Скорость распространения электрического тока. С какой скоростью двигается электрон

Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце. Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги. И если теперь послать сигнал по этой линии из города в деревню, то через какое время он сможет быть там принят?

Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка, значит в проводнике установится ток (допустим, мы используем постоянный ток от ).

100 - это длина каждой из жил нашего провода в километрах, а 300000 километров в секунду - скорость света - скорость распространения в вакууме. Да, «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.

Но тот факт, что электроны начинают приходить в движение друг за другом со скоростью света вовсе не означает, что сами электроны движутся в проводнике со столь огромной скоростью. Электроны или ионы, в металлическом проводнике, в электролите или в другой проводящей среде, не могут двигаться так быстро, то есть носители заряда не движутся друг относительно друга со скоростью света.

Скорость света в данном случае - это та скорость, с которой носители заряда в проводнике начинают друг за другом приходить в движение, то есть это скорость распространения поступательного движения носителей заряда. Сами же носители заряда имеют «дрейфовую скорость» при установившемся токе, скажем в медном проводнике, всего несколько миллиметров в секунду!

Поясним этот момент. Допустим, у нас есть заряженный конденсатор, и мы присоединяем к нему длинные провода от нашей лампочки, установленной в деревне на расстоянии в 100 километров от конденсатора. Присоединение проводов, то есть замыкание цепи осуществляем выключателем вручную.

Что произойдет? При замыкании выключателя начинается движение заряженных частиц в тех частях проводов, которые присоединены к конденсатору. Электроны покидают минусовую обкладку конденсатора, электрическое поле в диэлектрике конденсатора уменьшается, положительный заряд противоположной (плюсовой) обкладки уменьшается - на нее забегают электроны из присоединенного провода.

Так разность потенциалов между обкладками уменьшается. А так как электроны в прилегающих к конденсатору проводах начали двигаться, то на их места приходят другие электроны из отдаленных мест провода, иначе говоря начинается процесс перераспределения электронов в проводе из-за действия электрического поля в замкнутой цепи. Этот процесс распространяется все дальше и дальше по проводу и наконец достигает нити накаливания сигнальной лампы.

Итак, изменение электрического поля распространяется по проводнику со скоростью света, активируя электроны в цепи. Но сами электроны движутся гораздо медленнее.

Прежде чем пойти дальше, рассмотрим гидравлическую аналогию. Пусть из деревни в город по трубе подается минеральная вода. Утром в деревне запустили насос, и он стал повышать давление воды в трубе, чтобы заставить воду из деревенского источника двигаться в город. Изменение давления распространяется по трубопроводу очень быстро, примерно со скоростью 1400 км/с (зависит от плотности воды, от ее температуры, от величины давления).

Спустя долю секунды после пуска насоса в деревне, вода начала двигаться уже в городе. Но та же ли это вода, что движется в данный момент в деревне? Нет! Молекулы воды в нашем примере толкают друг друга, а сами движутся значительно медленнее, поскольку скорость их дрейфа зависит от величины напора. Толкотня молекул между собой распространяется на много порядков быстрее чем движение молекул вдоль трубы.

Так и с электрическим током: скорость распространения электрического поля аналогична распространению давления, а скорость движения электронов, образующих ток, аналогична движению непосредственно молекул воды.

Теперь вернемся непосредственно к электронам. Скорость упорядоченного движения электронов (или других носителей заряда) называют дрейфовой скоростью. Ее электроны приобретают благодаря действию .

Если внешнего электрического поля нет, то электроны движутся хаотично внутри проводника лишь в тепловом движении, но направленного тока нет, и следовательно дрейфовая скорость в среднем оказывается равной нулю.

Если внешнее электрическое поле приложено к проводнику, то в зависимости от материала проводника, от массы и заряда носителей заряда, от температуры, от разности потенциалов, - носители заряда придут в движение, но скорость этого движения будет существенно меньше скорости света, порядка 0,5 мм в секунду (для медного проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, средняя скорость дрейфа электронов составит 0,6–6 мм/c).

Эта скорость зависит от концентрации свободных носителей заряда в проводнике n, от площади сечения проводника S, от заряда частицы e, от величины тока I. Как видите, несмотря на то, что электрический ток (фронт электромагнитной волны) распространяется по проводнику со скоростью света, сами электроны движутся куда медленнее. Получается, что скорость тока - это очень малая скорость.

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает. На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале.

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии . Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой. При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

Лекция 4. Электрическое поле

Человек существует в гравитационном поле, которое он в принципе не может устранить. Электрическое поле можно создавать и уничтожать в простых опытах. Поэтому экспериментально изучать электрическое поле можно на гораздо более глубоком уровне, чем гравитационное. Фактически общее понятие физического поля формируется в сознании учащихся именно при изучении электрического поля.

В электростатике имеют дело с электрическими полями, создаваемыми неподвижными зарядами. Такие не изменяющиеся с течением времени поля называются электростатическими. Но, усвоив понятие электростатического поля, вскоре учащиеся должны овладеть понятиями стационарного электрического, вихревого электрического и электромагнитного полей. Поэтому уже в электростатике нужно зна комить учащихся с полями, которые не являются электростатическими.

Это необходимо ещё и потому, что в реальной электростатике никогда не имеют дела с не изменяющимися во времени зарядами. Действительно, при электризации заряды разделяются и возрастают, заряженные электрометры постепенно разряжаются, заряды проходят по проводникам и перемещаются вместе с заряженными телами. Поэтому при изучении электростатики необходимы начальные представления и об электрическом токе, и о переменных электрических полях.

Но главное, в чём должны быть убеждены учащиеся, – это в реальности существования электрического поля, которое создаётся электрическими зарядами и передаёт их взаимодействие, и которое окружает всех нас постольку, поскольку мы пользуемся электричеством. Эта убеждённость должна опираться на систему экспериментальных доказательств, а не на авторитет учебника или учителя.

