Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Направленное движение электрических зарядов в проводнике под действием сил электрического поля называют током проводимости . Для появления и существова- ния тока проводимости необходимы два условия:
1. Наличие в данной среде электрических зарядов. В металлах ими являются электроны проводимости; в жидких проводниках (электролитах) – положительные и отрицатель- ные ионы; в газах – положительные ионы и электроны.
2. Наличие электрического поля, энергия которого затрачивалась бы на перемещение электрических зарядов.
За направление электрического тока условно принима- ют направление движения положительных зарядов. Количест- венной характеристикой электрического тока является сила тока – заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени:
Силу тока можно связать со средней скоростью υ упорядоченного движения зарядов. За время dt через попереч- ное сечение проводника площадью dS протечет заряд dq , заключенный в объеме проводника длиной dl= υ . dt , (рис.5.1)
dq=q 0 . n . dS . dl,
где q 0 – заряд каждой частицы, n – концентрация частиц.
Тогда сила тока
. (5.2)
Плотность тока j – векторная физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади сечения проводника, проведенного перпендикулярно к направлению тока, и совпадающая с направлением тока
Для того, чтобы ток был длительным, необходимо устройство, в котором какой-либо вид энергии непрерывно преобразовывался бы в энергию электрического поля. Такое устройство называется источником тока . В источнике тока перемещение носителей происходит против сил поля, а это возможно лишь благодаря силам неэлектростатического происхождения, называемых сторонними силами.
Величина, равная работе сторонних сил по перемеще- нию единичного положительного заряда по замкнутой цепи называется электродвижущей силой (ЭДС) x ,
Стороннюю силу, действующую на заряд, можно предста- вить через напряжённость поля сторонних сил
тогда ЭДС для замкнутой цепи определяется выражением
Следовательно, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, равна циркуляции вектора напряжённости поля сторонних сил.
Величина, численно равная работе, совершаемой электри- ческими и сторонними силами при перемещении единичного положительногоз аряда на данном участке цепи, называетсянапряжением:
 |
| |
dS tga=1/R
Рис.5.1 Рис.5.2
5.2 Обобщённый закон Ома. Дифференциальная форма закона Ома
Для каждого проводника – твердого, жидкого и газо-образного – существует определенная зависимость силы тока от приложенного напряжения – вольт - амперная характе-ристика (ВАХ). Наиболее простой вид она имеет у металли- ческих проводников и растворов электролитов (рис.5.2) и определяется законом Ома.
Согласно законуОма для однородного (не содержащего сторонних сил) участка цепи, сила тока прямо пропорцио- нальна приложенному напряжению U и обратно пропорцио- нальна сопротивлению проводника R
Единицей сопротивления является Ом ([R ] = 1 Ом ). Ом – сопротивление такого проводника, в котором при напряже- нии 1В течет ток 1А .
Сопротивление зависит от свойств проводника, формы и его геометрических размеров. Для однородного цилиндриче- ского проводника
где l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения,
r - удельное сопротивление (сопротивление проводника длиной 1м и площадью поперечного сечения 1м 2 )зависит от природы проводника и температуры ([r ] = Ом. м ).
Величина, обратная удельному сопротивлению, называет- ся удельной электропроводностью : s = 1/r.
Для неоднородного участка цепи, т.е. участка, содержа- щего ЭДС (рис.5.3), с учётом (5.7) и (5.8) получим
. (5.10)
Данное выражение получило название обобщённого закона Ома в интегральной форме.
Получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме. Для этого выделим в окрестности некоторой точки внутри проводника элементарный цилиндри- ческий объем с образующими, параллельными вектору плотности тока j в данной точке (рис. 5.4).
 | |||
 | |||
- + dS
R x 12 J
Рис. 5.3 Рис. 5.4
Через поперечное сечение цилиндра течет ток силой I=jdS . Напряжение, приложенное к цилиндру, равно
где E – напряженность поля в данной точке.
Сопротивление цилиндра . Подставляя I, U и R
в формулу (5.8) и учитывая, что направления векторов совпадают, получим закон Ома для однородного участка цепи в дифференциальной форме
. (5.11)
Закон Ома для неоднородного участка цепи в дифференциальной форме запишется следующим образом:
, (5.12)
где - напряженность поля сторонних сил.
Проводники и источники тока в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно.
Последовательным называется такое соединение проводников, когда конец одного проводника соединяется с началом другого (рис.5.5). При этом выполняются соотноше- ния:
I=const;
U=U 1 +U 2 +…+U n ;
R=R 1 +R 2 +…+R n . (5.13)
Параллельным называется такое соединение, когда одни концы проводников соединяются в один узел, а другие концы - – в другой (рис.5.6). При этом выполняются соотношения:
I=I 1 +I 2 +…+I n ;
U=const;
. (5.14)
U
R 1 I 1
I U 1 U 2 U 3 I R 2 I 2 I
R 1 R 2 R 3
Рис. 5.5 Рис. 5.6
При последовательном соединении нескольких одинако- вых источников тока (рис.5.7) полная ЭДС батареи равна алгебраической сумме ЭДС всех источников, а суммарное сопротивление равно сумме внутренних сопротивлений:
x б = x 1 + x 2 +…+ x n , r б = r 1 + r 2 +…+r n .
При параллельном подключении n источниковс одинаковыми ЭДС - x и внутренними сопротивлениями – r (рис.5.8) ЭДС батареи равна ЭДС одного источника (x б = x), а внутреннее сопротивление батареи r б = r/n .
Сегодня трудно представить жизнь без такого явления, как электричество, а ведь использовать его в своих целях человечество научилось не так уж и давно. Изучение сущности и характеристик этого особого вида материи заняло несколько столетий, однако и в настоящее время нельзя с уверенностью сказать, что мы знаем о нем абсолютно все.
Понятие и сущность электрического тока
Электрический ток, как известно еще из школьного курса физики, есть не что иное, как упорядоченное движение каких-либо заряженных частиц. В качестве последних могут выступать как отрицательно заряженные электроны, так и ионы. Считается, что данный вид материи может возникнуть только в так называемых проводниках, однако это далеко не так. Все дело в том, что при соприкосновении любых тел всегда возникает определенное количество противоположно заряженных частиц, которые могут начать передвигаться. В диэлектриках свободное передвижение тех же электронов очень сильно затруднено и требует огромных внешних усилий, поэтому и говорят, что они электрический ток не проводят.
Условия существования тока в цепи
Ученые уже достаточно давно заметили, что данное физическое явление не может возникнуть и длительное время удерживаться само по себе. Условия существования электрического тока включают в себя несколько важнейших положений. Во-первых, это явление невозможно без наличия свободных электронов и ионов, которые и исполняют роль передатчиков зарядов. Во-вторых, чтобы эти элементарные частицы начали упорядоченно двигаться, необходимо создать поле, основным признаком которого является разность потенциалов между любыми точками электрика. Наконец, в-третьих, электрический ток не может существовать длительное время только под воздействием кулоновских сил, так как постепенно потенциалы будут выравниваться. Именно поэтому необходимы определенные компоненты, являющиеся преобразователями различных видов механической и тепловой энергии. Их принято называть источниками тока.
Вопрос об источниках тока
Источники электрического тока представляют собой специальные устройства, которые генерируют электрическое поле. К важнейшим из них можно отнести гальванические элементы, солнечные батареи, генераторы, аккумуляторы. характеризуются своей мощностью, производительностью и длительностью работы.
Сила тока, напряжение, сопротивление
Как и любое другое физическое явление, электрический ток имеет целый ряд характеристик. К важнейшим из них относится его сила, напряжение цепи и сопротивление. Первая из них представляет собой количественную характеристику заряда, который проходит через сечение того или иного проводника в единицу времени. Напряжение (называемое также электродвижущей силой) есть не что иное, как величина разности потенциалов, за счет которой проходящий заряд совершает определенную работу. Наконец, сопротивление - это внутренняя характеристика проводника, показывающая, какую силу должен затратить заряд на прохождение по нему.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ
изм. от 22.10.2013 г - ( )
Одно свойство материи, которое хочется описать, возникает из взаимодействия между материей и субатомной частицей – электроном. Это свойство понимается как электрический ток. Хотя данное описание радикально отличается от современного понимания, что такое электрон и какую роль он играет в электрическом токе, по сути, саму концепцию можно понять, прочитав только эту статью. Для более глубокого понимания изложенного материала, рекомендуется ознакомиться с первым томом книги Дьюи Б. Ларсона «Cтруктура физической вселенной» , а основа этой статьи взята из второго тома этой же серии. Поэтому взяв второй том вы найдете там этот материал, но в более развернутом виде, что усложняет его понимание. Данная же статья призвана дать общее понимание сути электрического тока, а уловив суть вы разберетесь и с деталями.
Итак, Ларсон понял, что Вселенная – это не просто пространственно-временная структура вещества, как принято считать в традиционной науке. Он обнаружил, что Вселенная – это Движение, в котором пространство и время – просто два взаимообусловленных и не существующих друг без друга аспекта движения, и не имеют никакого другого значения. Вселенная, в которой мы живем, - не вселенная материи, а вселенная движения, вселенная, в которой основной реальностью является движение, а все физические реалии и явления, включая материю, - просто проявления движения, существующего в трех измерениях, в дискретных единицах и с двумя взаимообусловленными аспектами – пространством и временем. Пространство названо материальным сектором, время – космическим сектором. Сами движения и их комбинации могут существовать как в пространстве (положительное смещение) так и во времени (отрицательное смещение) или одновременно в обоих, при этом являясь одномерными, двумерными или трехмерными. Более того, одномерные движения можно соотнести с электрическими явлениями, двумерные – с магнитными, трехмерные – с гравитацией. Исходя из этого, атом – просто комбинация движений. Излучение – это движение, гравитация – это движение, электрический заряд – это движение, и так далее.
