Рейтинг:  5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Электрический ток, наверное, второе после ложки явление, которое познает человек, но никак не познает его до конца.

Свет, телевидение, радио, детские игрушки, фонарики, всевозможные генераторы и двигатели… Везде ток, как и воздух, но он не видим. Мы наблюдаем только его действия и платим за его действия. Мы знаем, где этот ток берется, как доставляется к нам, сколько его доставляется к нам и какого качества.

Общее определение электрического тока:               

“Электри́ческий ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).

Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии”.        

Это почти все, что известно о физической сущности электрического тока. Дальше идут только разговоры о форме тока, о направлении тока, о количественных параметрах, о его применении и т.п. Есть понятия о токе проводимости и о токе смещения, но что это такое толком объяснить никто не хочет.

Попытаемся последнее положение представить в более наглядных образах.              

При изучении электрического тока обычно используют метод сравнения тока с водой. Напряжение представляют в виде напора воды, например, в виде водяного столба, ток представляют в виде количества воды протекающего в трубе, сопротивление представляется толщиной трубы. Чем больше внутреннее сечение трубы, тем меньше сопротивление она оказывает току воды, значит, тем больше протекает воды через это сечение, то есть тем больше ток. Чем выше водонапорная башня, тем больше течет воды по трубе, тем больше ток. Это незамысловатое сравнение применим и мы.          

Представим систему в виде замкнутого кольца (Рис. 1). Труба заполненная водой, в точке А в трубе установлен насос, которым можно перекачивать воду по направлению стрелки. Это будет аналог генератора тока.

Пусть это будет ручной насос, нечто наподобие шнека, и он сразу поднимает весь столб воды. Возьмемся за ручку и начнем ее поворачивать. Пока воды в трубе не было, насос вращался легко, а при наполненной трубе проворачивать насос становится труднее. Согласно второму закону Ньютона вода оказывает сопротивление вращению насоса, которое передается руке. Но вот сопротивление начинает ослабевать. Вода набирает определенную скорость, равную скорости движения лопасти насоса по направлению стрелки, и сопротивление воды становится минимальным. Если бы исчезли все побочные силы, например, трение в насосе, поверхностное сопротивление воды, шероховатость трубы и т.п., то вода циркулировала бы сама, и насос крутился бы без нагрузки. Вода никак бы не нагружала насос, а насос не чинил бы сопротивления воде. В случае возникновения торможения воды в зоне а, кинетическая энергия воды в зоне b заставит воду в зоне а течь с прежней скоростью. Но при открытии  крана в точке Б часть воды утечет и в зоне b окажется меньше воды и, следовательно, меньше кинетической энергии. Теперь чтобы в зоне а текло столько же воды и с такой же скоростью, убывшую энергию воды следует заменить работой насоса. Можно поступить и по-другому. В точку В добавить соответствующее количество воды под определенным давлением. Тогда параметры воды в зонах a и b останутся неизменными. Можно вместо воды добавить любое другое вещество: керосин, воздух или что угодно лишь бы в точке В создать такое же давление как давление столба воды из зоны с.

Это означает, что возможно организовать циркуляцию любого вещества и если не будет потерь этого вещества и оказания ему сопротивления, то цикл может повторяться бесконечно. Мало того, внутри вещества можно организовывать любые циклы, не выходя за пределы вещества. Можно испарять или замораживать воду и потом возвращать все обратно. Следовательно, в цикле сохраняется не вещество, а энергия. Вещество представляет просто упаковку энергии.               

Мы знаем несколько форм энергии: потенциальная, кинетическая, электромагнитная, тепловая, ядерная и другие. Но что является содержанием этих форм? Это один и тот же субстрат или это разные субстраты? То есть, понятие энергия имеет одну и ту же основу или для каждой формы энергии свои основы? В данной статье мы попытаемся понять содержание электромагнитной энергии. Формой ее является электрический ток проводимости или ток смещения. Хотя о субстрате этих токов вроде все понятно, проводимость - это частицы, а смещение - это электромагнитная волна, мы попытаемся подробнее расшифровать эти понятия.       