4.1. Понятие электрического поля. Опыт показывает, что заряженное тело вызывает притяжение или отталкивание другого заряженного тела на расстоянии. Непредвзято анализируя этот и другие эксперименты, вряд ли можно согласиться со странным утверждением, будто один заряд действует на другой непосредственно через пустое пространство. С этим не мог согласиться и великий экспериментатор М.Фарадей, хотя многие теоретики его времени, следуя И.Ньютону, были убеждены в справедливости так называемой теории дальнодействия. Фарадей считал, что заряд порождает вокруг себя особый вид материи – электрическое поле , – которое простирается до бесконечности и отличается от иных видов материи тем, что способно действовать на другой заряд.

Понятие электрического поля, подобно понятию заряда, относится к основным, или фундаментальным, физическим понятиям и не может быть определено формально. Существование электрического поля подтверждается всей совокупностью экспериментов электродинамики – нет ни одного опыта, которому противоречила бы концепция электрического поля.

Можно поставить опыты, наглядно показывающие электрическое поле, созданное зарядами.

В плоский сосуд, наполненный густым маслом, введём два проводящих шарика и насыпем лёгкий сыпучий непроводящий порошок, например манную крупу или мелко настриженный волос. На шарики подадим разноимённые заряды.

При этом будем наблюдать, как первоначально хаотически ориентированные частички выстраиваются в линии, начинающиеся на одном и заканчивающиеся на другом заряде. Таким образом, в каждой точке пространства между двумя зарядами имеется субстанция, которой не было при отсутствии зарядов. Это и есть электрическое поле. Частицы выстраиваются в линии потому, что со стороны электрического поля на них действуют силы. Поэтому линии между электродами, которые обозначают частицы, называются силовыми линиями электрического поля.

4.2. Энергия электрического поля. При электризации трением, давлением или посредством электростатической индукции разноимённые заряды возникают за счёт механической работы. Значит, для создания электрического поля надо совершить работу. В электрическом поле заряженные тела начинают перемещаться и поворачиваться. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу. Таким образом, электрическое поле обладает энергией.

При разряде заряженных тел электрическое поле исчезает, и его энергия превращается в кинетическую энергию движущихся зарядов. В металлах это электроны, в жидкостях и газах – электроны и ионы. Кинетическая энергия зарядов превращается в другие виды энергии. Например, если при разряде возникает электрическая искра, то энергия электрического поля в конечном итоге превращается в механическую (звук), тепловую (нагрев), световую (вспышка).

4.3. Скорость распространения электрического поля. Доказать существование электрического поля можно только экспериментально. Пусть два заряженных тела расположены на некотором расстоянии друг от друга. Сдвинем одно из них на небольшое расстояние. Тогда изменится сила, действующая на второе тело, и оно также переместится на соответствующее расстояние. Если электрическое поле реально существует, то перемещение второго тела должно произойти спустя некоторое время, в течение которого изменение поля вблизи первого тела дойдёт до второго.

Опыты с заряженными телами показывают, что электрическое воздействие одного заряженного тела на другое происходит мгновенно. Давайте вдумаемся в это утверждение. Мгновенно – значит моментально, в тот же момент времени. Поэтому промежуток времени между перемещением первого заряда и откликом на это перемещение второго заряда должен быть равен нулю. Но ни один эксперимент не позволяет измерить как угодно малый промежуток времени. Значит, опыты по перемещению зарядов, на которые мы ссылались, доказывают только то, что взаимодействие происходит за время, меньшее чувствительности использованных часов или иных измерителей времени.

Если перемещать заряд очень быстро и воздействовать им на заряд, который тоже может двигаться с большой скоростью, то, может быть, удастся измерить время распространения взаимодействия между зарядами? Но как заставить заряд быстро перемещаться? Понятно, что пытаться использовать механическое перемещение бесполезно. Вспомним, что при сближении заряженных противоположными зарядами шариков между ними проскакивает искра и шарики разряжаются. Это означает, что заряд с одного из них переходит на другой. Движение заряда при этом происходит очень быстро.

Воспользовавшись этим наблюдением, соберём экспериментальную установку, состоящую из двух одинаковых пар проводящих стержней с разрядными промежутками между ними. Зарядим металлические шарики одной пары стержней зарядами +q и –q и начнём их сближать. Как только между шариками проскочит искра, появляется маленькая искорка между шариками и во втором диполе! Отсюда следует, что быстрое движение зарядов в одной точке пространства вызывает соответствующее движение зарядов в другой точке.

Казалось бы, мы не узнали ничего нового. Но это не так: заряды в обсуждаемом эксперименте движутся настолько быстро, что удаётся измерить время, необходимое для распространения изменения электрического состояния на некоторое расстояние. Такие измерения будут выполнены позже, в конце изучения электродинамики. Сейчас, забегая вперёд, можно просто сообщить учащимся, что они дадут значение скорости передачи электрического состояния с = 3 10 8 м/с.

Таким образом, электрическое поле реально существует потому, что, как показывает эксперимент, оно обладает энергией и его изменения распространяются в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Любопытно, что описанный опыт первым поставил итальянский физик Л.Гальвани на заре систематического исследования явлений электродинамики. Правда, вместо второго разрядного промежутка он использовал препарированную лапку лягушки, которая сокращалась всякий раз, когда проскакивала искра между шариками первого разрядного промежутка. Спустя примерно 100 лет фактически те же опыты повторил немецкий физик Г.Герц. Но он уже владел развитой теорией электродинамических процессов, которую создал К.Максвелл, опиравшийся на «Экспериментальные исследования по электричеству» М.Фарадея. Именно Герц первым экспериментально доказал, что возмущение электрического поля распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны, и измерил скорость этого распространения, которая совпала со скоростью света в вакууме.

