.е. либо энергия электрического поля на перемещение заряда не должна тратиться вообще, что не согласуется с законами сохранения, либо ток это не движение зарядов.
На это же намекает разряд катушек индуктивности и эффекты длинных линий: если разорвать цепь, в которой был ток, то этот ток не угасает из-за того, что пропадает разность потенциалов на концах цепи и электроны не останавливаются, как следовало бы из движения зарядов: нет разницы потенциалов и заряды остановились там, где они есть, они и разогнаться быстрее черепахи не успели - нет. Происходит выброс ЭДС индукции, которая является Вольт-Амперной характеристикой ЭМ поля, а не вылетает пучок разогнанных электронов.
Можно так же запустить по проводнику импульс тока, который будет короче самого проводника и он дойдёт до второго конца, хотя никакой разности потенциалов там уже нет. Это значит, что ток в проводнике, если он там появился, больше не зависит от существования разности потенциалов, сопротивлений и прочей ерунды. Если он появился на одном конце проводника, то достигнет второго в любом случае, а значит он именно движется по проводнику, а не происходит согласованное движение зарядов. Ток - это ЭМ энергия, идущая вдоль проводника. Она не может оставаться внутри проводника, как в аккумуляторе и поэтому происходит её выброс в виде ЭМ излучения, пробоя изоляции и т.д.
Исходя из этих соображений, током надо считать количество ЭМ фотонов, находящихся в сечении проводника и намёк на эту формулировку уже добавили в описание тока. Я её приводил выше:
"С точки зрения квантовой теории поля переносчиком электромагнитного взаимодействия является фотон".
Таким образом решаются все проблемы, которые я описывал выше:
из формулы убирается время - оно там лишнее, в проводнике либо будут фотоны тока, либо нет и нам не надо узнавать куда и как они движутся хотя бы потому, что они не могут покоиться или колебаться в одном месте, как электроны;
ЭМ фотоны не имеют массы, в отличии от электронов и на их перемещение не нужно затрачивать дополнительную энергию, нет разницы 100 фотонов движется или миллион - законы сохранения могут спать спокойно;
ЭМ фотоны движутся не внутри проводника, а вдоль него, поэтому и скорость распространения тока практически равна скорости света;
фотон попадает в проводник из вне (генератора, батареи...) и от разности потенциалов зависит только количество одновременно попавших в проводник фотонов на начальном этапе, а дальше они движутся сами, вне зависимости от наличия потенциала.
Статья получилась большая, но делить её на части не хотелось, поэтому спасибо, если дочитали.