Если вы ничего не поняли, читаем сначала .
Как указывалось в томе 1, электрон является уникальной частицей. Это единственная частица, построенная на основе материального вращения, которая обладает действующим отрицательным смещением вращения. Больше чем одна единица отрицательного вращения превышала бы одну положительную единицу вращения базового вращения и приводила бы к отрицательной величине общего вращения. Но у электрона итоговое общее вращение положительное, хотя включает одну положительную и одну отрицательную единицы, поскольку положительная единица двумерна, а отрицательная – одномерна.
Таким образом, по существу, электрон – это всего лишь вращающаяся единица пространства . Эта концепция довольно трудна для понимания большинства людей, впервые сталкивающихся с ней, потому что она противоречит идее природы пространства, которую мы обрели в результате долгого, но не критического исследования нашего окружения. Однако история науки полна примеров, когда обнаруживается, что знакомый и достаточно уникальный феномен является просто одним из членов общего класса, все члены которого обладают одинаковым физическим значением. Хороший пример – энергия. Для исследователей, закладывавших основу современной науки в средние века, свойство движущихся тел сохраняться по причине движения, называлось “движущей силой”; для нас уникальной природой обладает “кинетическая энергия”. Идея, что благодаря химическому составу неподвижная деревянная палка содержит эквивалент “движущей силы”, была такой же чуждой, как концепция вращающейся единицы пространства для большинства людей сегодня. Но открытие, что кинетическая энергия – это лишь одна из форм энергии в целом, распахнула дверь к значимому продвижению в физическом понимании. Аналогично, открытие, что “пространство” нашего повседневного опыта, пространство продолжений, как оно названо в работах Ларсона, - это просто одно проявление пространства в целом, открывает дверь к пониманию многих аспектов физической вселенной, включая явления, связанные с движением электронов в материи.
Во вселенной движения - вселенной, детали которой мы развиваем, - пространство входит в физические явления лишь как компонент движения . И для большинства целей конкретная природа пространства к делу не относится, так же как конкретный вид энергии, входящей в физический процесс, обычно не относится к результату процесса. Отсюда статус электрона как вращающейся единицы пространства отводит ему особую роль в физической активности вселенной. Сейчас следует отметить, что обсуждаемый нами электрон не несет никакого заряда . Электрон - это комбинация двух движений: базовой вибрации и вращения вибрирующей единицы. Как мы увидим позже, электрический заряд – это дополнительное движение, которое может накладываться на комбинацию двух компонентов . Поведение заряженных электронов будет рассматриваться после проведения подготовительной работы. Сейчас, нас волнуют незаряженные электроны .
Как единица пространства, незаряженный электрон не может двигаться в пространстве продолжений, поскольку отношение пространства к пространству не составляет движения (из постулатов Ларсона). Но при определенных условиях он может двигаться в обычной материи, ввиду того, что материя является комбинацией движений с итоговым, положительным или временны"м смещением, а отношение пространства ко времени составляет движение . Современный взгляд на движение электронов в твердой материи таков: они движутся в пространствах между атомами. Тогда, сопротивление потоку электронов рассматривается как аналогичное трению. Наше открытие состоит в следующем: электроны (единицы пространства) существуют в материи и движутся в материи так же, как материя движется в пространстве продолжений .
Направленное движение электронов в материи будет определяться как электрический ток . Если атомы материи, через которую проходит ток, пребывают в покое относительно структуры твердой совокупности в целом, постоянное движение электронов (пространства) в материи обладает теми же общими свойствами, что и движение материи в пространстве. Оно следует первому закону Ньютона (закон инерции) и может продолжаться бесконечно без прибавления энергии. Такая ситуация имеет место в феномене, известном как сверхпроводимость , которое наблюдалось экспериментально у многих веществ при очень низких температурах. Но если атомы материальной совокупности пребывают в действующем температурном движении (температура – вид одномерного движения ), движение электронов в материи прибавляется к пространственному компоненту температурного движения (то есть, увеличивает скорость) и, тем самым, вносит энергию (тепло) в движущиеся атомы.
Величина тока измеряется количеством электронов (единиц пространства) за единицу времени . Единица пространства за единицу времени – это определение скорости, поэтому электрический ток – это скорость . С математической точки зрения не важно, движется ли масса в пространстве продолжений или в массе движется пространство. Поэтому, имея дело с электрическим током, мы имеем дело с механическими аспектами электричества, и феномен тока можно описать теми же математическими уравнениями, которые применяются к обычному движению в пространстве , с надлежащими модификациями из-за различий в условиях, если такие различия существуют. Можно было бы воспользоваться теми же единицами, но по историческим причинам и для удобства в современной практике используется отдельная система единиц.
Базовая единица текущего электричества – это единица количества. В естественной системе отсчета это пространственный аспект одного электрона, обладающий смещением скорости одной единицы. Следовательно, количество q является эквивалентом пространства s . В потоке тока энергия обладает тем же статусом, что и в механических отношениях, и имеет пространственно-временные измерения t/s. Энергия, деленная на время, - это мощность, 1/s. Дальнейшее подразделение тока, обладающее измерениями скорости s/t, создает электродвижущую силу (эдс) с измерениями 1/s x t/s = t/s². Конечно, они являются пространственно-временными измерениями силы в целом.
Термин “электрический потенциал” обычно используется как альтернатива эдс, но по причинам, которые будут обсуждаться позже, мы не будем пользоваться “потенциалом” в этом смысле. Если уместен более удобный термин, чем эдс, мы будем пользоваться термином “напряжение”, символ U.
Деля напряжение t/s² на ток s/t, мы получаем t²/s³. Это сопротивление, символ R, - единственная из до сих пор рассмотренных электрических величин, не эквивалентная знакомой механической величине. Истинная природа сопротивления раскрывается при исследовании его пространственно-временной структуры. Измерения t²/s³ эквивалентны массе t³/s³, деленной на время t. Следовательно, сопротивление – это масса за единицу времени . Релевантность такой величины легко видна, если осознать, что количество массы, входящей в движение пространства (электронов) в материи, не является фиксированной величиной, как это происходит в движении материи в пространстве продолжений, а величиной, зависящей от количества движения электронов. При движении материи в пространстве продолжений масса постоянна, а пространство зависит от продолжительности движения. При течении тока пространство (число электронов) постоянно, а масса зависит от продолжительности движения. Если поток кратковременный, каждый электрон может двигаться лишь в маленькой части общего количества массы в цепи, но если поток продолжительный, он может повторно проходить через всю цепь. В любом случае общая масса, вовлеченная в ток, - это произведение массы за единицу времени (сопротивление) на время потока. При движении материи в пространстве продолжений общее пространство определяется тем же способом; то есть, это произведение пространства за единицу времени (быстрота) на время движения.
Имея дело с сопротивлением как свойством материи, нас в основном будет интересовать удельное сопротивление или сопротивляемость, которое определяется как сопротивление единичного куба рассматриваемого вещества. Сопротивление прямо пропорционально расстоянию, пройденному током, и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника. Из этого следует, если мы умножим сопротивление на единицу площади и разделим на единицу расстояния, мы получим величину с измерениями t²/s², отражающую лишь неотъемлемые характеристики материала и окружающие условия (в основном, температуру и давление) и не зависящую от геометрической структуры проводника. Качество, обратное удельному сопротивлению или сопротивляемости, - удельная проводимость и электропроводность соответственно.
Прояснив пространственно-временные измерения сопротивления, мы можем вернуться к эмпирически определенным отношениям между сопротивлением и другими электрическими величинами и подтвердить состоятельность пространственно-временных определений.
Напряжение: U = IR = s/t x t²/s³ = t/s²
Мощность: P = I²R = t²/s² x t²/s³ = 1/s
Энергия: E = I²Rt = s²/t² x t²/s³ x t = t/s
Уравнение энергии демонстрирует эквивалентность математических выражений электрических и механических явлений. Поскольку сопротивление – это масса на единицу времени, произведение сопротивления и времени Rt эквивалентно массе m. Ток, I, – это скорость v. Таким образом, выражение электрической энергии RtI² эквивалентно выражению кинетической энергии 1/2mv². Иными словами, величина RtI² – это кинетическая энергия движения электронов.
Вместо использования сопротивления, времени и тока мы можем выразить энергию в терминах напряжения U (эквивалента IR) и величины q (эквивалента It). Тогда выражение для величины энергии (или работы) W = Uq. Здесь у нас имеется определенное подтверждение определения электричества как эквивалента пространства. Как описывается в одном из стандартных учебников по физике, сила – это ”четко определенная векторная величина, создающая изменение в движении объектов”. Эдс или напряжение подходит под это описание. Оно создает движение электронов в направлении падения напряжения. Энергия – это произведение силы на расстояние. Электрическая энергия Uq – это произведение силы и количества. Отсюда следует, что величина электричества эквивалентна расстоянию – тот же вывод, который мы сделали о природе незаряженного электрона.
В традиционной научной мысли статус электрической энергии как одной из форм энергии в целом принимается как должное, поскольку она может превращаться в любые другие формы, но не принимается статус электрической или электродвижущей силы как одной из форм силы в целом. Если бы это принималось, то вывод, сделанный в предыдущем параграфе, был бы неизбежен. Но вердикт наблюдаемых фактов игнорируется из-за общего впечатления, что количество электричества и пространство являются сущностями абсолютно разной природы.