4.4. Принцип суперпозиции электрических полей. Согласно полевой концепции электрический заряд действует на другой заряд именно посредством электрического поля. Поле одного заряда действует на другой, а поле второго заряда действует на первый. Так осуществляется взаимодействие двух зарядов. При этом сами поля не взаимодействуют: поле первого заряда остаётся таким же, как если бы второго заряда не было. Электрические поля зарядов просто накладываются друг на друга так, что результирующее поле является суммой составляющих полей. В этом заключается сущность принципа суперпозиции электрических полей (от лат. superposition – наложение).

Принцип суперпозиции надо понимать так: электрическое поле одного заряда не влияет на поля других зарядов, а поля других зарядов не оказывают никакого влияния на поле данного заряда, поэтому результирующее электрическое поле есть простое наложение, или сумма электрических полей, создаваемых всеми зарядами.

Исследование 4.1. Точечный индикатор электростатического поля

Информация. Электростатические поля удобно исследовать с помощью индикаторов, позволяющих оценить направление и величину кулоновской силы в каждой точке поля. Простейший точечный индикатор представляет собой лёгкое проводящее тело, подвешенное на нити. Раньше для изготовления лёгкого шарика рекомендовали использовать сердцевину ветки бузины. В настоящее время бузину целесообразно заменить пенопластом. Возможны и другие решения проблемы.

Задание. Разработайте конструкцию и изготовьте простейший индикатор электростатического поля. Экспериментально определите его чувствительность.

Вариант выполнения. Из кусочка резины от детского воздушного шара выдуйте резиновый шарик 1 диаметром 1–2 см. Шарик привяжите к белой шёлковой или капроновой нити 2 , которую проденьте через полиэтиленовую трубку 3 и зажмите деревянным колышком 4 . Поверхность шарика натрите до характерного металлического блеска графитовым порошком от грифеля мягкого простого карандаша.

Шарик зарядите от потёртой мехом эбонитовой палочки, пьезоэлектрического источника или электрофорной машины. Введите индикатор в поле сферического заряда и по величине действующей силы оцените чувствительность индикатора (см. исследование 3.5).

Исследование 4.2. Исследование электростатических полей

Задание. Используя точечный индикатор, исследуйте электростатические поля различных заряженных тел.

Вариант выполнения. Из рисунка понятно, как посредством точечного индикатора можно исследовать поле наэлектризованного трением листа оргстекла или пенопласта.

Аналогичным образом можно исследовать поле заряженного шара электроскопа, изменение этого поля при заземлении корпуса прибора, поле двух заряженных разноимённо и одноимённо шаров, поле заряженной металлической пластины и т.д. Такие исследования дают наглядный образ электростатических полей в различных ситуациях.

В качестве примера на рисунке показана последовательность выполнения демонстрации экранирующего действия заземлённого проводника.

Вначале показывают, что электрическое поле существует по обе стороны наэлектризованного диэлектрика (рис. а ). Затем в промежуток между заряженным телом и одним из индикаторов за изолирующую ручку вносят большой металлический лист; при этом индикатор показывает, что электростатическое поле за листом не исчезает (рис. б ). Наконец металлический лист заземляют, и шарик индикатора немедленно опадает (рис. в ). Убрав заземление экрана, показывают, что электростатическое поле за ним восстанавливается.

Исследование 4.3. Дипольный индикатор электростатического поля

Информация. Возможные конструкции дипольного индикатора понятны из рисунков внизу.

Основой индикатора является лёгкая полиэтиленовая трубочка 1 с отверстием посередине (можно взять соломинку). В качестве оси вращения удобно использовать канцелярскую булавку 2 , на которую надеты бусинки 3 , выполняющие роль подшипников, и пенопластовый фиксатор 4 . Булавку крепят либо на подставке 5 , либо на конце держателя 6 . На рис. в показана ещё более простая конструкция. В простейшем случае индикатор может представлять собой полоску бумаги, согнутую под углом вдоль и установленную на иглу в центре тяжести.

Задание. Выберите наиболее доступную конструкцию, изготовьте дипольные индикаторы и с их помощью исследуйте различные электростатические поля. Объясните, почему незаряженная трубка ориентируется в электрическом поле.

Вариант выполнения. Изготовив несколько однотипных дипольных индикаторов, вы можете с их помощью визуализировать интересующие вас поля.

Учащимся будет интересна такая работа при условии, что опыты с диполями окажутся не слишком капризными. А это может случиться, если конструкция диполя не будет отработана: слишком большое трение на оси вращения смажет эффект от экспериментов. Поэтому изготовление дипольных индикаторов, при кажущейся простоте, требует и старания, и тщательности.

Возможно, наилучший вариант применения дипольного индикатора заключается в использовании его для объяснения физической сущности визуализации электрических полей мелким диэлектрическим порошком.

Исследование 4.4. Спектры электрических полей

Информация. Диэлектрические частицы в электрическом поле обозначают силовые линии и тем самым делают поле видимым – визуализируют его. Получающиеся при этом картины электрических полей называются спектрами.

Задание. Объясните метод визуализации электростатических полей диэлектрическим порошком так, чтобы его сущность стала понятной учащимся. Получите и исследуйте спектры различных электрических полей.

Вариант выполнения. Для объяснения воспользуйтесь аналогией между отдельной частицей порошка и дипольным индикатором (см. исследование 4.3). Добейтесь понимания учащимися, почему частицы порошка выстраиваются в обособленные друг от друга силовые линии поля. Проделайте модельные эксперименты с двумя дипольными индикаторами, подтверждающими ваше объяснение.

