Электрический ток

Для того, чтобы заставить упорядоченно двигаться в одном направлении обилие свободных электронов, например, в нити накала электрической лампочки, нужно создать в проводнике электрическое поле, подключив, например, проводник к гальваническому элементу. Первый практический гальванический элемент был создан итальянским физиком Александром Вольтой .

Элемент состоит из цинковой и медной пластинок, называемых электродами, которые помещены в электролит - раствор соли или кислоты, например серной. В результате химической реакции, происходящей между электродами и электролитом, на цинковом электроде образуется избыток электронов, и он приобретает отрицательный электрический заряд, а на медном, наоборот,- недостаток электронов, и он приобретает положительный заряд. При этом между разноименными электрическими зарядами такого источника тока возникает электрическое поле, действует электродвижущая сила (сокращенно ЭДС) или напряжение. Как только проводник окажется подключенным к полюсам элемента или батареи, в нем возникнет электрическое поле, под действием которого электроны будут двигаться туда, где их недостаток, то есть от отрицательного полюса через проводник к положительному полюсу источника электрической энергии. Это и есть упорядоченное движение электронов в проводнике - электрический ток. Ток течет через проводник потому, что в получившейся цепи (положительный полюс элемента, проводники, отрицательный полюс элемента, электролит) действует электродвижущая сила.

Установлено, что электроны в проводнике движутся от отрицательного полюса (где избыток их) к положительному (где недостаток в них), однако и сейчас, как в прошлом веке, принято считать, что ток течет от плюса к минусу, т.е. в направлении, обратном движению электронов. Условное направление тока, кроме того, положено учеными в основу ряда правил, связанных с определением многих электрических явлений. В то же время такая условность никаких особых неудобств не создает, если твердо помнить, что на правление тока в проводниках противоположно направлению движения электронов. В тех же случаях, когда ток создается положительными электрическими зарядами, например в электролитах химических источников постоянного тока, ток «дырок» в полупроводниках, таких противоречий вообще нет, потому что направление движения положительных зарядов совпадает с направлением тока. Пока элемент или батарея действуют, во внешнем участке электрической цепи ток течет в одном и том же направлении. Такой ток называют постоянным.

Если полюсы элемента поменять местами, то изменится только направление движения электронов, но ток и в этом случае будет постоянным. А если полюсы источника тока менять местами очень быстро и к тому же ритмично? В этом случае электроны во внешнем участке цепи тоже будут попеременно изменять направление своего движения. Сначала они потекут в одном направлении, затем, когда полюсы поменяют местами - в другом, обратном предыдущему, потом вновь в прямом, опять в обратном и т. д. В цепи будет течь уже не постоянный, а переменный ток.

При переменном токе электроны в проводнике как бы колеблются из стороны в сторону. Поэтому переменный ток называют также электрическими колебаниями. Переменный ток выгодно отличается от постоянного тем, что он легко поддается преобразованию. Так, например, при помощи трансформатора можно повысить напряжение переменного тока или, наоборот, понизить его. Переменный ток, кроме того, можно выпрямить, то есть преобразовать в постоянный ток.

Отрывок из книги Николая Левашова "Неоднородная Вселенная" , Глава 3. Неоднородность пространства и качественная структура физически плотного вещества.

В классической физике под электрическим током понимается направленное движение электронов от плюса к минусу. Вроде бы, всё предельно просто, но, к сожалению, это - иллюзия. Что такое электрон, классическая физика не объясняет, за исключением того, что электрон объявляется отрицательно заряженной частицей. Но, что такое отрицательно заряженная частица, никто не удосужился объяснить.

В то же время, отмечалось, что электрон обладает дуальными (двойственными) свойствами, как частицы, так и волны. Даже в этом определении скрыт ответ. Если какой-то материальный объект обладает свойствами, как волны, так и частицы, то это может означать только одно - он не является ни тем, ни другим. По своей природе, частица и волна, в принципе, не совместимы и не нужно совмещать несовместимое. Что такое электрон мы детально разобрались выше, поэтому перейдём к следующей части объяснения электрического тока. Направленное движение, казалось бы, что может быть проще - движение в заданном направлении. Всё это так, но существует маленькое «но ». Электроны вообще не двигаются в проводнике , по крайней мере, то, что понимают под электроном. А если предположить, что они двигаются, то должна быть скорость их передвижения в проводнике.