Предыдущие исследователи электрических явлений осознавали, что величина, измеряемая в вольтах, обладает характеристиками силы и соответственно ее называли. Современные теоретики отвергают это определение из-за конфликта с их точкой зрения на природу электрического тока. Например, У. Дж. Даффин предлагает определение электродвижущей силы (эдс) и затем говорит:
“Несмотря на название, это определенно не сила, но она равна работе, выполненной на единицу положительного заряда, если заряд движется по кругу (то есть, в электрической цепи); поэтому эта единица – вольт”.
Работа на единицу пространства – это сила . Автор просто принимает на веру, что движущаяся сущность, которую он называет зарядом, не эквивалентна пространству. Таким образом, он приходит к выводу, что величина, измеряемая в вольтах, не может быть силой. Мы считаем, что он не прав, и что движущаяся сущность – это не заряд, а вращающаяся единица пространства (незаряженный электрон). Тогда электродвижущая сила, измеряемая в вольтах, - это на самом деле сила . По существу, Даффин признает этот факт, говоря в другой связи, что “U/n (вольты на метр) – это то же, что и N/C (ньютоны на кулон)” . Оба выражают разность напряжения в терминах силы, деленной на пространство.
Традиционная физическая теория не претендует на то, чтобы предложить понимание природы либо количества электричества, либо электрического заряда. Она просто допускает: Ввиду того, что научное исследование не способно дать какое-либо объяснение природы электрического заряда, он должен быть уникальной сущностью, не зависящей от других фундаментальных физических сущностей, и должен приниматься как одна из “данных” характеристик природы. Далее допускается, что эта сущность неизвестной природы, которая играет главную роль в электростатических явлениях, идентична сущности неизвестной природы, количеству электричества, играющему главную роль в течении электричества.
Самая значимая слабость традиционной теории электрического тока, теории, основанной на вышеприведенных допущениях, которую сейчас мы можем рассматривать в свете более полного понимания физических основ, выведенных из теории вселенной движения, состоит в том, что она приписывает электронам две разных и несовместимых роли. Согласно нынешней теории, эти частицы являются компонентами атомной структуры, по крайней мере, допускается, что некоторые из них свободно приспосабливаются к любым электрическим силам, приложенным к проводнику. С одной стороны, каждая частица так прочно связана с остатком атома, что играет значимую роль в определении свойств атома, и чтобы отделить ее от атома, требуется приложить значительную силу (потенциал ионизации). С другой стороны, электроны движутся настолько свободно, что будут реагировать на температурные или электрические силы, величина которых немного больше нуля. Они должны существовать в проводнике в определенных количествах, если считать, что проводник электрически нейтрален, хотя и несет электрический ток. В то же время они должны свободно покидать проводник (либо в больших, либо в малых количествах) при условии обретения достаточного количества кинетической энергии.
Должно быть очевидным, что теории призывают электроны выполнять две разные и противоречащие функции. Им приписывалось ключевое положение и в теории атомной структуры, и в теории электрического тока, игнорируя тот факт, что свойства, которыми они должны обладать для выполнения функций, требуемых одной теорией, мешают функциям, которые они призваны выполнять в другой теории.
В теории вселенной движения каждое из этих явлений включает разную физическую сущность . Единица атомной структуры – это единица вращательного движения, а не электрон. Она обладает как бы постоянным статусом, который требуется для атомного компонента. Тогда электрон без заряда и без любой связи с атомной структурой доступен как свободно движущаяся единица электрического тока.
Фундаментальный постулат теории Обратной Системы говорит, что физическая вселенная – это вселенная движения, вселенная, в которой все сущности и феномены являются движениями, комбинациями движений или отношениями между движениями. В такой вселенной все основные феномены объяснимы. Не существует ничего, что “не поддавалось бы анализу”, как говорит об этом Бриджмен. Базовые сущности и явления вселенной движения – излучение, гравитация, материя, электричество, магнетизм и так далее – можно определить в терминах пространства и времени. В отличие от традиционной физической теории Обратная Система не должна оставлять свои базовые элементы на милость метафизическому таинству. Она не должна исключать их из физического исследования, как говорится в нижеприведенном утверждении из “Британской Энциклопедии”:
“Вопрос: “Что такое электричество?”, как и вопрос: “Что такое материя?”, лежит за пределами сферы физики и принадлежит сфере метафизики”.
Во вселенной, полностью состоящей из движения, электрический заряд, относящийся к физической сущности, обязательно должен быть движением. Тогда проблема, стоящая перед теоретическим исследованием, - не ответ на вопрос: “Что такое электрический заряд?”, а определение, какой вид движения проявляет себя как заряд . Определение заряда как дополнительного движения не только проясняет отношение между экспериментально наблюдаемым заряженным электроном и незаряженным электроном, известным лишь как движущаяся сущность в электрическом токе, но и объясняет взаимообмен между ними, что является принципиальной поддержкой ныне популярного мнения, что в процесс вовлекается лишь одна сущность – заряд. Не всегда помнят, что это мнение достигло общего признания только после долгой и оживленной полемики. Между статическими и текущими феноменами имеется сходство, но имеется и значимое различие. В настоящее время ввиду отсутствия какого-либо теоретического объяснения любого вида электричества, предстоит решить вопрос, идентичны ли заряженные и незаряженные электроны благодаря их сходствам или несопоставимы из-за различий. Возобладало решение в пользу идентичности, хотя со временем накопились многие свидетельства против правомочности этого решения.
Сходство проявляется в двух общих видах: (1) некоторые свойства заряженных частиц и электрических токов похожи; (2) наблюдаются переходы от одних к другим. Определение заряженного электрона как незаряженного электрона с дополнительным движением объясняет оба вида сходства. Например, демонстрация того, что быстро движущийся заряд обладает теми же магнитными свойствами, что и электрический ток, оказалась главным фактором в победе, одержанной сторонниками теории “заряда” электрического тока много лет назад. Но наши открытия показывают, что движущиеся сущности являются электронами или другими носителями зарядов, поэтому существование или не существование электрических зарядов к делу не относится.
Второй вид свидетельства, которое интерпретировалось в пользу поддержки идентичности статических и движущихся электронов, - это мнимая замена электрона текущего потока заряженным электроном в таких процессах как электролиз. Здесь объяснение таково: электрический заряд легко создается и легко разрушается . Как знает каждый, для создания электрического тока на многих поверхностях, таких как современные синтетические волокна, требуется лишь небольшое трение. Из этого следует, где бы ни существовала концентрация энергии в одной из форм, способная высвобождаться превращением в другую, вибрация вращения, составляющая заряд, либо возникает, либо исчезает, чтобы позволить вид движения электронов, который имеет место в ответ на действующую силу.
Следовать превалирующей политике, рассматривая два разных количества как идентичные и пользуясь одинаковыми единицами для обоих, можно лишь потому, что два разных использования абсолютно отдельны в большинстве случаев. При таких обстоятельствах в вычисления не вводится ошибка от использования одинаковых единиц, но, в любом случае, если вычисление или теоретическое рассмотрение включает величины обоих видов, необходимо четкое разграничение.
В качестве аналогии можно допустить, что мы хотим установить систему единиц, в которых выражаются свойства воды. Еще давайте предположим, что мы не можем осознать разницу между свойствами веса и объема, и поэтому выражаем их в кубических сантиметрах. Такая система эквивалентна использованию единицы веса в один грамм. И до тех пор, пока мы имеем дело отдельно с весом и объемом, с каждым в его собственном контексте, факт, что выражение “кубический сантиметр” обладает двумя абсолютно разными значениями, не приводит ни к каким затруднениям. Однако если мы имеем дело с обоими качествами одновременно, существенно осознавать разницу между ними. Деление кубических сантиметров (вес) на кубические сантиметры (объем) не выражается безразмерным числом, как, казалось бы, указывают вычисления; коэффициент является физической величиной с размерностями вес/объем. Аналогично, мы можем пользоваться одинаковыми единицами для электрического заряда и количества электричества до тех пор, пока они работают независимо и в правильном контексте, но если в вычисление входят обе величины или они работают индивидуально с неверными физическими размерностями, возникает путаница.
Путаница с размерностями, возникающая в результате непонимания разницы между заряженными и незаряженными электронами, была источником значительного беспокойства и замешательства физиков-теоретиков. Она явилась помехой к установлению любой исчерпывающей систематической связи между размерностями физических величин. Неспособность обнаружить основу для связи – явное указание на то, что-то не так с самими размерностями, но вместо осознания этого факта, нынешняя реакция – заметание проблемы под ковер и претензия на то, что проблемы не существует. Вот как видит картину один из наблюдателей:
“Раньше тема размерности была противоречива. Годы безуспешных попыток ушли на то, чтобы обнаружить “неотъемлемые, рациональные отношения” в терминах которых следует выражать все размерные формулы. Сейчас, общепринято, что нет одного абсолютного набора размерных формул”.
Это обычная реакция на долгие годы разочарования, реакция, с которой мы часто сталкивались при исследовании тем, которые обсуждались в томе 1. Когда самые рьяные усилия поколения за поколением исследователей терпят поражение в достижении определенной цели, всегда возникает сильное искушение объявить, что цель просто недостижима. “Короче, говоря, - говорит Альфред Ланде, - если вы не можете прояснить проблемную ситуацию, объявите, что она “фундаментальная, а затем обнародуйте соответствующий принцип”. Поэтому, физическая наука полна скорее принципов бессилия, а не объяснений.
Во вселенной движения размерности всех величин всех видов можно выразить лишь в терминах пространства и времени. Пространственно-временные размерности базовых механических величин определены в томе 1. Здесь мы прибавляем размерности величин, вовлеченных в поток электрического тока.