Для школьного физического кабинета промышленность выпускает специальные приборы для демонстрации спектров электрических полей. Эти приборы представляют собой нанесённые электропроводящей краской на пластинки из оргстекла электроды, на которые устанавливается плоская кювета с касторовым маслом со взвешенными частицами манной крупы. Приборы помещают на конденсор кодоскопа, электроды подключают к высоковольтному источнику и проецируют визуализированное поле на экран. Целесообразно продемонстрировать учащимся электрические поля разноимённо и одноимённо заряженных тел, заряженной плоскости, двух разноимённо заряженных плоскостей.

Визуализированные картины электрических полей на экране очень красивы и информативны, но сам демонстрационный опыт трудно считать безупречным, поскольку в нём одновременно используются приборы, в которых имеются сетевое напряжение 220 В и высоковольтное напряжение до 25 кВ.

Поэтому несравненно больше пользы будет, если школьники самостоятельно выполнят исследование полей в домашних условиях. Для этого в блюдце нужно налить немного подсолнечного масла и присыпать его сверху манной крупой или мелко настриженным волосом. Затем поместить в масло металлические электроды требуемой формы и соединить их с пьезоэлектрическим источником. Нажимая на рычаг этого источника, юные исследователи увидят, как взвешенные в масле частицы будут визуализировать исследуемые электрические поля.

В индивидуальных экспериментах можно также использовать прозрачную пластмассовую баночку с визуализирующим поле составом, ставя её плоским дном на электроды, вырезанные из толстой алюминиевой фольги.

Исследование 4.5. Построение силовых линий электрических полей

Информация. Д.Максвелл предложил простой способ построения силовых линий сложных электрических полей. Сначала вычерчивают линии для двух уже известных полей. При их пересечении получается сетка четырёхугольных ячеек, в которых одна диагональ пропорциональна геометрической сумме напряжённостей полей, а другая – их разности. Соединяя соответствующие углы ячеек, получают линии напряжённости суммарного поля в виде ломаных линий. Можно сделать их гладкими, либо сглаживая ломаные, либо уменьшая размеры ячеек, для чего увеличивают число исходных линий.

Задание. Изготовьте сетки электрических полей двух точечных зарядов. По этим сеткам постройте силовые линии полей одинаковых разноимённых и одноимённых зарядов.

Вариант выполнения. Составьте компьютерную программу, рисующую силовые линии точечных зарядов, находящихся на разных расстояниях друг от друга, и на принтере распечатайте получившиеся изображения. Пользуясь принципом суперпозиции, ломаными кривыми обозначьте силовые линии результирующих полей. Дайте теоретическое обоснование метода Максвелла построения силовых линий.

Исследование 4.6. Энергия электрического поля

Информация. Обычно в опытах по электростатике для демонстрации взаимодействия зарядов используют лёгкие тела. В результате у учащихся создаётся ощущение, что электростатическое поле – это слабое поле, не способное совершать скольконибудь значительную работу.

Проблема. Возможна ли демонстрация такого опыта, который развеял бы неверное ощущение слабости электрического поля?

Задание. Разработайте и поставьте простой демонстрационный опыт, убедительно показывающий, что электрическое поле обладает энергией и в принципе может совершать значительную работу.

Вариант выполнения. В качестве источника электрического поля удобно использовать наэлектризованный трением шерстяной варежкой лист пенопласта размером, например, 4 20 40 см (см. исследование 1.2). Деревянную доску или брус длиной до 5 м уравновесьте на легко вращающейся платформе, в качестве которой можно использовать горизонтальный диск из школьного набора по вращению. Можно взять гладкую выпуклую опору, например, большой стальной шар от подшипника, бильярдный шар и т.п. К одному из концов доски приблизьте наэлектризованный лист пенопласта. При этом учащиеся увидят, как массивная доска начинает притягиваться к листу – электростатическое поле совершает работу!

Ещё большее впечатление опыт произведёт, если деревянную доску заменить массивной металлической трубой или профилем внушительных размеров.

Электрическим полем можно раскрутить лежащий на вращающейся опоре предмет или поворачивать его на разные углы в ту и другую сторону. Важно, чтобы учащиеся разобрались, какую часть работы совершает электрическое поле, а какую – демонстратор.

Исследование 4.7. Высоковольтный источник напряжения

Информация. Учащиеся ещё не знакомы с понятиями потенциала и разности потенциалов, но уже настала необходимость в использовании сетевого источника высокого напряжения. Раньше промышленность выпускала для школ высоковольтный преобразователь «Разряд-1». В настоящее время его сменили несколько новых источников высокого напряжения. Они обеспечивают получение напряжения, плавно регулируемого в пределах от 0 до 30 кВ, снабжены аналоговым или цифровым вольтметром, высоковольтным конденсатором, разрядником, соединительными проводниками в высоковольтной изоляции со штекерами и т.д. Выход этих приборов имеет три клеммы, каждая из которых может быть заземлена. Поэтому высоковольтные источники могут обеспечить получение равных потенциалов противоположного знака относительно Земли.

Проблема. Как быстро и убедительно показать учащимся, что высоковольтный источник создаёт такие же электростатические поля, в существовании которых они уже убедились?

Задание. Предложите простой эксперимент, показывающий, что сетевой источник высокого напряжения даёт такие же заряды, как и те, которые получаются при различных способах электризации.

Вариант выполнения . На некотором расстоянии друг от друга разместите два одинаковых металлических шара и наэлектризуйте их так, чтобы они имели равные по модулю и противоположные по знаку заряды. В электрическое поле введите точечный индикатор (см. исследование 4.1) и отметьте его положение. Разрядите шары, замкнув их проводником. Двумя проводниками в изоляции подключите шары к выводам высоковольтного источника и постепенно повышайте напряжение на его выходе. При этом вы обнаружите, что точечный индикатор занимает такое же положение, как и в начале опыта. Отсюда следует, что высоковольтный источник способен создать такое же электрическое поле, как и поле, возникающее при любом из способов электризации тел. Разумеется, возможны и другие опыты, доказывающие этот факт.