Давайте вспомним объяснение природы постоянного тока. Электроны в проводнике распределены неравномерно в радиальном направлении, в результате чего возникает радиальный градиент (перепад) электрического поля. Перепад электрического поля индуцирует магнитное поле в перпендикулярном направлении, которое, в свою очередь, индуцирует перпендикулярное электрическое поле и т.д. Но, опять таки, понятия электрического и магнитного полей вводятся в виде постулатов, т.е., принимаются без каких-либо объяснений. Получается интересная ситуация, новые понятия объясняются другими, которые сами были приняты без объяснений и поэтому, подобные объяснения не выдерживают критики. Стоит только вдуматься в значение слов и красивая фраза превращается в бессмыслицу. Но, тем не менее, если закрыть на это глаза и провести рассчёт скорости распространения поверхностного заряда по соответствующим формулам, полученный результат окончательно поставит все точки над «i » . Скорость получается несколько миллиметров в секунду. Казалось бы, всё вроде бы прекрасно, но это только кажется. Так как, после замыкания цепи, электрический ток в ней появляется мгновенно, вне зависимости от того, как далеко находится источник постоянного тока, и результаты расчётов становятся лишёнными какого-либо физического смысла. Факты из реальной жизни полностью опровергают теоретические объяснения. И, наконец, что такое «плюс» и «минус»?! Снова никаких объяснений. В результате простого анализа, мы пришли к выводу, что общеупотребляемое в физике понятие электрического тока не имеет под собой никакого обоснования, другими словами, с существующих на данный момент позиций современная физика не может объяснить природу электрического тока. При всём при том, что это - реальное физическое явление.

В чём же дело, какова же, всё-таки, природа этого явления?!

Давайте попытаемся подойти к пониманию этого явления с несколько других позиций. Вспомним, что ядро любого атома влияет на свой микрокосмос. Только степень этого влияния у ядер разных элементов, весьма различна. В случае образования из атомов одного элемента или молекул, состоящих из атомов разных элементов, кристаллических решёток, возникает однородная среда, в которой все атомы имеют одинаковый уровень мерности. Для более глубокого понимания этого явления, рассмотрим механизмы образования молекул из отдельных атомов. При этом, вспомним, что восстановление исходного уровня мерности макрокосмоса происходит по следующим причинам. Шесть сфер из гибридных форм материй, возникшие внутри неоднородности, компенсируют деформацию пространства, возникшую в результате взрыва сверхновой. При этом, гибридные формы материй увеличивают уровень мерности макропространства в пределах объёма, который они занимают. При мерности пространстваL=3,00017 все формы материй нашей Вселенной уже никак друг с другом не взаимодействуют. Примечательно, что все излучения, известные современной науке, являются продольно-поперечными волнами, которые возникают, как результат микроскопических колебаний мерности пространства.

3.000095 < L λ < 3.00017

0 < ΔL λ < 0.000075 (3.3.2)

Скорость распространения этих волн меняется, в зависимости от уровня собственной мерности среды распространения. Когда излучения Солнца и звёзд проникают в пределы атмосферы планеты, скорость их распространения в этой среде уменьшается. Так как собственный уровень мерности атмосферы меньше собственного уровня мерности открытого пространства.

2.899075 < L λ ср. < 2.89915

0 < ΔL λ ср. < 0.000075 (3.3.3)

Другими словами, скорость распространения продольно-поперечных волн зависит от собственного уровня мерности среды распространения. Что обычно выражается коэффициентом преломления среды (n ср ). Продольно-поперечные волны при своём распространении в пространстве переносят это микроскопическое возмущение мерности ΔLλ ср . При пронизывании ими разных материальных субстанций, происходит накладывание ΔLλ ср . на уровень мерности этих веществ или сред. Внутреннее колебание мерности, возникшее, как результат такой интерференции (сложения), является катализатором большинства процессов, происходящих в физически плотной материи. В силу того, что атомы разных элементов имеют разные подуровни мерности, они не могут образовывать новые соединения (Рис. 3.3.10).

При распространении продольно-поперечных волн в среде, микроскопическое возмущение мерности ими вызываемое, нейтрализует различия значений уровней собственной мерности разных атомов. При этом, электронные оболочки этих атомов сливаются в одну, образуя новое химическое соединение, новую молекулу. Атомы можно сравнить с поплавками на поверхности воды. Продольно-поперечные волны поднимают и опускают на своих гребнях «поплавки»-атомы, тем самым, изменяя уровень их собственной мерности и создавая возможность новых соединений. Принципиально важны для реализации синтеза следующие параметры продольно-поперечных волн: амплитуда и длина волны (λ). Если расстояние между атомами соизмеримо с длиной волны, происходит взаимодействие между собственной мерностью этих атомов и мерностью волны. Влияние одной и той же волны на уровни мерности разных атомов - неодинаково. Мерность одних атомов увеличивается, а других - уменьшается или остаётся той же. Именно это и приводит к необходимому для слияния атомов балансу мерностей (Рис. 3.3.11).