Прояснение отношений размерности сопровождается определением естественной единицы величин разных физических количеств. Система единиц, обычно используемая при работе с электрическими токами, развивалась независимо от механических единиц на случайной основе. Чтобы установить соотношение между случайной системой и естественной системой единиц, понадобится измерить одно физическое количество, величину которого можно определить в естественной системе, как это делалось в предыдущем определении соотношений между естественными и традиционными единицами пространства, времени и массы. Для этой цели, мы воспользуемся константой Фарадея - наблюдаемым отношением между количеством электричества и массой, вовлеченной в электролиз. Умножая эту константу, 2,89366 x 10 14 эсе/г-эквив, на естественную единицу атомного веса 1,65979 x 10 -24 г, мы получим в качестве естественной единицы количества электричества 4,80287 x 10 -10 эсе.
Изначально определение единицы заряда (эсе ) с помощью уравнения Кулона в электростатической системе измерения планировалось использовать как средство введения электрических величин в механическую систему измерения. Но здесь электростатическая единица заряда и другие электрические единицы, включающие эсе, составляют отдельную систему измерения, в которой t/s отождествляется с электрическим зарядом.
Величина электрического тока – это количество электронов за единицу времени, то есть, единиц пространства за единицу времени или скорость . Поэтому естественную единицу тока можно выразить как естественную единицу скорости, 2,99793 x 10 10 см/сек. В терминах электричества это естественная единица количества, деленная на естественную единицу времени, она равна 3,15842 x 10 6 эсе/сек или 1,05353 x 10 -3 ампер. Следовательно, традиционная единица электрической энергии, ватт-час, равна 3,6 x 10 10 эрг. Естественная единица энергии, 1,49275 x 10 -3 эрг, эквивалентна 4,14375 x 10 -14 ватт-часов. Деля эту единицу на естественную единицу времени, мы получаем естественную единицу мощности – 9,8099 x 10 12 эрг/сек = 9,8099 x 10 5 ватт. Затем деление на естественную единицу тока дает нам естественную единицу электродвижущей силы или напряжение 9,31146 x 10 8 Вольт. Еще одно деление на ток дает естественную единицу сопротивления 8,83834 x 10 11 Ом.
Еще одно количество электричества, заслуживающее упоминания из-за ключевой роли, которое оно играет в современном математическом подходе к магнетизму, - это “плотность тока”. Она определяется на “количество заряда, проходящее за секунду через единицу площади плоскости, перпендикулярной линии потока”. Это странная величина, отличающаяся от любого другого количества, которое уже обсуждалось, тем, что не является отношением между пространством и временем. Когда мы осознали, что это количество на самом деле представляет собой ток на единицу площади, а не “заряд” (факт, подтверждаемый единицами, амперами на квадратный метр, в которых оно выражается), его пространственно-временные размерности, видимо, являются s/t x 1/s² = 1/st. Они не являются размерностями движения или свойством движения. Отсюда следует, что в целом эта величина не обладает физическим значением. Это просто математическое удобство.
Фундаментальные законы электрического тока, известные современной науке, такие как Закон Ома, Закон Кирхгофа и их производные, - это просто эмпирические обобщения, и на их применение не влияет прояснение истинной природы электрического тока. Суть этих законов и относящиеся к делу детали адекватно описаны в существующей научной и технической литературе.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ
Хотя движение электрического тока в материи эквивалентно движению материи в пространстве, условия, с которыми сталкивается каждый вид движения в нашем повседневном опыте, выделяют разные аспекты общих положений. Когда мы имеем дело с движением материи в пространстве продолжений, нас в основном интересуют движения индивидуальных объектов. Законы движения Ньютона, краеугольные камни механики, имеют дело с применением силы для возникновения или изменения движений таких объектов и с передачей движения от одного объекта другому. С другой стороны, в случае электрического тока нас интересуют аспекты непрерывности потока тока, а статус вовлеченных индивидуальных объектов к делу не относится.
Подвижность единиц пространства в потоке тока вводит некоторые виды изменчивости, которые отсутствуют в движении материи в пространстве продолжений. Следовательно, имеются поведенческие характеристики или свойства материальных структур, характерные для отношения между структурами и движущимися электронами. Выражаясь по-другому, можно сказать, что материя обладает некоторыми характерными электрическими свойствами . Основное свойство такой природы – сопротивление . Как указывалось ранее, сопротивление – это единственное количество, участвующее в фундаментальных отношениях потока тока, которое не является знакомой характеристикой системы уравнений механики, уравнений, имеющих дело с движением материи в пространстве продолжений.
Один из авторов суммирует современные идеи о происхождении электрического сопротивления так:
“Способность проводить электричество… возникает за счет присутствия огромного числа квази-свободных электронов, которые под действием электрического поля способны течь через металлическую решетку… Возбуждающие влияния… препятствуют свободному потоку электронов, рассеивая их и создавая сопротивление”.
Как уже указывалось, развитие теории вселенной движения приводит к прямо противоположной концепции природы электрического сопротивления. Мы находим, что электроны выводятся из окружающей среды . Как говорилось в томе 1, имеются действующие физические процессы, создающие электроны в значительных количествах, и что, хотя движения, составляющие эти электроны, во многих случаях поглощаются атомными структурами, возможности использования данного вида движения в таких структурах ограничены. Отсюда следует, что в материальном секторе вселенной всегда имеется большой избыток свободных электронов, большинство которых не заряжено . В незаряженном состоянии электроны не могут двигаться в связи с пространством продолжений, потому что являются вращающимися единицами пространства, а отношение пространства к пространству не есть движение. Поэтому в открытом пространстве каждый незаряженный электрон постоянно пребывает в одном и том же положении относительно естественной системы отсчета, по способу фотона. В контексте стационарной пространственной системы отсчета незаряженный электрон, как и фотон, уносится наружу со скоростью света последовательностью естественной системы отсчета. Таким образом, все материальные совокупности подвергаются действию потока электронов, подобно непрерывной бомбардировке фотонами излучения . Тем не менее, имеются и другие процессы, когда электроны возвращаются в окружающую среду. Следовательно, популяция электронов материальной совокупности, такой как Земля, стабилизируется на уровне равновесия.
Процессы, определяющие равновесие концентрации электронов, не зависят от природы атомов материи и объема атомов. Поэтому в электрически изолированных проводниках, где нет потока тока, концентрация электронов постоянна. Из этого следует, что число электронов, вовлеченных в тепловое движение атомов материи, пропорционально объему атома, и энергия этого движения определяется действующими коэффициентами вращения атомов. Следовательно, сопротивление определяется объемом атома и тепловой энергией .
Вещества, вращательное движение в которых происходит полностью во времени, обладают тепловым движением в пространстве, согласно общему правилу, управляющему прибавлением движений, что установлено в томе 1. У этих веществ нулевое тепловое движение соответствует нулевому сопротивлению, и при повышении температуры сопротивление увеличивается . Это происходит за счет того, что концентрация электронов (единиц пространства) во временном компоненте проводника постоянна для любой конкретной величины тока. Следовательно, ток увеличивает тепловое движение в определенной пропорции. Такие вещества называются проводниками .
У других элементов, имеющих два измерения вращения в пространстве, тепловое движение, которое из-за конечных диаметров движущихся электронов требует двух открытых измерений, обязательно совершается во времени. В данном случае нулевая температура соответствует нулевому движению во времени. Здесь, сопротивление изначально велико, но уменьшается при повышении температуры. Такие вещества известны как изоляторы или диэлектрики .
Элементы с самым большим электрическим смещением, имеющие лишь одно измерение пространственного вращения и самые близкие к электроположительным делениям, способны следовать положительному паттерну и являются проводниками. Элементы с более низким электрическим смещением следуют модифицированному паттерну движения во времени, где сопротивление уменьшается от высокого, но конечного, уровня до нулевой температуры. Такие вещества с промежуточными характеристиками называются полупроводниками .
К сожалению, измерения сопротивления включают множество факторов, вводящих погрешность в результаты. Особенно важна чистота образца, из-за большой разницы между сопротивлениями проводников и диэлектриков. Даже небольшое количество загрязнения диэлектрика может значимо менять сопротивление. Традиционная теория не имеет объяснения величины данного эффекта. Если электроны движутся в промежутках между атомами, как утверждает теория, несколько дополнительных препятствий на пути не должны вносить значимый вклад в сопротивление. Но, как мы утверждаем, токи движутся во всех атомах проводника, включая нечистые атомы, что и увеличивает содержание теплоты каждого атома в пропорции к его сопротивлению. Крайне высокое сопротивление диэлектрика выливается в большой вклад каждого нечистого атома, и даже очень малое число таких атомов оказывает весьма значительный эффект .
Загрязнения полупроводящих элементов менее эффективны как загрязнения, но все еще могут обладать сопротивлением в тысячи раз большим, чем сопротивление проводящих металлов.
Также сопротивление меняется под действием тепла, и прежде, чем могут выполняться надежные измерения, требуется тщательный отжиг. Адекватность этого способа во многих, если не в большинстве определений сопротивления, сомнительна. Например, Г. Т. Миден сообщает, что такая обработка понижает сопротивление бериллия на 50%, и что “предварительная работа проводилась на не отжигаемых образцах”. Другие источники неясности включают изменения в кристаллической структуре или магнитном поведении, которые происходят при разных температурах или давлениях в разных образцах, или при разных условиях, часто сопровождающихся значимыми эффектами запаздывания.