Исследование 4.8. Распространение электрического поля

Информация. Принципиально важно экспериментальное доказательство того факта, что электрическое поле может распространяться в пространстве. В п. 4.3 показано, что для этого в качестве источника и индикатора электрического поля могут быть использованы два диполя, снабжённые парами проводящих шаров, между которыми происходят электрические разряды. Разряд в приёмном диполе очень слаб и поэтому мало пригоден для использования в учебном эксперименте.

Проблема. Нельзя ли в качестве индикатора электрического разряда в приёмном диполе использовать неоновую лампу (см. исследование 1.4)?

Задание. Разработайте и поставьте опыт, убедительно показывающий, что изменяющееся электрическое поле действительно распространяется в пространстве.

Вариант выполнения. При изучении электростатики нет необходимости вводить понятие электромагнитной волны и демонстрировать её распространение на скольконибудь значительное расстояние. Вполне достаточно показать учащимся, что изменения электрического поля распространяются на несколько десятков сантиметров.

К выходу высоковольтного источника подключите диполь – два одинаковых куска алюминиевого провода в изоляции, на обращённых друг к другу концах которых сделаны кольца. Длина диполя некритична (от 0,5 до 1,0 м). Точно такой же по размерам диполь укрепите на пластмассовой линейке, расположив посередине него любую неоновую лампу (например, типа ВМН02).

При постановке опыта включите высоковольтный источник и повышайте напряжение до тех пор, пока через разрядный промежуток длиной в несколько миллиметров излучающего диполя не станут проскакивать искры. Расположите приёмный диполь параллельно излучающему на расстоянии 20–100 см. В темноте вы увидите, что при каждом электрическом разряде неоновая лампа вспыхивает.

Опыт показывает, что быстро (точнее, ускоренно) движущийся заряд в излучающем диполе является источником изменяющегося электрического поля, которое в пространстве распространяется до приёмного диполя и вызывает в нём движение зарядов, что и обнаруживается неоновой лампой.

Разверните приёмный диполь перпендикулярно излучающему. При этом неоновая лампа перестаёт светиться. Отсюда следует, что электрическое поле распространяется в пространстве так, что не изменяет своей ориентации.

Исследование 4.9. Отличие переменного электрического поля от электростатического

Информация. Мы знаем, что от источника переменного электрического поля в пространстве распространяется электромагнитная волна. Однако учащимся предстоит узнать это примерно через год. Тем не менее уже сейчас при изучении электростатики целесообразно добиться понимания, что переменное электрическое поле существенно отличается от электростатического. Для этого можно воспользоваться хорошо известным фактом: электромагнитная волна практически полностью отражается даже от тонкого проводящего листа, а электростатическое поле за таким листом может существовать.

Проблема. Как в простом демонстрационном эксперименте сравнить свойства электростатического и переменного электрического полей?

Задание. Используя наэлектризованное тело, дюралевый лист, электрометр, высоковольтный источник питания, излучающий диполь и приёмный диполь с неоновой лампой, разработайте и поставьте простой эксперимент, показывающий, что переменное электрическое поле не проходит через проводящий лист, а постоянное – проходит.

Вариант выполнения. Заряженное тело поднесите к шару электрометра, при этом его стрелка отклонится. Введите между заряженным телом и шаром электрометра дюралевый лист, держа его за ручку из изолятора. При этом стрелка электрометра несколько опадёт, но всё равно будет указывать на присутствие электростатического поля. Объясните это явление.

Теперь заземлите дюралевый лист, хотя бы взяв его рукой, – стрелка электрометра немедленно опадёт. Это свидетельствует о том, что за заземлённым дюралевым листом электростатическое поле отсутствует.

Опыт показывает, что незаземлённый металлический лист не препятствует проникновению через него электростатического поля (сравните с результатом исследования 4.2).

Воспроизведите установку исследования 4.8, включите высоковольтный источник и добейтесь свечения неоновой лампы в приёмном диполе при электрических разрядах в излучающем диполе. Введите незаземлённый лист дюраля в промежуток между излучающим и приёмным диполями – свечение лампы сразу исчезает. Отсюда следует, что переменное электрическое поле не в состоянии преодолеть металлический лист, даже если он не заземлён.

Исследование 4.10. Скорость распространения электрического поля

Информация. При движении зарядов электрическое поле распространяется не только в свободном пространстве, но и вдоль проводников. Об этом свидетельствуют опыты по разделению зарядов в проводниках за счёт электростатической индукции.

Проблема. Как поставить учебный эксперимент, наглядно показывающий высокую скорость распространения электрического поля по проводнику?

Задание. Разработайте демонстрационную установку, показывающую, что в принципе возможно экспериментально оценить скорость распространения электрического поля вдоль проводника.

Вариант выполнения.

Два электрометра 3 и 4 поставьте рядом. К одному электрометру подсоедините провод 2 длиной около метра. Со вторым электрометром соедините изолированный провод 5 длиной несколько десятков метров (этот провод можно проложить по всему классу и даже вне него). К оголённым концам проводов приближайте наэлектризованный трением лист пенопласта 1 . Вы обнаружите, что стрелки обоих электрометров в этом случае одновременно реагируют на приход электрического поля от пенопласта по проводам 2 и 5 существенно различной длины.

Это свидетельствует о том, что скорость распространения электрического поля очень велика и не может быть определена в примитивных экспериментах. Измерения, которые будут проведены позже, покажут учащимся, что она составляет сотни тысяч километров в секунду.

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Какова оптимальная методика введения и формирования понятия электрического поля?

2. Как доказать, что электрическое поле обладает энергией?

3. Нужно ли в электростатике рассматривать скорость распространения электрического поля?

4. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей.