Если же длина волны значительно превышает расстояние между атомами, то при этом, различие уровней мерностей атомов сохраняется или изменяется незначительно. Происходит синхронное изменение уровней собственной мерности всех атомов, и изначальное качественное различие уровней мерностей атомов сохраняется. Амплитуда волн определяет величину изменения мерности пространства, вызываемую этими волнами при их распространении в данной среде. Различие уровней мерностей между разными атомами требует различного уровня влияния на них. Именно амплитуда и выполняет эту функцию при распространении волн в среде. Величина расстояния между атомами в жидких и твёрдых средах лежит в диапазоне значений от 10 -10 до 10 -8 метра. Именно поэтому спектр волн от ультрафиолетовых до инфракрасных поглощается и излучается при химических реакциях в жидких средах. Другими словами, при соединении атомов в новом порядке, происходит выделение или поглощение тепла или видимого света (экзотермические и эндотермические реакции), так как только эти волны отвечают требуемым условиям. Итак, продольно-поперечные волны, от инфракрасных до гамма, являются микроскопическими колебаниями мерности, возникшими при термоядерных и ядерных реакциях. Амплитуда волн, участвующих в химических реакциях, определяется величиной разницы между уровнями мерностей атомов до начала реакции и атомов, возникших в результате этой реакции. И не случайно, излучение происходит порциями (квантами). Каждый квант излучения является результатом единичного процесса преобразования атома. Поэтому, при завершении этого процесса, прекращается и генерация волн. Выброс излучений происходит в миллиардные доли секунды. Соответственно, излучения поглощаются также квантами (порциями).

А теперь, рассмотрим кристаллические решётки. Кристаллические решётки образуются из атомов одного и того же элемента или из одинаковых молекул. Поэтому все атомы, образующие кристаллическую решётку, имеют одинаковый уровень собственной мерности. Причём, для каждой кристаллической решётки уровень собственной мерности будет свой. Возьмём два металла, имеющие различные уровни мерности (Рис. 3.3.12).

Они представляют собой две качественно разные среды, по-разному влияющие на окружающее пространство. Если они никак друг с другом не взаимодействуют, никаких необычных явлений не наблюдается. Но, стоит им только вступить в непосредственное взаимодействие, как появляются качественно новые явления. В зоне стыкования кристаллических решёток с разными уровнями собственной мерности, возникает горизонтальный перепад (градиент) мерности, направленный от кристаллической решётки с большим уровнем собственной мерности к кристаллической решётке с меньшим уровнем собственной мерности. Теперь, поместим между пластинами из этих материалов жидкую среду, насыщенную положительными и отрицательными ионами. В жидкой среде молекулы и ионы не имеют жёсткого положения и находятся в постоянном хаотичном движении, так называемом, броуновском. Поэтому под воздействием горизонтального перепада мерности ионы начинают двигаться упорядочено. Положительно заряженные ионы начинают двигаться к пластине с большим уровнем собственной мерности, в то время, как отрицательно заряженные ионы - к пластине с меньшим уровнем собственной мерности (Рис. 3.3.13).

При этом, происходит перераспределение ионов в жидкой среде, в результате чего, на пластинах происходит накапливание положительных и отрицательных ионов. Положительные ионы, при своих столкновениях с пластиной, захватывают из атомов кристаллической решётки пластины электроны, становясь, при этом, нейтральными атомами, которые начинают оседать на самой пластине, в то время, как в самой пластине возникает недостаток электронов. Причём, «бомбардировке» положительными ионами пластина будет подвергаться постоянно и по всей поверхности. Так как, при всём при этом, перепад мерности между двумя пластинами продолжает сохраняться и ионы из жидкой среды, под воздействием этого перепада, приобретают направленное движение. Хаотический процесс столкновений молекул и ионов жидкой среды между собой, приобретает качественно новый характер. Движение ионов и молекул становится направленным. При этом, поведение положительных и отрицательных ионов будет различным под воздействием существующего перепада мерности между пластинами. Горизонтальный перепад мерности создаёт условия, при которых, положительные ионы должны двигаться против перепада, в то время, как отрицательные ионы - вдоль этого перепада мерности. Положительные ионы вынуждены двигаться «против течения», в то время как отрицательные «по течению». В результате этого скорость движения, а следовательно энергия положительных ионов уменьшается, а отрицательных ионов - увеличивается. Ускоренные подобным образом отрицательные ионы, при столкновении с кристаллической решёткой, теряют избыточные электроны, становясь нейтральными атомами. Кристаллическая решётка, при этом, приобретает дополнительные электроны. И если теперь, соединить между собой эти две пластины с разными уровнями собственной мерности посредством провода из совместимого с ними материала, то в последнем (проводе) возникнет, так называемый, постоянный электрический ток - направленное движение электронов от плюса к минусу, где плюс - пластина, имеющая больший уровень собственной мерности, а минус - пластина имеющая меньший уровень собственной мерности. И если продолжить данный анализ, то перепад потенциалов между пластинами есть ни что иное, как перепад уровней собственной мерности кристаллических решёток этих пластин. В результате анализа этого процесса, мы пришли к пониманиюприроды постоянного тока .