Наука утверждает, что движение свободных электронов обуславливает возникновение электрического тока в проводниках и вакууме. И еще наука утверждает, что скорость распространения тока равна скорости света, хотя скорость самого электрона равна ~0,1-1 мм/сек. Отсюда сразу же возникает следующая модель тока. Чтобы ток от Братской ГЭС дошел до Москвы, следует выложить цепочку электронов таким образом, чтобы они касались друг друга и были абсолютно неупругими. Но в этом случае толчок электрона на электростанции мгновенно отзовется в Москве, а не со скоростью света. Если Вам хочется, чтобы действо передавалось со скоростью света, то необходимо между электронами оставить маленькие, маленькие щелочки, при условии, что электроны абсолютно неупругие. Если щелочки Вам не нравятся, то допустите некую упругость электрона. Выбирайте, но учтите, что в этих вариантах скорость распространения действия будет зависеть от величины толчка первого электрона, т.е. от напряжения. Это по существу режимы близкодействия. Может быть, у кого-нибудь есть другая модель распространения тока. Мы предлагаем режим дальнодействия. В статье “Дальнодействие и короткодействие” пример дальнодействия:  сбить (привести в движение) яблоко можно тем, что бросить в него палку (дальнодействие) или держа палку в руке (близкодействие). Так и электрон должен бросить в следующий электрон “нечто”, да еще такое, чтобы оно летело со скоростью света. Единственное “нечто”, что может бросить, т.е. излучить, электрон – это фотон. Другого объекта наука пока не знает. Может быть, его и нет. Но электрон не может откуда-то что-то взять преобразовать его в фотон и затем излучить, кроме как из объекта, который приводит этот электрон в движение. Первый электрон может быть приведен в движение любым способом, или при соприкосновении электрического поля одного электрона с другим, или при взаимодействии электрона с фотоном. Следует заметить, что взаимодействие электрона с фотоном не всегда приводит к возникновению движения электрона в направлении движения фотона. Иногда этого движения может не быть вовсе, а иногда может быть движение навстречу фотону (гравитация).  

И так, первый электрон излучает фотон, который распространяется со скоростью света. Любой, встречающийся на пути фотона, свободный электрон пытается поглотить его, и в него это получается, но удержать фотон свободный электрон не может. И фотон в неизменном виде будет излучен электроном. Об этом говорит коэффициент преломления и то, что свободный электрон рассеивает фотон.        

В результате такого поглощения/излучения электрон получит импульс от фотона и точно такой же импульс отдаст следующему фотону. Электрон останется почти на прежнем месте и только в режиме рассеяния электрон может продвинуться на некоторое расстояние. Такое же явление произойдет со всеми электронами цепи от генератора до потребителя. От электрона до электрона ток течет в виде тока смещения. И это не важно, на каких расстояниях находятся электроны: почти рядом, как в проводах, или на некотором расстоянии как в трансформаторах, или на любых расстояниях, как между антеннами передатчика и приемника. В электрических цепях много конденсаторов, через которые проходит ток, но электрон через конденсатор может пройти только в случае его пробоя, то есть порчи. В остальных случаях через конденсатор течет ток смещения.         

Таким образом, можно с уверенностью говорить, что основными переносчиками энергии являются фотоны, а частицы являются трансляционными пунктами для передачи фотонов и генераторами фотонов.         

Распространения тока фотонами подтверждает такое явление, как увеличение передачи энергии при увеличении напряжения на передающей линии.        

Возьмем какую-нибудь линию и нагрузим ее. Пока нагрузка не большая в линии течет небольшой ток и ничего необычного не происходит. Но вот мы начинаем увеличивать нагрузку (уменьшать сопротивление цепи), не изменяя напряжения генератора. Вскоре мы увидим, что соединительная линия начинает нагреваться. Чем больше нагрузка, тем сильнее греется линия и, в конце концов, линия сгорит, если мощность источника тока довольно велика. Что нужно сделать, чтобы линия не сгорела? Увеличить толщину проводов или заменить их проводами с меньшим удельным сопротивлением. Или увеличить напряжение генератора, подобрав с соответствующими параметрами нагрузку. В последнем случае мы сможем передать большую энергию, не меняя толщины или качества линии. А что произошло в последнем случае? Увеличилось количество электронов в проводах? Нет, провода те же и свободных электронов осталось столько же. Может быть, срываются электроны с атомов вещества проводов? То же нет, иначе появились бы ионы в проводнике и это бы заметили. Тогда может быть электроны побежали быстрее в проводнике и никаких фотонов не нужно? Ни как нет, иначе бы скорость распространения электричества зависела бы от напряжения, и это сразу же ученый люд бы заметил, измерил и вывел бы математическую зависимость скорости передачи энергии от величины напряжения. К удивлению скорость распространения электрического сигнала равна скорости распространения света. В радиосвязи это вообще очевидно, с учетом конечно коэффициентов преломления, а в проводах это замаскировано кажущейся нам близостью электронов. Ну, так возможно электроны выстраиваются в более стройную цепочку, чтобы толкать друг друга? Как мы видели выше это маловероятно. Тепловое движение разрушит всю цепочку. Больше мало-мальски  вразумительные гипотезы на ум не приходят, и поэтому придется обратиться к фотону (набору квантов). Только поток фотонов и есть ток.           