5. Какие индикаторы электростатического поля существуют и как их использовать в учебных исследованиях полей?

6. В чём суть метода визуализации электростатических полей диэлектрическим порошком, взвешенным в вязком масле?

7. Что предпочтительнее: демонстрация спектров электростатических полей или наблюдение их в самостоятельном эксперименте учащихся?

8. В чём суть метода Максвелла построения силовых линий сложных электрических полей?

9. Как показать, что электрическое поле действительно распространяется в пространстве?

10. В чём суть опыта, показывающего исключительно большую скорость распространения электрического поля вдоль проводника?

Литература

Песин А.И. , Решетняк В.Г. Новые приёмы демонстрации электрического поля. – Физика в школе, 1986, № 6, с. 67–70.

Песин А.И. , Свистунов А.Ю. , Валиев Б.М. Модельный эксперимент для изучения электростатического поля в школьном курсе физики. – Учебная физика, 1999, № 2, с. 19–28.

Проказов А.В. Пенопласт в опытах по электростатике. – Учебная физика, 2001, № 3, с. 4–10.

Сабирзянов А.А. Построение силовых линий электрических полей. – Учебная физика, 2004, № 5, с. 27–28.

Шилов В.Ф. Физические приборы из шариковой ручки. – Учебная физика, 2000, № 3, с. 4–7.

– есть единичная напряженность электрического поля проводника (квант напряженности), который по физической сути есть отношение продольной силы электрино к его заряду.

– гиромагнитная постоянная электрино.

Отличается от скорости света всего на 3,40299%, но отличается. Для техники прошлого века это отличие было неуловимым, поэтому в качестве электродинамической постоянной приняли . Однако, спустя 4 года после публикации своей знаменитой статьи по электродинамике, в 1868 году, Дж. Максвелл усомнился в этом и с участием ассистента Хоукина перемерил ее значение. Результат , который отличается от истинной электродинамической постоянной всего на 0,66885%, остался никем непонятым, в том числе и самим автором.

Орбиты электрино в поперечном к оси проводника сечении расположены одна над другой, образуя пакет электрино вихря или один электрино вихрь. Внешние и внутренние электрино в пакете движутся с одинаковой продольной скоростью .

Каждая частица развивает напряжение ;

( – электрическая постоянная), а их совокупность в пакете – напряжение линии. Квант магнитного потока есть отношение напряжения одного электрино к его круговой частоте

Отсюда напряжение линии .

Магнитный поток проводника .

– квант продольного смещения напряжения.

Магнитная индукция есть плотность магнитного потока, отнесенная к сечению элементарной траектории вихря

– шаг вихря; расстояние между пакетами; расстояние между орбитами – то есть расстояние между частицам – электрино.

Максимальная индукция – при плотно сжатых электрино, когда – диаметру электрино,

технически никогда не достижима, но является ориентиром, например, для Токамака. Недостижимость объясняется сильным взаимным отталкиванием электрино при их сближении: так, при механическое напряжение в магнитном потоке составит , до которого сжать магнитный поток ныне не под силу.

Напряженность магнитного поля есть отношение кольцевого тока к межорбитальному расстоянию в пакете.

Если - частота прохождения электрино вдоль проводника через данное сечение при единичном токе , то . Число частиц электрино, принимаемых за единицу времени будет (постоянная Франклина). Тогда: единица тока в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина. Также и: единица количества электричества в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина.

Если по параллельным проводникам ток течет в одном направлении, то наружные вихревые поля системы из 2-х проводников сливаются, образуя общий вихрь, охватывающий оба проводника, а между проводниками из-за встречного направления вихрей плотность магнитного потока уменьшается, вызывая снижение положительного напряжения поля. Итогом разности напряжений является сближение проводников. При встречном токе плотность магнитного потока и напряженность растет между проводниками, и они взаимно отталкиваются, но не друг от друга, а от межпроводникового пространства, более насыщенного энергией вихревых полей.

Для тока ведущая роль в проводниках принадлежит атомам поверхностного слоя. Рассмотрим алюминиевый проводник. Его особенностью является оксидная пленка . И физики, и химики эту молекулу считают электронейтральной на том основании, что атомы алюминия и кислорода взаимно компенсируют валентность друг друга. Если бы это было так, то алюминий не мог бы проводить электричество, а он проводит, и проводит хорошо, значит, обладает избыточным отрицательным зарядом.

Анализ показывает, что атом содержит один избыточный электрон при дефиците электрино, обусловливающие ему значительный избыточный заряд отрицательного знака:

где – недостающее число электрино в атоме алюминия;

– атомная масса,

Атомное число алюминия.

Каждые две молекулы содержит 3 электрона связи.

Нижний радиус надпроводниковой части вихря можно принимать равным половине межатомного расстояния – периода решетки электропроводящего материала:

( – масса атома; – его плотность).

Круговая частота вихря также определяется через :

Здесь: – секториальная скорость для ;

– радиус проводника;

– электростатическая постоянная.

Аналогично закону Ома запишем .

Из видно, что есть население одной орбиты частицами – электрино, следующими по ней след в след;

Проиллюстрируем расчет параметров для алюминиевого проводника (радиус ) с постоянным током при напряжении .

Секториальная скорость

Круговая частота вихря ()

Продольная частота электрино

Напряжение, развиваемое одной траекторией электрино:

Шаг вихревого пакета

Кольцевой ток одного электрино пакета

Полное число электрино в вихревом пакете

Население орбиты частицами – электрино

Число орбит вихревого пакета

Напряжение линии, развиваемое одним пакетом – элементом вихря:

Ток линии

Мощность линии

Толщина вихря

Внешний радиус вихря

Продольная составляющая магнитного поля проводника

Индукция линии

где – магнитная постоянная;

– относительная магнитная проницаемость .