Для понимания природы движения электронов в проводнике, необходимо чётко определиться с природой магнитного B и электрического E полей. Природа гравитационного поля любого материального объекта определяется перепадом мерности в зоне неоднородности, в которой произошёл процесс образования данного материального объекта. И в случае образования планеты, изначальной причиной возникновения подобного искривления пространства послужил взрыв сверхновой звезды. Перепад мерности направлен от краёв зоны неоднородности пространства к её центру, чем и объясняется направленность гравитационного поля к центру планеты или любого другого материального объекта. В силу того, что деформация пространства по-разному проявляется внутри зоны неоднородности, происходит синтез атомов разных элементов и, когда данный процесс происходит в масштабе всей планеты, происходит распределение вещества по принципу уровня собственной мерности. Что означает распределение вещества планеты по зонам, где данное вещество максимально стабильно. Это не означает, что атомы с отличными от оптимального значениями собственной мерности не могут синтезироваться в пределах данного объёма с конкретным значением мерности пространства. Это означает только одно, что атомы, имеющие уровень собственной мерности выше уровня мерности объёма пространства в котором произошёл этот синтез, становятся неустойчивыми и вновь распадаются на первичные материи, из которых они сформировались. И чем больше разница между уровнем собственной мерности образовавшегося атома и уровнем мерности пространства, в котором этот синтез произошёл, тем быстрей произойдёт распад этого атома. Именно поэтому происходит естественное перераспределение атомов, а следовательно и вещества внутри зоны неоднородности планеты. Именно поэтому происходит формирование поверхности планеты в том виде, к которому мы привыкли с самого рождения и воспринимаем, как должное. Необходимо иметь в виду, что любой атом имеет некоторый диапазон, в пределах которого он сохраняет свою устойчивость, а это означает, что вещество, образованное из этих атомов, тоже будет устойчиво в пределах этого диапазона. Твёрдая поверхность планеты просто повторяет форму зоны неоднородности пространства, в пределах которой, твёрдое вещество устойчиво, океаны, моря заполняют впадины, и атмосфера окружает всё это. Таким образом атмосфера располагается в верхней границе диапазона устойчивости физически плотного вещества, в то время, как собственно планета, находится в средней и нижней части этого диапазона...

А теперь, давайте вернёмся на уровень микромира и попытаемся понять природу магнитного и электрического полей. Рассмотрим кристаллическую решётку, образованную атомами одного и того же элемента или атомами нескольких элементов (Рис. 3.3.14).

В твёрдом веществе соседние атомы смыкаются своими электронными оболочками и образуют жёсткую систему, а это означает, что искривления микропространства, вызванные ядром одного атома, смыкаются с искривлениями микропространства соседнего и т.д. и образуют между собой единую систему искривления микропространства для всех атомов, сомкнувшихся между собой и образующих, так называемые, домены. «Связанные» подобным образом, атомы создают единую систему, состоящую из сотен тысяч миллионов атомов. Все атомы, входящие в эту систему, имеют одинаковый уровень собственной мерности, который, в большинстве случаев, отличается от уровня мерности микропространства, в котором находится эта система атомов. В результате, возникает перепад мерности, направленный против перепада мерности макропространства. Формируется зона взаимодействия между микропространством и макропространством. Встречный перепад мерности подобных систем атомов приводит к компенсации деформации мерности макропространства, в котором происходит синтез физически плотного вещества. При завершении процесса синтеза вещества, в зоне деформации мерности макропространства происходит взаимная нейтрализация - деформация мерности макропространства нейтрализуется встречными деформациями микропространства. Причём, деформация мерности макропространства в физике получило название гравитационного поля, в то время, как встречная деформация микропространства, созданная системой из атомов доменов создаёт, так называемое, магнитное поле домена, на уровне одного домена и магнитное поле планеты, на уровне планеты.