Ввиду того, что электрическое сопротивление является результатом температурного движения, энергия движения электрона пребывает в равновесии с температурной энергией. Следовательно, сопротивление прямо пропорционально действующей температурной энергии, то есть, температуре. Из этого следует, что приращение сопротивления на градус постоянно для каждого (неизмененного) вещества; эта величина определяется атомными характеристиками. Поэтому, кривая, представляющая отношение сопротивления к температуре в приложении к единичному атому, линейна . Ограничение до прямой линии – характеристика отношений электрона, и происходит за счет того, что электрон обладает только одной единицей смещения вращения и, следовательно, не может сдвигаться до многоединичного типа движения по способу сложных атомных структур.
Однако похожее изменение кривой удельного сопротивления происходит в том случае, если коэффициенты, определяющие сопротивление, изменяются с помощью перекомпоновки, например, изменение давления. Как высказался П.У. Бриджмен при обсуждении своих результатов после того, как имело место изменение такой природы, по существу, мы имеем дело с другим веществом. Кривая модифицированного атома – тоже прямая линия, но она не совпадает с кривой не модифицированного атома. В момент перехода к новой форме сопротивление индивидуального атома резко меняется к соотношению с другой прямой линией .
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЗАРЯДЫ
Во вселенной движения все физические сущности и феномены являются движениями, комбинациями движений или отношениями между движениями. Из этого следует, что развитие структуры теории, описывающей такую вселенную, - это в основном дело определения, какие движения и комбинации движений могут существовать при условиях, определенных в постулатах. До настоящего момента в нашем обсуждении физических явлений мы имели дело лишь с поступательным движением, движением электронов в материи и разными влияниями этого движения, скажем, с механическими аспектами электричества. Сейчас мы обратим внимание на электрические феномены, включающие вращательное движение.
Как описано в томе 1, гравитация – это трехмерное вращательно распределенное скалярное движение. Если рассматривать общий паттерн генерирующих движений большей сложности как комбинацию разных видов движения, естественно предположить возможность наложения одномерного или двумерного скалярного вращения на притягивающиеся объекты для создания феноменов более сложной природы. Однако, анализируя ситуацию, мы обнаруживаем, что прибавление к гравитационному движению обычного вращательно распределенного движения меньше чем в трех измерениях просто меняло бы величину движения и не приводило бы к появлению любых новых видов явлений.
Однако имеется разновидность вращательно распределенного паттерна, которую мы еще не исследовали. До этого момента рассмотрены три общих вида простого движения (скалярного движения физических положений): (1) поступательное движение; (2) линейная вибрация; и (3) вращение. Сейчас нам следует осознать существование четвертого вида – вибрационно-вращательного движения, связанного с вращением так же, как линейная вибрация связана с поступательным движением. Векторное движение такого вида обычно (пример – движение волосковой пружины в часах), но во многом игнорируется традиционной научной мыслью. Оно играет важную роль в базовом движении вселенной.
На атомном уровне вибрация вращения – это вращательно распределенное скалярное движение, подвергающееся непрерывному изменению снаружи вовнутрь и наоборот. Как и при линейной вибрации, чтобы быть постоянным, измерение скалярного направления должно быть непрерывным и однородным. Следовательно, подобно фотону излучения, оно должно быть простым гармоничным движением. Как отмечалось в обсуждении температурного движения, когда простое гармоничное движение прибавляется к существующему движению, оно совпадает с этим движением (и, следовательно, не действует) в одном из скалярных направлений и обладает действующей величиной в другом скалярном направлении. Каждое добавочное движение должно приспосабливаться к правилам комбинации скалярных движений, установленным в томе 1. На этом основании действующее скалярное направление самоподдерживающейся вибрации вращения должно быть направлением наружу, противоположно вращательному движению вовнутрь, с которым оно связано. Подобное прибавление скалярного направления вовнутрь не стабильно, но может поддерживаться внешним влиянием, в чем мы убедимся позже.
Скалярное движение в форме вибрации вращения будет определяться как заряд. Одномерное вращение такого типа – это электрический заряд . Во вселенной движения любое базовое физическое явление, такое как заряд, - это обязательно движение. И единственным вопросом, требующим ответа посредством исследования его места в физической картине, является вопрос: Какой это вид движения. Мы обнаруживаем, что наблюдаемый электрический заряд обладает свойствами, которые теоретическое развитие определяет как одномерную вибрацию вращения ; следовательно, мы можем уравнять эти два понятия.
Интересно отметить, что традиционная наука, которая так долго не могла объяснить происхождение и природу электрического заряда, осознает, что он скалярный. Например, У. Дж. Даффин сообщает, что описанные им эксперименты демонстрируют, что “заряд можно определить единичным числом”, подтверждая вывод, что “заряд – это скалярная величина”.
Однако в традиционном физическом мышлении электрический заряд рассматривается как одна из фундаментальных физических сущностей, и его определение как движение, несомненно, явится сюрпризом для многих людей. Следует подчеркнуть, что это не особенность теории вселенной движения. Независимо от наших открытий, основанных на данной теории, заряд – это обязательно движение, и на основании определений, работающих в традиционной физике, факт, которым пренебрегают потому, что он не согласуется с современной теорией. Ключевой фактор ситуации – определение силы. Мы знаем, что сила – это свойство движения , а не нечто фундаментальной природы, существующее само по себе. Понимание данного положения существенно для развития теории зарядов.
В целях использования в физике сила определяется вторым законом движения Ньютона. Это произведение массы на ускорение, F = ma. Движение, отношение пространства ко времени, на основе индивидуальной единицы массы измеряется как скорость или быстрота, v (то есть, каждая единица движется со своей скоростью), или на коллективной основе как момент – произведение массы на скорость, mv, ранее называемое более описательным названием “количество движения”. Степень изменения величины движения во времени – это dv/dt (ускорение, а) в случае индивидуальной массы, и m dv/dt (сила, ma), если она измеряется коллективно. Тогда сила определяется как скорость изменения величины общего количества движения во времени; мы можем называть ее “количеством ускорения”. Из определения следует, что сила – это свойство движения. Она имеет тот же статус, что и любое другое свойство, а не нечто, что может существовать как автономная сущность .
Так называемые “фундаментальные силы природы”, предположительно автономные силы, которые призываются для объяснения происхождения физических явлений, - это обязательно свойства стоящих за ними движений; они не могут существовать как независимые сущности . Каждая “фундаментальная сила” должна появляться из фундаментального движения. Это логическое требование определения силы, и оно справедливо независимо от физической теории, в контексте которой рассматривается ситуация.
Современная физическая наука не способна определять движения, которые требует определение силы. Например, физический заряд создает электрическую силу, но как определяется из наблюдения, он не делает этого по своей собственной инициативе. Отсутствует указание на любое предшествующее движение. С таким явным противоречием определению силы ныне справляются игнорированием требований определения и рассмотрением электрической силы как сущности, каким-то неопределенным образом создаваемой зарядом. Сейчас необходимость уклонения такого рода устраняется определением заряда как вибрации вращения. Сейчас ясно, что причина отсутствия любого свидетельства движения, вовлеченного в возникновение электрической силы, в том, что сам по себе заряд и есть движение .
Следовательно,электрический заряд – это одномерный аналог трехмерного движения атома или частицы, которое мы определили как массу . Пространственно-временные размерности массы – t³/s³. В одном измерении это будет t/s. Вибрация вращения – это движение подобное вращению, составляющему массу, но отличающееся лишь периодическим переворотом скалярного направления . Из этого следует, что электрический заряд - одномерная вибрация вращения - также обладает размерностями t/s. Из величин заряда можно вывести измерения других электростатических величин. Напряженность электрического поля - величина, играющая важную роль во многих отношениях, включающих электрические заряды, - это заряд на единицу площади, t/s x 1/s² = t/s³. Произведение напряженности поля и расстояния, t/s³ x s = t/s², - это сила, электрический потенциал .
По тем же причинам, которые относятся к созданию гравитационного поля массой, электрический заряд окружен силовым полем. Однако взаимодействие между массой и зарядом отсутствует . Cкалярное движение. изменяющее разделение между А и Б, можно представить в системе отсчета либо как движение АБ (движение А к Б), либо движение БА (движение Б к А). Отсюда движения АБ и БА не являются двумя отдельными движениями; они - просто два разных способа представления одного и того же движения в системе отсчета. Это значит, что скалярное движение – взаимный процесс. Он не может иметь места пока объекты А и Б не способны к одному и тому же виду движения . Следовательно, заряды (одномерные движения) взаимодействуют только с зарядами, а массы (трехмерные движения) только с массами.
Линейное движение электрического заряда, аналогичное гравитации, подвергается тем же рассмотрениям, что и гравитационное движение. Однако как отмечалось раньше, оно направлено наружу, а не вовнутрь, и, следовательно, не может напрямую прибавляться к базовому движению вибрации по способу комбинаций вращательного движения. Ограничение движения наружу возникает за счет того, что последовательность наружу естественной системы отсчета, которая присутствует всегда, распространяется на полную единицу скорости наружу - ограничивающую величину. Дальнейшее движение наружу может прибавляться только после того, как в комбинацию движения будет вводиться компонент вовнутрь. Таким образом, заряд может существовать лишь как прибавление к атому или субатомной частице.