Нормальная составляющая вихревого магнитного поля проводника:

Как видно, электрический ток и магнитное поле являются свойствами вихревого электрического поля.

Началом деструкции линии электропередачи служит появление коронного свечения. При приближении механического напряжения вихря к значению модуля Юнга проводника амплитуда колебания внешних атомов возрастает до критического значения, при достижении которого начинается высвобождение из них избыточных электронов, которые тут же обращаются в электроны-генераторы и приступают к ФПВР, сопровождаемому излучением света в видимой области спектра. В основе коронного свечения проводника и свечения нити лампы накаливания лежит одно и то же явление – ФПВР, запускаемый столкновительным взаимодействием вихря с атомами нити и проводника.

Удельное сопротивление проводника определяется его параметрами: периодом решетки и диаметром глобулы :

Ширина межатомного канала.

Это подтверждается расчетом по фотографии золота, совпадающим с фактически значением. Часть электрино рассеивается при столкновениях с атомами проводника, что определяет КПД линии электропередачи. КПД пропорционален температуре: .

Это уже достигается при сверхпроводимости, но полной сверхпроводимости не может быть из-за рассеяния электрино. Сверхпроводимость объясняется скачкообразным уменьшением нулевого колебания атомов (в 85 раз для ) и перестройкой кристаллической решетки (в 4 раза увеличивается межатомный канал), поэтому удельное сопротивление уменьшается на 5 порядков. Незатухающий ток сверхпроводимости объясняется магнитным полем Земли. Поскольку сопротивление все же больше нуля, то без магнитного поля Земли ток затухает.

Несколько экзотической иллюстрацией электрического тока является излучение лазера, хотя его излучение считают оптическим. Например, в неодимовом лазере с энергией импульса и продолжительностью , протяженность импульса ;

число вихревых пакетов на импульсе ;

число орбит вихревого пакета ;

структурное сопротивление луча ;

население одной орбиты (~на 3 порядка больше, чем в ). Эти расчеты выполнены по новой теории без противоречий с фактами. Что же происходит в лазере?

Лучи света в активном элементе многократно отражаются, что приводит к полной деструкции луча белого света. Образуется большое количество электрино, вошедших с лучом фотонами. Одновременно часть осевых полей элементарных лучей после тоже многократного отражения формирует объединенное осевое поле резонатора и через выходное зеркало уходит в пространство с бесконечной скоростью. Свободные электрино устремляются к осевому отрицательному полю. В начале вокруг осевого поля они движутся беспорядочно; затем приобретают вращение в одну сторону, и формируется нормальный вихрь. Факт сложения модулей одноименных электрических полей подтверждается суммарным зарядом осевого поля лазера данной установки. Как уже видно – лазерное излучение – это электрический ток по идеальному сверхпроводнику – электронному лучу. Но есть еще несколько примеров, отличающих лазерный луч от светового. Так, скорость распространения лазерного луча по световоду является обратной функцией частоты, то есть высокочастотный луч по световоду распространяется с меньшей скоростью, чем низкочастотный; для естественного света картина обратная.

Лазерный луч, как и проволочный ток, легко модулируется; световой – нет. Лазерный луч распространяется со скоростью электрического тока ; световой со своей скоростью (фиолетовый) .

КПД традиционных лазеров никогда не будет высоким в виду многоэтапности процесса и потерь: сначала нужно добыть свет, затем его разрушить, потом из обломков собрать осевое электронное поле и нанизать на него остатки фотонов. Предлагается электрический ток с металлического проводника переводить сразу на сверхпроводящий проводник – осевое электронное поле, создаваемое каким-либо прибором, например, магнетроном. Тогда КПД лазера будет не меньше 90%. Поскольку вихрь электрино легко проходит туда и обратно (металлический проводник осевое электронное поле), то можно осуществить, например, беспроволочную линию электропередачи и другие использующие это свойство установки, в том числе, электрогенераторы с ФПВР, которые возбуждаются электрическим разрядом, химической реакцией, горением, электронным пучком и т.п.

Электрический аккумулятор

Электрический, например, свинцовый аккумулятор как раз является таким устройством, в котором ФПВР возбуждается химической реакцией.

В пристенном слое свинцовой пластины-анода, имеющей отрицательный избыточный заряд происходит реакция

Перекись водорода тут же диссоциирует, образуя пристенную плазму:

Три электрона-генератора на 4 положительных иона сразу начинают ФПВР. Образуется порядка электрино на один электрон. Они вступают во взаимодействие с отрицательным потенциалом пластины и переходят в орбитальное движение вокруг анода, затем через клеммы на проводник к потребителю. Часть неиспользованного тока возвращается на катод, другая часть рассеивается у потребителя в пространство, в основном, в виде тепловых фотонов. Напряжение анодного вихря на выше катодного (там плазмы нет), чем обеспечивается движение электрино – от большого напряжения к меньшему.

Атомы Н обращаются в нейтроны и выбывают из игры. Атомам кислорода, испытавшим дефект массы уже не образовать молекулу ввиду утери 82% своего положительного заряда. Эти атомы, соединяясь с отработавшими электронами-генераторами, образуют ионы . Остальные электроны-генераторы связывают положительные молекулы воды в () – . Отрицательные ионы , , у анодной пластины с положительными электрино образуют барьер. Электрино разбиваются на вихри вокруг отрицательных ионов как вокруг атомов в металлических проводниках и по ионной дорожке – токопроводнику следуют от катода к аноду. При зарядке аккумулятора картина – обратная. Львиная доля зарядного тока расходуется на нейтрализацию отрицательных ионов.

Как видно, источником электрино является вода, она расходуется; и сохраняется неизменными. Однако при смене электролита выбрасывается и кислота. При зарядке полной нейтрализации не происходит, что обеспечивает ионную электропроводность раствора. Но есть опасность полной нейтрализации и выхода аккумулятора из строя.