Магнитное поле планеты возникает, как совокупность магнитных полей всех доменов, существующих в физически плотном веществе планеты в целом. Совокупное магнитное поле планеты - на порядки меньше гравитационного поля планеты только по одной простой причине - мириады микроскопических магнитных полей доменов всей планеты ориентированны хаотично друг относительно друга и только незначительная их часть сориентированы параллельно относительно друг друга и сохраняют свою намагниченность, создавая магнитное поле планеты. Причём, домены образованные разными атомами, обладают и разной степенью намагничниченности. Намагниченность определяется способностью данного домена сохранять определённую направленность магнитного поля домена и в физике определяется площадью петли гистерезиса. Максимально свойства намагничивания проявляются у железа, сонастроенность доменов которого в масштабе планеты и формирует в основном магнитное поле планеты. Именно по этой причине аномальные залежи железосодержащих руд создают магнитные аномалии - локальные возмущения магнитного поля планеты в пределах данных аномалий.

Теперь, давайте разберёмся, какое влияние магнитное поле - встречный перепад мерности пространства - оказывает на сами атомы, его порождающие. При наличии магнитного поля, электроны атомов становятся более неустойчивыми, что в значительной степени увеличивает возможность их перехода не только на высшие орбиты одного и того же атома, но и возможность полного распада электрона у одного атома и синтез его у другого. Аналогичные процессы происходят, при поглощении атомом волн; отличие заключается лишь в том, что поглощение волн фотонов происходит каждым атомом в отдельности, в то время, как, под воздействием магнитного поля в возбуждённом состоянии одновременно оказываются миллиарды атомов одновременно, без какого-либо существенного изменения их агрегатного состояния (Рис. 3.3.15).

При наличии продольного перепада мерности, называемого постоянным электрическим полем, внешние электроны атомов, ставшие неустойчивыми под воздействием поперечного перепада мерности, называемогопостоянным магнитным полем , начинают распадаться на материи их образующие и, под воздействием продольного перепада мерности, начинают двигаться вдоль кристаллической решётки от большего уровня мерности, называемого плюсом, к меньшему уровню мерности, называемого минусом (Рис. 3.3.16).

Продольный поток первичных материй, высвободившихся при распаде внешних электронов одних атомов, попадая в расположение других атомов с меньшим уровнем собственной мерности, вызывает у этих атомов синтез электронов. Другими словами, электроны «исчезают» у одних атомов и «появляются» у других. Причём, это происходит одновременно с миллионами атомов одновременно и в определённом направлении. В так называемом, проводнике возникает постоянный электрический ток - направленное движение электронов от плюса к минусу. Только, в предложенном варианте объяснения, становится предельно ясно, что такое направленное движение, что такое «плюс» и «минус» и, наконец, что такое «электрон». Все эти понятия никогда не объяснялись и принимались, как должное. Только, чтобы быть предельно точным, следует говорить не о «направленном движении электронов от плюса к минусу», а о направленном перераспределении электронов вдоль проводника.

Как стало ясно из вышеизложенного объяснения, электроны не движутся вдоль проводника, они исчезают в одном месте, где уровень собственной мерности атомов становиться критическим для существования внешних электронов и образуются у атомов, у которых выполняются необходимые для этого условия. Происходит дематерилизация электронов в одном месте и материализация их в другом. Подобный процесс происходит в природе постоянно, хаотично и поэтому становится наблюдаемым только в случае управления этим процессом, что и осуществляется при искусственном создании направленного перепада мерности вдоль проводника. Хотелось бы отметить, что причинами проявления, как магнитного поля, так и электрического, являются перепады мерности (градиенты мерности) пространства, которые принципиально не отличаются друг от друга. Как в одном случае, так и в другом это перепад мерности между двумя точками пространства, имеющими, по той или иной причине, разные уровни собственной мерности. Различие в проявлении этих перепадов обусловлено только их пространственной ориентировкой по отношению к кристаллической решётке. Взаимоперпендикулярность двух перепадов мерности относительно, так называемой, оптической оси кристалла, приводит к качественному отличию реакции каждого атома на эти перепады мерности при полной тождественности природы самих перепадов. Анизотропность качественной структуры, как макропространства, так и микропространства приводит к качественно другим реакциям материи, заполняющей эти пространства, как на уровне макропространства, так и на уровне микропространства.