Хотя скалярное направление вибрации вращения, составляющее заряд, – это всегда движение наружу, возможны и положительное (временное) смещение, и отрицательное (пространственное) смещение, поскольку скорость вращения может быть либо больше, либо меньше единицы, а вибрация вращения обязательно должна быть противоположна вращению. Это поднимает весьма неудобный вопрос терминологии. С логической точки зрения вибрация вращения с пространственным смещением должна называться отрицательным зарядом, поскольку она противоположна положительному вращению, а вибрация вращения с временным смещением должна называться положительным зарядом. На этом основании термин “положительный” всегда относится к временному смещению (низкой скорости), а термин “отрицательный” всегда относится к пространственному смещению (высокой скорости). Использование этих терминов обладало бы некоторыми преимуществами, но в целях данной работы не представляется желательным идти на риск введения дополнительной путаницы к объяснениям, уже страдающим от неизбежного использования незнакомой терминологии для выражения ранее неосознанных связей. Поэтому для нынешних целей мы будем следовать нынешнему использованию, и заряды положительных элементов будут называться положительными. Это значит, что значение терминов “положительный” и “отрицательный” в связи с вращением обратно в связи с зарядом.
В обычной практике это не должно создавать никаких особых трудностей. Однако в нынешнем обсуждении определенная идентификация свойств разных движений, входящих в исследуемые комбинации, существенна в целях ясности. Чтобы избежать путаницы, термины “положительный” и “отрицательный” будут сопровождаться звездочками, если используются обратным способом. На этом основании электроположительный элемент, обладающий вращением с низкой скоростью во всех скалярных направлениях, принимает положительный* заряд - вибрацию вращения с высокой скоростью. Электроотрицательный элемент, обладающий компонентами вращения с высокой и низкой скоростями, может принимать любой вид заряда. Однако обычно отрицательный* заряд ограничен большинством отрицательных элементов класса.
Многие проблемы, возникающие когда скалярное движение рассматривается в контексте фиксированной пространственной системы отсчета, появляются в результате того, что система отсчета обладает свойством, положением, которым не обладает скалярное движение. Другие проблемы возникают по обратной причине: скалярное движение обладает свойством, которым не обладает система отсчета. Это свойство мы назвали скалярным направлением, вовнутрь или наружу.
Электрические заряды не участвуют в базовых движениях атомов или частиц, но легко создаются почти в любом виде материи и с одинаковой легкостью могут отделяться от этой материи. В низкотемпературном окружении, таком как поверхность Земли, электрический заряд играет роль временного дополнения к относительно постоянным вращающимся системам движений. Это не значит, что роль зарядов не важна. На самом деле заряды часто оказывают большее влияние на результат физических событий, чем базовые движения атомов материи, вовлеченных в действие. Но со структурной точки зрения, следует осознавать, что заряды приходят и уходят так же, как поступательные (кинетические или температурные) движения атома. Как мы вскоре увидим, заряды и температурные движения в значительной степени взаимозаменяемы.
Самый простой вид заряженной частицы создается прибавлением одной единицы одномерной вибрации вращения к электрону или позитрону, которые обладают лишь одной несбалансированной единицей одномерного смещения вращения. Поскольку действующее вращение электрона отрицательное, он принимает отрицательный* заряд. Как указывалось в описании субатомных частиц в томе 1, каждый незаряженный электрон обладает двумя вакантными измерениями; то есть, скалярными измерениями, в которых отсутствует действующее вращение. Также раньше мы видели, что базовые единицы материи - атомы и частицы - способны ориентироваться в соответствии с их окружением; то есть, они принимают ориентации, совместимые с силами, действующими в окружении. Когда в свободном пространстве создается электрон, например, из космических лучей, он избегает ограничений, накладываемых его пространственным смещением (таких как неспособность двигаться в пространстве), с помощью такой ориентации, когда одно из вакантных измерений совпадает с измерением системы отсчета. Тогда он может занимать фиксированное положение в естественной системе отсчета бесконечно. В контексте стационарной пространственной системы отсчета этот незаряженный электрон, как фотон, уносится наружу со скоростью света последовательностью естественной системы отсчета.
Если же электрон входит в новое окружение и начинает подвергаться новому набору сил, он может переориентироваться так, чтобы приспособиться к новой ситуации. Например, при вхождении в проводящий материал, он сталкивается с окружением, в котором может свободно двигаться, ввиду того, что смещение скорости в комбинациях движений, составляющих материю, происходит преимущественно во времени, и связь пространственного смещения электрона с временным смещением атома – это движение. Более того, факторы окружающей среды благоприятствуют подобной переориентации; то есть, они благоприятствуют увеличению скорости выше уровня единицы в высокоскоростном окружении и уменьшению в низкоскоростном окружении. Следовательно, электрон переориентирует активное смещение в измерении системы отсчета. Это либо пространственная, либо временная система отсчета, в зависимости от того, является ли скорость выше или ниже единицы, но две системы параллельны. На самом деле, это два сегмента единой системы, поскольку представляют то же одномерное движение в двух разных областях скорости.
Если скорость выше единицы, представление переменной величины происходит во временной системе координат, и фиксированное положение в естественной системе отсчета появляется в пространственной системе координат как движение электронов (электрический ток) со скоростью света . Если скорость меньше единицы, представления переворачиваются. Из этого не следует, что движение электронов по проводнику происходит с такими скоростями. В этой связи совокупность электронов подобна совокупности газа. Индивидуальные электроны движутся с высокими скоростями, но в случайных направлениях. Лишь итоговый избыток движения в направлении потока тока, электронный дрейф, как он обычно называется, действует как ненаправленное движение.
Идея “электронного газа” обычно принимается в современной физике, но считается, что “простая теория приводит к большим трудностям, если исследуется более детально”. Как уже отмечалось, превалирует допущение, что электроны электронного газа, выведенные из структур атомов, сталкиваются со многими проблемами. Имеется и прямое противоречие с величинами удельной теплоты. “Ожидалось, что электронный газ привнесет дополнительные 3/2 R в удельную теплоту металлов”, но такое приращение удельной теплоты экспериментально не обнаружено.
Теория вселенной движения предлагает ответы на обе эти проблемы. Электроны, движение которых составляет электрический ток, не выводятся из атомов и не подвергаются ограничениям, относящимся к их возникновению. Ответ на проблему удельной теплоты кроется в природе движения электронов. Движение незаряженных электронов (единиц пространства) в материи проводника эквивалентно движению материи в пространстве продолжений. При данной температуре атомы материи обладают определенной скоростью относительно пространства. Не важно, пространство ли это продолжений или электронное пространство. Движение в электронном пространстве (движение электронов) является частью температурного движения, а удельная теплота за счет этого движения является частью удельной теплоты атома, а не чем-то отдельным.
Если переориентация электронов совершается в ответ на факторы окружающей среды, она не может переворачиваться против сил, связанных с этими факторами. Поэтому в незаряженном состоянии электроны не могут покидать проводник. Единственное активное свойство незаряженного электрона – пространственное смещение, и отношение этого пространства к пространству продолжений не является движением. Комбинация вращательных движений (атома или частицы) с итоговым смещением в пространстве (скорость больше единицы) может двигаться только во времени, как указывалось раньше. Комбинация вращательных движений с итоговым смещением во времени (скорость меньше единицы) может двигаться только в пространстве, поскольку движение – это связь между пространством и временем. Но единица скорости (естественный нуль или начальный уровень) – это единство в пространстве и во времени. Из этого следует, что комбинация движений с итоговым смещением скорости равным нулю может двигаться либо во времени, либо в пространстве. Обретение единицы отрицательного* заряда (на самом деле, положительного по характеру) электроном, который в незаряженном состоянии обладает единицей отрицательного смещения, уменьшает итоговое смещение скорости до нуля и позволяет электрону свободно двигаться либо в пространстве, либо во времени.
Создание заряженных электронов в проводнике требует лишь передачи незаряженному электрону достаточной энергии для приведения существующей кинетической энергии частицы к эквиваленту единицы заряда . Если электрон проецируется в пространство, дополнительное количество энергии требуется для того, чтобы оторваться от твердой или жидкой поверхности и преодолеть давление, оказываемое окружающим газом. Обладающие энергиями ниже этого уровня заряженные электроны прикованы к проводнику так же, как и незаряженные .
Энергию, необходимую для создания заряда и выхода из проводника, можно поучить многими способами, каждый из которых представляет собой способ создания свободно движущихся заряженных электронов. Удобный и широко используемый способ обеспечивает необходимую энергию посредством разности потенциалов. Это увеличивает поступательную энергию электронов до тех пор, пока она не удовлетворяет требованиям. Во многих применениях необходимое приращение энергии сводится к минимуму путем проецирования вновь заряженных электронов в вакуум, а не требованием преодоления давления газа. Катодные лучи, применяемые в создании рентгеновских лучей, - это потоки заряженных электронов, спроецированных в вакуум. Использование вакуума тоже является характеристикой термоэлектронного создания заряженных электронов, у которых необходимая энергия вводится в незаряженные электроны посредством тепла. При фотоэлектрическом создании энергия поглощается из излучения.
Существование электрона как свободно заряженной единицы обычно краткосрочно . Сразу же после создания с помощью одной передачи энергии и испускания в пространство, он вновь сталкивается с материей и входит в другую передачу энергии, посредством которой заряд превращается в тепловую энергию или излучение, а электрон возвращается к незаряженному состоянию. При непосредственном соседстве с агентом, создающим заряженные электроны, и создание зарядов, и обратный процесс, преобразующий их в другие виды энергии, происходят одновременно. Одна из основных причин использования вакуума для создания электронов – сведение к минимуму потери зарядов при обратном процессе .
В пространстве заряженные электроны могут наблюдаться, то есть обнаруживаться, разными способами, поскольку благодаря наличию зарядов они подвергаются влиянию электрических сил. Это позволяет контролировать их движения, и в отличие от своего неуловимого незаряженного двойника, заряженный электрон – это наблюдаемая сущность, которой можно манипулировать для создания разных видов физических эффектов .