Строение атома

Атом состоит из нейтронов со слегка разбалансированными зарядами. Нейтрон описан выше в §2. Протонов нет, как нет и орбитальных электронов, поэтому порядковый номер элемента не несет смысловой нагрузки. Нейтроны и атомы – это электростатические системы, ничто в них не движется. Как было выше указано, уточнены атомные массы элементов и атомные числа, которые округлены до целого числа нейтронов.

Сложившиеся представления о валентности не соответствуют фактам. Так, валентность группы щелочных металлов считают одинаковой и равной +1. Но хорошо известно, что эти металлы обладают не одинаковой химической активностью; их реакционноспособность возрастает от лития к цезию. Обратная картина наблюдается у галогенов: реакционноспособность резко уменьшается от фтора к астату при, как считают, единой валентности группы, равной –1.

Как было показано выше, нет иных взаимодействий, кроме электростатического и электродинамического, и химические реакции также входят в этот класс взаимодействий. И именно величина и знак избыточного заряда определяют химическую активность элемента и его отношение к другим реагентам. Как было показано на примере углерода и других элементов валентность определяется свойствами этих элементов по несложным формулам. Знак заряда определяется по соединениям элемента и по его участию в реакциях.

Установление природы электрического тока и электропроводности металлов на атомном и субатомном уровне однозначно утвердило электроотрицательность атомов металлов и электроположительность диэлектриков. Полупроводники меняют эти свойства при изменении условий (температура) за счет электронов связи, которые при этом выходят за пределы кристаллической решетки.

Стало понятно, что все электроположительные атомы соединяются в молекулы с помощью электронов связи, и эти электроны надо учитывать по балансу в формулах химических реакций. При этом, как указывалось в §6, поверхность электроположительных полей превышает поверхность электроотрицательных полей на пять порядков. Поэтому связующим звеном между атомами в молекулах могут быть только электроотрицательные частицы – электроны связи. Этому способствует также то, что электрические поля структурных электронов заняты, во-первых, внутри нейтронов построением и удержанием их конструкции и, во-вторых, – внутри атомов скреплением нейтронов между собой. То есть на внешние электрические поля остается совсем немного заряда, да и тот, как видно, распределен на мизерной площади внешней поверхности атомов. Подавляющее преобладание электроположительной поверхности и приводит к тому, что соединение атомов в молекулы осуществляется только с помощью электронов связи.

Валентность подгруппы первой группы щелочных металлов периодической системы приведена в таблице 1. Она подтверждает установленные практикой факты реакционноспособности этих элементов. Валентность элементов 2-го периода также дана в таблице 1.

Кроме того, как оказалось, у благородных газов нет нарушения электронного состава – в этом их главная особенность; но электринный состав нарушен. Лишь у криптона и ксенона избыточный заряд достигает той величины, когда они способны вступить в химическое взаимодействие с самыми электроположительными элементами – кислородом и фтором.

Каждый период начинается с сильно электроотрицательных металлов (в начале – щелочной металл). Электроотрицательность постепенно уменьшается и типичные металлы, ближе к концу периода, заменяются элементами-полупровод-никами, а заканчивается период одним из галогенов – электроположительным элементом, типичным неметаллом.

Таблица 1

Валентность элементов

Маленький эпилог

На очень трудный и важный вопрос: откуда энергия? – теперь, как видно, можно дать однозначный ответ: энергия – из вещества, которое в принципе является аккумулятором энергии.

При этом энергия, участвуя в круговороте вещества, только меняет форму: кинетическая или потенциальная энергия элементарных частиц. Вещество же меняет только фазовое состояние: от элементарных частиц до композиционных тел, не меняя суммарной массы.

Задача: научиться получать эту энергию без ущерба для природы и человека. Этому и будет посвящена следующая часть монографии.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Чему равна скорость тока в проводнике? Банальный если не риторический вопрос, не правда ли? Все мы в школе учили физику и хорошо помним, что скорость электрического тока в проводнике равна скорости распространения фронта электромагнитной волны, то есть равна скорости света. Но ведь на тех же уроках физики, нам показывали и кучу интересных опытов, где мы могли сами во всем убедиться. Вспомним хотя бы замечательные опыты с электрофорной машиной, эбонитом, постоянными магнитами и т.д.

А вот опыты по измерению скорости электрического тока не показывали даже в университете, ссылаясь на отсутствие необходимого оборудования и сложность данных экспериментов. За последние несколько десятков лет прикладная наука сделала огромный рывок вперед и сейчас у многих любителей есть дома та аппаратура, о которой несколько десятков лет назад не мечтали даже научные лаборатории. А потому пришла пора начинать показывать и опыт по измерению скорости электрического тока, что бы вопрос был закрыт раз и навсегда в лучших традициях физики. То есть не на уровне математики гипотез и постулатов, а на уровне простых и понятных каждому экспериментов и опытов.

Суть эксперимента по измерению скорости электрического тока проста до безобразия. Возьмем провод, определенной длинны, в нашем случае 40 метров, подключим к нему генератор сигналов высокой частоты и двухлучевой осциллограф один луч соответственно к началу провода, а другой к его концу. Вот и все. Время, за которое электрический ток пройдет по проводу длиной 40 метров составляет около 160 наносекунд. Сдвиг именно на это время мы и должны увидеть на осциллографе между двумя лучами. Посмотрим теперь, что же мы видим на практике

То есть как мы увидели, никакой задержки в 160 наносекунд в нашем случае нет. И именно в нашем случае мы не смогли измерить скорость электрического тока, т.к. она оказалась на несколько порядков больше и не поддается измерению такими приборами. Может быть, у нас провода были сврхнанотехнологичные, или наш электрический ток просто не знал, что он обязан задержаться на 160 наносекунд в проводе? Но что есть, то есть.…

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки…

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.