Вспомним, что проводник греется потому, что электроны сталкиваются с атомами вещества проводника, то есть из-за сопротивления проводника. Чем больше столкновений, тем больше генерируется тепловых фотонов (в данном случае паразитных фотонов). А не остановленный электрон вполне может ретранслировать полученный фотон. Рассмотрим два электрона, которые могут передавать полезный фотон (Рис. 2)

Оба электрона находятся в положении А,  на электрон 1 действует напряжение U1, а на электрон 2 действует напряжение U2, которое больше чем напряжение U1. В положении В находится электрон, который является препятствием для движения свободного электрона 1 или 2. Мы рассмотрим явление проводимости для переменного тока, что вообще не является принципиальным для понятия данного явления. Просто так нагляднее. Переменное напряжение представим в синусоидальной форме.

При подаче на электрон 1 в точке А напряжения U1, например, в виде восходящей ветви, электрон получит ускорение а1. В результате этого он окажется в положении Б, в котором воздействие восходящей ветви закончится. Во время ускорения электрон излучит фотон определенной мощности, допустим 10 некоторых условных единиц. Данный фотон попадет на электрон В и здесь возможны такие пути развития события.

  1. Если электрон свободен он получит импульс о фотона, излученного электроном в положении Б, поглотит его, но поскольку фотон не резонансный для свободного электрона, то он излучит этот фотон и остановиться, получив обратный импульс. Произойдет трансляция фотона.
  2. Если электрон в положении В связан, то ему двигаться некуда, но он все равно поглотит фотон (он не знает, что это за фотон, возможно фотон резонансный и он обязан его поглотить насовсем) и когда фотон окажется не пригодный для данного состояния электрона, то он излучит этот фотон в виде отраженного. Отраженный фотон своей энергией возвратит электрон из положения Б в положение А, так как в это время движущая сила напряжения U1 с электрона снята.        

Таким образом электрон будет колебаться согласно частоте напряжения и, например, в сечении между А и Б мы сможем наблюдать движение электронов. А это ничто иное, как ток проводимости. Но это так называемый реактивный ток. Он нагружает генератор, но бесполезен для потребителя. Если поставить нагрузку в виде емкости, то конечных связанных электронов будет тем больше, чем больше емкость. Это позволит большему количеству свободных электронов двигаться одновременно в цепи, то есть реактивный ток увеличиться. В этом случае после окончания восходящей ветви питающего напряжения движение электронов прекращается, но в это время на конденсаторе накопилось определенное количество электронов, а это напряжение. Напряжение есть, а тока нет. И никакая полезная работа не производится. 

С другой стороны если на пути от А до В поставить много свободных электронов, то каждый из электронов обязан (согласно принципу Гюйгенса, как описано чуть выше) произвести процедуру поглощения и затем излучения фотона передаваемой энергии. Как ни странно, но на эту процедуру требуется время и время не малое. Это обычный коэффициент преломления, выполненный в виде линии задержки. Конечно, блюстители классики будут возражать. Там никаких фотонов нет, просто магнитное поле тормозит скорость электронов. Вот вам и задержка. Тогда возьмите провод длиной в 1 километр и запустите в него сигнал. Опыт показывает, что скорость самого электрона равна ~0,1-1 мм/сек. И как скоро появится сигнал на конце провода? Через 106 секунд. Вы скажете, что это не те электроны, это те которые расположенные ближе к концу провода. Ну, о том, что электроны толкают друг друга, мы уже говорили. Как видим, в этом случае может быть такая ситуация, что напряжение на генераторе уже закончилось, а ток все идет.               

Что может быть в этом случае интересным, так это такой эксперимент. Естественно мысленный. Если возьмем кого-нибудь желающего и перед каждым, именно перед каждым, излучаемым и принимаемым фотоном в его организме поставим цепочки электронов, задерживающими эти фотоны в сто раз, то такой желающий будет жить в сто раз дольше. Правда он будет в сто раз медленней двигаться, говорить, пить и все остальное. Из этого следует простой вывод, что физической сущностью времени является скорость генерации фотонов. Здесь мы получили замедление времени набором количества генераций фотонов. Но можно замедлить генерацию каждого фотона путем увеличения скорости движения электрона относительно вакуума. 