Изолировать и исследовать индивидуальные заряженные электроны в материи, как мы делаем это в пространстве, невозможно, но мы можем осознавать присутствие частиц по следам свободно движущихся зарядов в материальных совокупностях. Кроме особых характеристик зарядов, заряженные электроны в материи обладают теми же свойствами, что и незаряженные электроны. Они легко движутся в хороших проводниках и труднее в плохих. Они движутся в ответ на разность потенциалов. Они удерживаются в изоляторах – веществах, не обладающих необходимыми открытыми измерениями, чтобы позволить свободное движение электронов, и так далее. Деятельность заряженных электронов в совокупностях материи и вокруг них известна как статическое электричество.
». Сегодня я хочу затронуть такую тему, как электрический ток. Что же это такое? Давайте попытаемся вспомнить школьную программу.
Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике
Если вы помните, чтобы заряженные частицы пришли в движение, (возник электрический ток) нужно создать электрическое поле. Чтобы возникло электрическое поле можно провести такие элементарные опыты, как потереть о шерсть пластиковую ручку и она какое-то время будет притягивать легкие предметы. Тела способные после натирания притягивать предметы называются наэлектризованные. Можно сказать, что у тела в таком состоянии есть электрические заряды, а сами тела называются заряженными. Из школьной программы мы знаем, что все тела состоят из мельчайших частиц (молекул). Молекула — это частица вещества, которую можно отделить от тела и она будет обладать всеми свойствами присущими этому телу. Молекулы сложных тел образовываются из различных сочетаний атомов простых тел. Например, молекула воды состоит из двух простых: атома кислорода и одного атома водорода.
Атомы, нейтроны, протоны и электроны — что это такое?
В свою очередь, атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него 
электронами. Каждый электрон атома обладает небольшим электрическим зарядом. Например, атом водорода состоит из ядра вращающего вокруг него электрона. 
Ядро атома состоит, в свою очередь, из протонов и нейтронов. Ядро атома, в свою очередь, обладает электрическим зарядом. Протоны, входящие в состав ядра, имеют такие же по величине электрические заряды и электроны. Но протоны, в отличие от электронов, малоподвижны, но их масса во много раз больше массы электрона.
Частица нейтрон, входящий в состав атома, не имеет никакого электрического заряда, нейтральна. Электроны, которые вращаются вокруг ядра атома и протоны, входящие в состав ядра, являются носителями равных по величине электрических зарядов. Между электроном и протоном всегда действует сила взаимного притяжения, а между самими электронами и между протонами сила взаимного отталкивания. В силу этого, электрон обладает отрицательным электрическим зарядом, а протон положительным. Из этого можно сделать вывод, что существует 2 рода электричества: положительное и отрицательное. Наличие в атоме равноименно заряженных частиц приводит к тому, что между положительно заряженным ядром атома и вращающимися вокруг него электронами действуют силы взаимного притяжения, скрепляющие атом в одно целое. Атомы отличаются друг от друга по количеству нейтронов и протонов в ядрах, из-за чего не одинаков положительный заряд ядер атомов различных веществ. У атомов различных веществ количество вращающихся электронов не одинаково и определяется величиной положительного заряда ядра. У атомов одних веществ прочно связаны с ядром, а у других эта связь может быть значительно слабее. Этим объясняется различная прочность тел. Стальная проволока значительно прочнее медной, значит, частицы стали сильнее притягиваются друг к другу, чем частицы меди. Притяжение между молекулами особо заметно, когда они находятся близко друг к другу. Самый яркий пример — две капли воды сливаются в одну при соприкосновении.
Электрический заряд
В атоме
любого вещества количество электронов, вращающихся вокруг ядра, ровно количеству протонов, содержащихся в ядре. Электрический заряд электрона и протона равны по величине, значит, отрицательный заряд электронов равен положительному заряду ядра. Эти заряды взаимно уравновешивают друг друга, а атом остается нейтральным. В атоме электроны создают вокруг ядра электронную оболочку. Электронная оболочка и ядро атома находятся в непрерывном колебательном движении. При движении атомы сталкиваются друг с другом и от них вылетает один или несколько электронов. Атом перестает быть нейтральным, становится положительно заряженным. Так как его положительный заряд стал больше отрицательного (слабая связь между электроном и ядром — метал и уголь). У других тел (дерево и стекло) нарушение электронных оболочек не происходит. Оторвавшись от атомов, свободные электроны беспорядочно двигаются и могут захватываться другими атомами. Процесс появлений и исчезновений в теле происходит непрерывно. С увеличением температуры, скорость колебательного движения атомов возрастает, столкновения учащаются, становятся сильнее, количество свободных электронов увеличивается. Однако тело остается электрически нейтральным, так как количество электронов и протонов в теле не меняется. Если из тела удалить некоторое количество свободных электронов, то плюсовой заряд становится больше суммарного заряда. Тело окажется заряжено положительно и наоборот. Если в теле создается недостаток электронов, то оно заряжается дополнительно. Если избыток — отрицательно. Чем больше этот недостаток или избыток, тем больше электрический заряд. В первом случае (больше положительно заряженных частиц) тела называют проводниками (металлы, водные растворы солей и кислот), а во втором (недостаток электронов, отрицательно заряженных частиц) диэлектриками или изоляторами (янтарь, кварц, эбонит). Для продолжительного существования электрического тока, в проводнике необходимо постоянно поддерживать разность потенциалов.
Ну вот и небольшой курс физики закончен. Я думаю, вы, с моей помощью, вспомнили школьную программу за 7 класс, а что такое разность потенциалов разберем в моей следующей статье. До новых встреч на страницах сайта.
Темы кодификатора ЕГЭ : постоянный электрический ток, сила тока, напряжение.
Электрический ток обеспечивает комфортом жизнь современного человека. Технологические достижения цивилизации - энергетика, транспорт, радио, телевидение, компьютеры, мобильная связь - основаны на использовании электрического тока.
Электрический ток - это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.
Электрический ток может возникать в самых различных средах: твёрдых телах, жидкостях, газах. Порой и среды никакой не нужно - ток может существовать даже в вакууме! Мы поговорим об этом в своё время, а пока приведём лишь некоторые примеры.
Замкнём полюса батарейки металлическим проводом. Свободные электроны провода начнут направленное движение от «минуса» батарейки к «плюсу».
Это - пример тока в металлах.
Бросим в стакан воды щепотку поваренной соли . Молекулы соли диссоциируют на ионы, так что в растворе появятся свободные заряды: положительные ионы и отрицательные ионы . Теперь засунем в воду два электрода, соединённые с полюсами батарейки. Ионы начнут направленное движение к отрицательному электроду, а ионы - к положительному.
Это - пример прохождения тока через раствор электролита.
Грозовые тучи создают столь мощные электрические поля, что оказывается возможным пробой воздушного промежутка длиной в несколько километров. В результате сквозь воздух проходит гигантский разряд - молния.
Это - пример электрического тока в газе.
Во всех трёх рассмотренных примерах электрический ток обусловлен движением заряженных частиц внутри тела и называется током проводимости .
Вот несколько иной пример. Будем перемещать в пространстве заряженное тело. Такая ситуация согласуется с определением тока! Направленное движение зарядов - есть, перенос заряда в пространстве - присутствует. Ток, созданный движением макроскопического заряженного тела, называется конвекционным .
Заметим, что не всякое движение заряженных частиц образует ток. Например, хаотическое тепловое движение зарядов проводника - не направленное (оно совершается в каких угодно направлениях), и потому током не является (при возникновении тока свободные заряды продолжают совершать тепловое движение! Просто в этом случае к хаотическим перемещениям заряженных частиц добавляется их упорядоченный дрейф в определённом
направлении).
Не будет током и поступательное движение электрически нейтрального тела: хотя заряженные частицы в его атомах и совершают направленное движение, не происходит переноса заряда из одних участков пространства в другие.
Направление электрического тока
Направление движения заряженных частиц, образующих ток, зависит от знака их заряда. Положительно заряженные частицы будут двигаться от «плюса» к «минусу», а отрицательно заряженные - наоборот, от «минуса» к «плюсу». В электролитах и газах, например, присутствуют как положительные, так и отрицательные свободные заряды, и ток создаётся их встречным движением в обоих направлениях. Какое же из этих направлений принять за направление электрического тока?
Попросту говоря, по соглашению ток течёт от «плюса» к «минусу» (рис. 1 ; положительная клемма источника тока изображена длинной чертой, отрицательная клемма - короткой).
Данное соглашение вступает в некоторое противоречие с наиболее распространённым случаем металлических проводников. В металле носителями заряда являются свободные электроны, и двигаются они от «минуса» к «плюсу». Но в соответствии с соглашением мы вынуждены считать, что направление тока в металлическом проводнике противоположно движению свободных электронов. Это, конечно, не очень удобно.
Тут, однако, ничего не поделаешь - придётся принять эту ситуацию как данность. Так уж исторически сложилось. Выбор направления тока был предложен Ампером (договорённость о направлении тока понадобилась Амперу для того, чтобы дать чёткое правило определения направления силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Сегодня эту силу мы называем силой Ампера, направление которой определяется по правилу левой руки) в первой половине XIX века, за 70 лет до открытия электрона. К этому выбору все привыкли, и когда в 1916 году выяснилось, что ток в металлах вызван движением свободных электронов, ничего менять уже не стали.
Действия электрического тока
Как мы можем определить, протекает электрический ток или нет? О возникновении электрического тока можно судить по следующим его проявлениям.
1. Тепловое действие тока . Электрический ток вызывает нагревание вещества, в котором он протекает. Именно так нагреваются спирали нагревательных приборов и ламп накаливания. Именно поэтому мы видим молнию. В основе действия тепловых амперметров лежит тепловое расширение проводника с током, приводящее к перемещению стрелки прибора.
2. Магнитное действие тока . Электрический ток создаёт магнитное поле: стрелка компаса, расположенная рядом с проводом, при включении тока поворачивается перпендикулярно проводу. Магнитное поле тока можно многократно усилить, если обмотать провод вокруг железного стержня - получится электромагнит. На этом принципе основано действие амперметров магнитоэлектрической системы: электромагнит поворачивается в поле постоянного магнита, в результате чего стрелка прибора перемещается по шкале.
3. Химическое действие тока . При прохождении тока через электролиты можно наблюдать изменение химического состава вещества. Так, в растворе положительные ионы двигаются к отрицательному электроду, и этот электрод покрывается медью.
Электрический ток называется постоянным , если за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника проходит одинаковый заряд.
Постоянный ток наиболее прост для изучения. С него мы и начинаем.
Сила и плотность тока
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока . В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время , к этому самому времени:
(1)
Измеряется сила тока в амперах (A). При силе тока в А через поперечное сечение проводника за с проходит заряд в Кл.
Подчеркнём, что формула (1)
определяет абсолютную величину, или модуль силы тока.
Сила тока может иметь ещё и знак! Этот знак не связан со знаком зарядов, образующих ток, и выбирается из иных соображений. А именно, в ряде ситуаций (например, если заранее не ясно, куда потечёт ток) удобно зафиксировать некоторое направление обхода цепи (скажем, против часовой стрелки) и считать силу тока положительной, если направление тока совпадает с направлением обхода, и отрицательной, если ток течёт против направления обхода (сравните с тригонометрическим кругом: углы считаются положительными, если отсчитываются против часовой стрелки, и отрицательными, если по часовой стрелке).
В случае постоянного тока сила тока есть величина постоянная. Она показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за с.
Часто бывает удобно не связываться с площадью поперечного сечения и ввести величину плотности тока :
(2)
где - сила тока, - площадь поперечного сечения проводника (разумеется, это сечение перпендикулярно направлению тока). С учётом формулы (1) имеем также:
Плотность тока показывает, какой заряд проходит за единицу времени через единицу площади поперечного сечения проводника. Согласно формуле (2) , плотность тока измеряется в А/м2.
Скорость направленного движения зарядов
Когда мы включаем в комнате свет, нам кажется, что лампочка загорается мгновенно. Скорость распространения тока по проводам очень велика: она близка к км/с (скорости света в вакууме). Если бы лампочка находилась на Луне, она зажглась бы через секунду с небольшим.
Однако не следует думать, что с такой грандиозной скоростью двигаются свободные заряды, образующие ток. Оказывается, их скорость составляет всего-навсего доли миллиметра в секунду.
Почему же ток распространяется по проводам так быстро? Дело в том, что свободные заряды взаимодействуют друг с другом и, находясь под действием электрического поля источника тока, при замыкании цепи приходят в движение почти одновременно вдоль всего проводника. Скорость распространения тока есть скорость передачи электрического взаимодействия между свободными зарядами, и она близка к скорости света в вакууме. Скорость же, с которой сами заряды перемещаются внутри проводника, может быть на много порядков меньше.
Итак, подчеркнём ещё раз, что мы различаем две скорости.
1. Скорость распространения тока . Это - скорость передачи электрического сигнала по цепи. Близка к км/с.
2. Скорость направленного движения свободных зарядов . Это - средняя скорость перемещения зарядов, образующих ток. Называется ещё скоростью дрейфа .
Мы сейчас выведем формулу, выражающую силу тока через скорость направленного движения зарядов проводника.
Пусть проводник имеет площадь поперечного сечения (рис. 2). Свободные заряды проводника будем считать положительными; величину свободного заряда обозначим (в наиболее важном для практики случая металлического проводника это есть заряд электрона). Концентрация свободных зарядов (т. е. их число в единице объёма) равна .
Рис. 2. К выводу формулы
Какой заряд пройдёт через поперечное сечение нашего проводника за время ?
С одной стороны, разумеется,
(3)
С другой стороны, сечение пересекут все те свободные заряды, которые спустя время окажутся внутри цилиндра с высотой . Их число равно:
Следовательно, их общий заряд будет равен:
(4)
Приравнивая правые части формул (3) и (4) и сокращая на , получим:
(5)
Соответственно, плотность тока оказывается равна:
Давайте в качестве примера посчитаем, какова скорость движения свободных электронов в медном проводе при силе тока A.
Заряд электрона известен: Кл.
Чему равна концентрация свободных электронов? Она совпадает с концентрацией атомов меди, поскольку от каждого атома отщепляется по одному валентному электрону. Ну а концентрацию атомов мы находить умеем:
Положим мм . Из формулы (5) получим:
М/с.
Это порядка одной десятой миллиметра в секунду.
Стационарное электрическое поле
Мы всё время говорим о направленном движении зарядов, но ещё не касались вопроса о том, почему свободные заряды совершают такое движение. Почему, собственно, возникает электрический ток?
Для упорядоченного перемещения зарядов внутри проводника необходима сила, действующая на заряды в определённом направлении. Откуда берётся эта сила? Со стороны электрического поля!
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, внутри проводника должно существовать стационарное (то есть - постоянное, не зависящее от времени) электрическое поле. Иными словами, между концами проводника нужно поддерживать постоянную разность потенциалов.
Стационарное электрическое поле должно создаваться зарядами проводников, входящих в электрическую цепь. Однако заряженные проводники сами по себе не смогут обеспечить протекание постоянного тока.
Рассмотрим, к примеру, два проводящих шара, заряженных разноимённо. Соединим их проводом. Между концами провода возникнет разность потенциалов, а внутри провода - электрическое поле. По проводу потечёт ток. Но по мере прохождения тока разность потенциалов между шарами будет уменьшаться, вслед за ней станет убывать и напряжённость поля в проводе. В конце концов потенциалы шаров станут равны друг другу, поле в проводе обратится в нуль, и ток исчезнет. Мы оказались в электростатике: шары плюс провод образуют единый проводник, в каждой точке которого потенциал принимает одно и то же значение; напряжённость
поля внутри проводника равна нулю, никакого тока нет.
То, что электростатическое поле само по себе не годится на роль стационарного поля, создающего ток, ясно и из более общих соображений. Ведь электростатическое поле потенциально, его работа при перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю. Следовательно, оно не может вызывать циркулирование зарядов по замкнутой электрической цепи - для этого требуется совершать ненулевую работу.
Кто же будет совершать эту ненулевую работу? Кто будет поддерживать в цепи разность потенциалов и обеспечивать стационарное электрическое поле, создающее ток в проводниках?
Ответ - источник тока, важнейший элемент электрической цепи.
Чтобы в проводнике протекал постоянный ток, концы проводника должны быть присоединены к клеммам источника тока (батарейки, аккумулятора и т. д.).
Клеммы источника - это заряженные проводники. Если цепь замкнута, то заряды с клемм перемещаются по цепи - как в рассмотренном выше примере с шарами. Но теперь разность потенциалов между клеммами не уменьшается: источник тока непрерывно восполняет заряды на клеммах, поддерживая разность потенциалов между концами цепи на неизменном уровне.
В этом и состоит предназначение источника постоянного тока. Внутри него протекают процессы неэлектрического (чаще всего - химического) происхождения, которые обеспечивают непрерывное разделение зарядов. Эти заряды поставляются на клеммы источника в необходимом количестве.
Количественную характеристику неэлектрических процессов разделения зарядов внутри источника - так называемую ЭДС - мы изучим позже, в соответствующем листке.
А сейчас вернёмся к стационарному электрическому полю. Каким же образом оно возникает в проводниках цепи при наличии источника тока?
Заряженные клеммы источника создают на концах проводника электрическое поле. Свободные заряды проводника, находящиеся вблизи клемм, приходят в движение и действуют своим электрическим полем на соседние заряды. Со скоростью, близкой к скорости света, это взаимодействие передаётся вдоль всей цепи, и в цепи устанавливается постоянный электрический ток. Стабилизируется и электрическое поле, создаваемое движущимися зарядами.
Стационарное электрическое поле - это поле свободных зарядов проводника, совершающих направленное движение.
Стационарное электрическое поле не меняется со временем потому, что при постоянном токе не меняется картина распределения зарядов в проводнике: на место заряда, покинувшего данный участок проводника, в следующий момент времени поступает точно такой же заряд. По этой причине стационарное поле во многом (но не во всём) аналогично полю электростатическому.
А именно, справедливы следующие два утверждения, которые понадобятся нам в дальнейшем (их доказательство даётся в вузовском курсе физики).
1. Как и электростатическое поле, стационарное электрическое поле потенциально. Это позволяет говорить о разности потенциалов (т. е. напряжении) на любом участке цепи (именно эту разность потенциалов мы измеряем вольтметром).
Потенциальность, напомним, означает, что работа стационарного поля по перемещению заряда не зависит от формы траектории. Именно поэтому при параллельном соединении проводников напряжение на каждом из них одинаково: оно равно разности потенциалов стационарного поля между теми двумя точками, к которым подключены проводники.
2. В отличие от электростатического поля, стационарное поле движущихся зарядов проникает внутрь проводника (дело в том, что свободные заряды, участвуя в направленном движении, не успевают должным образом перестраиваться и принимать «электростатические» конфигурации).
Линии напряжённости стационарного поля внутри проводника параллельны его поверхности, как бы ни изгибался проводник. Поэтому, как и в однородном электростатическом поле, справедлива формула , где - напряжение на концах проводника, - напряжённость стационарного поля в проводнике, - длина проводника.