Понимание природы постоянного магнитного и электрического полей и природы их влияния на качественное состояние физически плотной материи позволяет понять и природу переменного электромагнитного поля. Переменное магнитное поле влияет на один и тот же атом по-разному, в разных фазах своего качественного состояния. При нулевой напряжённости переменного магнитного поля, естественно, влияние на качественное состояние атомов кристаллической решётки равно нулю. При прохождении через кристаллическую решётку условно положительной фазы напряжённости переменного магнитного поля, каждый атом начинает терять свои внешние электроны вследствие того, что дополнительное внешнее воздействие перепада мерности влияет на качественное состояние электронных оболочек атомов, не влияя существенно на качественное состояние атомных ядер. В результате этого, некоторые внешние электроны становятся неустойчивыми и распадаются на материи, их образующие. При прохождении условно отрицательной фазы напряжённости переменного магнитного поля наоборот создаются условия для синтеза электронов в зонах деформации микропространства, созданных под воздействием атомных ядер. Поэтому, при прохождении волны переменного магнитного поля через кристаллическую решётку возникает любопытная картина. Если у данного атома или атомов под воздействием магнитного поля внешние электроны стали неустойчивыми и распались на материи их образующие, то у впереди лежащих по оптической оси атома или атомов, та же самая волна создаёт благоприятные условия для синтеза электронов (Рис. 3.3.17)

Это создаёт перепад мерности (электрическое поле), смещённый по фазе на π/2 у расположенных впереди по оптической оси атомов, перпендикулярно переменному магнитному полю, вследствие чего, у этих атомов происходит синтез дополнительных электронов (Рис. 3.3.18).

Дополнительно синтезированные электроны, в свою очередь, создают перпендикулярно электрическому полю смещённый по фазе на π/2 перепад мерности (магнитное поле). И, как следствие всего этого, по проводнику происходит распространение переменного электрического тока вдоль оптической оси (Рис. 3.3.19). По аналогичному принципу в пространстве распространяются электромагнитные волны.

Таким образом, переменное магнитное поле порождает в проводнике переменный электрический ток, который, в свою очередь, порождает переменное магнитное поле в том же проводнике. При наличии вблизи одного проводника с переменным магнитным полем другого, в последнем возникает так называемый индуцированный электрический ток. И, как следствие, появилась возможность создать генератор электрического тока, в котором вращательное движение турбины преобразуется в переменный электрический ток. Наложение на конкретное микропространство, с конкретными свойствами и качествами внешнего воздействия, в виде перепада (градиента) мерности приводит к тому, что свойства и качества микропространства в зоне наложения изменяются. В силу того, что пространство, как на макроуровне, так и микроуровне - анизотропно, т.е., свойства и качества пространства не одинаковы в разных направлениях, дополнительные внешние перепады мерности, в зависимости от того, в каком из направлений пространства они проявляются, будут вызывать различные реакции физически плотного вещества, заполняющего это пространство. При одной и той же природе перепада мерности, именно анизотропность пространства приводит к тому, что реакция физически плотной материи зависит от того, в каком из пространственных направлений проявляется этот перепад. Именно поэтому природа магнитного и электрического полей - тождественна, как ни парадоксально это звучит. Различие их свойств и качеств определяется именно их пространственными характеристиками. Именно тождественность природы магнитного и электрического полей и создаёт возможность их взаимодействия и взаимоиндуцирования.

Об электрическом поле и неоднородности пространства

В природе все вещества состоят из молекул. Молекула, в свою очередь, состоит из атомов, атом – из ядра, состоящего из не имеющих заряда нейтронов и положительных протонов, вокруг которого вращаются электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный:

Атом в целом электрически нейтрален, но при воздействии на него (например, при нагревании) он приобретает дополнительную энергию, в результате чего разрывается связь между ядром и наиболее удалённым электроном. Этот электрон уходит со своей орбиты, и весь атом становится положительно заряженным ионом. Оторвавшийся электрон либо начинает хаотическое движение (т.н. свободный электрон ), либо присоединяется к другому атому, превращая его в отрицательно заряженный ион.

Если к концам проводника подсоединить источник ЭДС (например, батарею), то движение свободных электронов в проводнике станет упорядоченным, т.е., по проводнику потечёт электрический ток. Упорядоченное движение электронов называется электрически током. Количество свободных электронов характеризует способность материала проводить электрический ток. Количество электронов, равное 6,23 10 19 принято считать, как 1 Кулон (Кл). При силе тока 1А за 1с в проводнике проходит количество электричества, равное 1Кл.

Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Проводники делятся на 2 класса:

1 класс - металлы и сплавы

2 класс - водные растворы кислот, солей и щелочей.

Полупроводники пропускают ток только в одном направлении.

Диэлектрики не имеют свободных электронов, поэтому не проводят электрический ток.

- Электрический потенциал (читается «фи» ).

Если в электрическом поле положительного заряда находится другой положительный заряд, то эти заряды стремятся оттолкнуться друг от друга. При этом совершается определённая работа (W ) за счёт совместного действия полей обоих зарядов. Отношение этой энергии к величине заряда (q ) называется электрическим потенциалом:

φ = W /q , то есть 1В=

Т.к. энергия совместного поля зарядов W при отдалении двух зарядов ослабевает, то и электрический потенциал в разных точках проводника будет разным.

- Электрическое напряжение.

Электрическим напряжением называется разность потенциалов между двумя точками проводника. Измеряется в вольтах (В), обозначается U:

U = φ 1 – φ 2 = E

-ЭДС.

Если два разноимённо заряженных тела соединить проводником, то свободные электроны начнут направленное движение, т.е., по проводнику потечёт электрический ток. Он будет протекать до тех пор, пока напряжение (разность потенциалов) на концах проводника не станет равным нулю. Для непрерывности процесса необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов, т.е., к концам проводника необходимо присоединить источник электрической энергии – источник ЭДС (электродвижущей силы), например, генератор или АКБ. Источник электрической энергии, соединённый с потребителем при помощи проводов (проводников) образует замкнутую электрическую цепь. При этом в электротехнике принято считать, что ток движется от «+ » к «- ». Единица измерения - Вольт (В).

- Сила тока.

Силой тока (I ) называется количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за 1сек.

I = , где q - количество электричества (Кл), t - время (с).

Сила тока измеряется в Амперах (А ).

- Сопротивление.

При движении свободных электронов в проводнике, они на своём пути сталкиваются с атомами, отдавая при этом часть своей энергии. Эта энергия переходит в тепловую и нагревает проводник. Каждый материал имеет свои свойства проводимости. Чем хуже проводимость (т.е., больше сопротивление движению электронов), тем больше нагрев проводника. Медь и алюминий имеют низкое сопротивление, а нихром и фехраль – высокое. Поэтому в электрических цепях подвижного состава метрополитена используют медные провода, а для ограничения силы тока применяют сопротивления из фехраля. Обозначение - R, единица измерения - Ом.

- Типы электрических соединений.

Существуют 3 основных типа электрических соединений:

1. Последовательное соединение. При этом все аппараты и приборы соединяются в единую непрерывную цепь, как лампы в ёлочной гирлянде. Если в такой гирлянде (с последовательным соединением) перегорит хотя бы одна лампа, то погаснет вся гирлянда. В последовательной цепи сила тока одинакова на всех участках, общее сопротивление всей цепи будет равно сумме всех сопротивлений: R общ =R 1 +R 2 +R 3 , а общее напряжение будет равно сумме напряжений на каждом участке цепи: U общ =U1+U 2 +U 3 Для расчёта последовательной цепи применяют Закон Ома для неразветвлённой цепи:

I = , где U - напряжение, R - сопротивление или R =

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ.

Электротехника - это область техники, связанная с получением, распределением, преобразованием и использованием электрической энергии, а также - c разработкой, эксплуатацией и оптимизацией электронных компонентов, электронных схем и устройств, оборудования и технических систем. Под электротехникой также понимают техническую науку, которая изучает применение электрических и магнитных явлений для практического использования.

Основное отличие электротехники от электроники заключается в том, что электротехника изучает проблемы, связанные с силовыми крупногабаритными электронными компонентами: линии электропередачи, электрические приводы, в то время, как в электронике основными компонентами являются компьютеры и другие устройства на базе интегральных схем, а также сами интегральные схемы.

Природа электричества.

В природе все вещества состоят из молекул. Молекула, в свою очередь, состоит из атомов, атом – из ядра, а ядро - из положительных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Вокруг ядра на орбитах вращаются электроны. Ядро имеет положительный заряд, а электроны – отрицательный:

Атом в целом - электрически нейтрален, но при воздействии на него (например, при нагревании) он приобретает дополнительную энергию, в результате чего разрывается связь между ядром и наиболее удалённым электроном. Этот электрон уходит со своей орбиты и весь атом становится положительньно заряженным ионом. Оторвавшийся электрон либо начинает хаотическое движение (так называемый свободный электрон ), либо присоединяется к другому атому, превращая его в отрицательно заряженый ион.