А что будет происходить, если к линии подсоединить нагрузку в виде электрической лампочки? В начале все будет происходит также, но не будет отраженного фотона. По этой причине электрон 1 получив ускорение а1 будет двигаться с некоторой скоростью вдоль проводника. Излученный им фотон попадает в нить электрической лампочки или газовую смесь газоразрядной лампы, где поглощается связанным электроном и в зависимости от свойств связности электрона его энергия делится на различные виды энергии в разных пропорциях.

Выше мы рассмотрели случаи, когда фотон поглощался, излучался или отражался целиком. Но такое явление происходит далеко не всегда. Эффект Комптона, рассеяние света на электронах, свет ламп, тепло нагревательных приборов и тому подобное показывает, что генерируемые источником токи фотоны дробятся или суммируются в различных сочетаниях. Электрон это универсальный природный сумматор фотонов. Его действия зависят от условий его связности и скорости. Например, попавший на определенный электрон фотон может поделить свою энергию на другой фотон и на кинетическую или потенциальную энергию электрона. Так возникают фотоны видимого спектра, теплового, микроволнового, рентгеновского, тормозного и т.п.

Таким образом энергия излученного в точке Б фотона произвела полезную для нас работу в виде образования фотона света, что нам и нужно. Но другие фотоны или части этого же фотона образовали тепловые фотоны, что для нас в данном случае не целесообразно. Соотношение количества полезных фотонов к побочным и есть коэффициент полезного действия лампочки. В данной системе желательно получать больше световых фотонов, а в утюге, наоборот, желательно получить больше тепловых фотонов. Если энергия фотона поделиться в соотношении в пользу кинетической энергии электрона, и этот электрон находится в магнитном поле, то электрон изменит направление движения и потянет за собой атом и проводник в целом в определенном направлении, то есть начнет вращать ротор электромотора.

Возвратимся к вопросу, как при большем напряжении по одной и той же линии передается большая мощность. Выше мы видели, что приложение к электрону 1 в точке А приводит к генерации фотона мощностью 10 условных единиц. В результате воздействия на электрон напряжения U1 был излучен фотон, сам электрон перешел на позицию Б и после снятия напряжения (восходящая ветвь кончилась) должен двигаться с новой приобретенной скоростью. Но в это время произошла на линии перемена полюсов на линии, и теперь восходящая ветвь будет двигать электроны в обратном направлении. Пусть он продвинулся за время смены полюсов до положения Б2, но столкновения с электроном в положении В пока не произошло, потом обратное напряжение развернет его в обратную сторону.

Если к электрону 2 приложить напряжение U2, например, в два раза большее, чем U1,  то электрон получит ускорение а2 большее чем а1, а это значит, что электрон 2 генерирует фотон большей мощности, чем электрон 1, условно 20 единиц. Поскольку ускорение электрона 2 больше чем ускорение электрона 1, то и путь пройденный электроном за одно и тоже колебание напряжения будет больше, например, от позиции А до позиции Б2. Если электрон 2 не достиг позиции В, то фотон продолжить свой путь и возможно будет участвовать в произведении полезной работы. В общем, при одинаковой частоте напряжений U1 и U2 за единицу времени во втором случае энергии будет передано в два раза больше, чем в первом.

Это явление еще раз подтверждает, что энергия передается фотонами, так как электроны находятся на довольно большом расстоянии. По одному и тому же проводу можно передать и 220 вольт и 220 киловольт, при почти одинаковых омических потерях мощности.

Конечно, можно поставить вопрос, почему фотоны частоты 50 Гц не рассеиваются в пространство, а движутся по проводу? Фотон может двигаться только прямо, а проводник может быть изогнут как угодно. Ведь рассеиваются фотоны видимого спектра в лампочке, тепловые фотоны в нагревателях, радиоволновые фотоны в антеннах и тому подобное. Вся надежда на то, что электроны не вылетают из провода, а движутся вдоль его и поэтому излучают и переизлучают фотоны вдоль провода. Движутся они вдоль проводника, потому что отражаются от стенок проводника из-за различных сред на границе. И еще, волоконно-оптическая связь показывает, что фотоны могут двигаться по любой изогнутой линии почти без потерь.

Можно сделать вывод, что носителем электромагнитной энергии является фотон, а хранится он в электроне, точнее является частью электрона.

Фотон может участвовать в таких явлениях.

  1. Образовывать реактивные токи, которые частично нагружают генератор.
  2. Использоваться для получения полезной работы.
  3. Рассеиваться в виде потерь.
  4. Циркулировать в цепи не рассеиваясь и не выполняя полезной работы. Практически это явление возможно в сверхпроводящей среде и подобно циркуляции воды в трубе без сопротивления.