Процесс превращения нейтральных атомов в электрически заряженные частицы - ионы - называют ионизацией . Ионизация может возникнуть только при сообщении атому определенного количества энергии: в виде тепла, путем бомбардировки его какими-либо частицами, например, при воздействии внешнего электрического поля.

В природе существуют вещества, имеющие или не имеющие свободных электронов. В зависимости от этого они делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

· Проводники делятся на 2 класса:

• 1 класс - металлы и сплавы
• 2 класс - водные растворы кислот, солей и щелочей.
• Полупроводники пропускают ток только в одном направлении.
• Диэлектрики не имеют свободных электронов, поэтому они не проводят электрический ток.

Следует отметить, что в технике, кроме металлических проводников, используют и неметаллические. К таким проводникам относится, например, уголь, из которого изготовляют щетки электрических машин, электроды для прожекторов и пр. Проводниками электрического тока являются толща земли, живые ткани растений, животных и человека. Проводят электрический ток сырое дерево и многие другие изоляционные материалы во влажном состоянии (из-за содержания в них проводников второго класса).

Если к концам проводника подсоединить источник электродвижущей силы - ЭДС (например, батарею), то движение свободных электронов в проводнике станет упорядоченным, то есть, по проводнику потечёт электрический ток. Это упорядоченное движение электронов называется электрически током.

Количество свободных электронов характеризует способность материала проводить электрический ток. Количество электронов, равное 6,24 10 18 принято считать, как 1 Кулон (Кл ). При силе тока 1А за 1с в проводнике проходит количество электричества, равное 1Кл .

Металлы – хорошие проводники электрического тока. Проводимость в металлах обусловлена наличием в них свободных электронов, которые сравнительно легко отрываются от атомов. Образуя положительный ион и свободный электрон.

В отсутствие электрического поля электроны движутся беспорядочно, участвуя в тепловом (хаотическом) движении.

Под действием электрического поля электроны начинают упорядоченно перемещаться между ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки, со средней скоростью порядка 10 -4 м/с, образуя электрический ток.

Экспериментальное доказательство того, что проводимость металлов обусловлена движением свободных электронов, было дано в опытах Л.И. Мандельштама и Н.Д. Папалекси в 1912г (результаты не были опубликованы), а также Т. Стюарта и Р. Толмена в 1916 г.

Идея опытов : если резко тормозить движущийся кусок металла, то находящиеся в нем свободные заряды, двигаясь по инерции, будут скапливаться у переднего его конца, и между концами проводника возникает разность потенциалов.

Опыт Мандельштама и Папалекси

Катушка, соединенная с телефоном, приводилась в колебательное движение вокруг своей оси. Благодаря инерции свободный зарядов на концах катушки возникала переменная разность потенциалов, и телефон издавал звук.

Это были лишь качественные опыты. Никакие измерения и количественные расчеты в этих опытах не были произведены.

Опыт Стюарта и Толмена

Катушка большого диаметра с намотанным на ней металлическим проводом приводилась в быстрое вращение и затем резко тормозилась. При торможении катушки свободные заряды в проводнике продолжали некоторое время двигаться по инерции. Вследствие движения зарядов относительно проводника в катушке возникал кратковременный электрический ток, который регистрировался гальванометром присоединённым к концам проводника с помощью скользящих контактов.

Направление тока свидетельствовало о том, что он обусловлен движением отрицательно заряженных частиц.

Измеряя заряд, проходящий через гальванометр за все время существования тока в цепи, удалось определить отношение q 0 /m. Оно оказалось равным 1,8*1011Кл/кг. Это значение совпадает со значением аналогичного отношения для электрона, найденным из других опытов.

Таким образом было экспериментально установлено, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Зависимость сопротивления проводника R от температуры :

При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление.
Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура, - температурный коэффициент сопротивления (т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус)

Для металлов и сплавов
Обычно для чистых металлов принимается

Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры
увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи.

Явление сверхпроводимости

Низкотемпературная сверхпроводимость:
наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах; при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится ничтожно малым.

В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

Трудность достижения сверхпроводимости:
- необходимость сильного охлаждения вещества

Область применения:
- получение сильных магнитных полей;
- мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах.