Что такое электрический ток?

С многочисленными иллюстрациями, формулами и красочными выделениями статью можно прочитать тут:
http://bolshoyforum.com/forum/index.php?page=2096

     Исторически сложилось так, что направление протекания электрического тока принято от «плюса» к «минусу», то есть от положительного к отрицательному электроду источника питания. Тогда ещё не был открыт электрон. На самом деле, если рассматривать металлический проводник, то электроны, являющиеся единственными носителями заряда, движутся от отрицательного электрода к положительному, и действительное направление тока противоположно принятому.

Как-то так получается, учебники полны законами электродинамики, но общей картины электрического тока не дают. Мозаичная картина создаёт впечатление, неуверенности учёных мужей в понимании этого природного явления. Можно даже встретить громкие заявления об отсутствии на сегодняшний день такового. Попробуем самостоятельно проанализировать имеющиеся факты.    

В учебниках физики его называют потоком электронов, движущихся из места, где они в избытке туда, где их недостаток. Измеряют в Амперах. А=Кл/с (1 Кл равен заряду 6 241 509 074 460 762 608 электронов). Когда металлический проводник подключается к полюсам источника питания, или генератора, электроны, находящиеся на верхних орбитах его атомов и слабее связанные с ними, образуют правильные цепочки и начинают двигаться в одном направлении при постоянном токе, либо колебаться туда-сюда при переменном. Энергия электричества передаётся по проводнику со световой скоростью, обгоняя ползущие по миллиметру в секунду электроны. Отсюда следует, что сама природа электричества электромагнитна, и выражается электрическим потенциалом U Дж/Кл. В зависимости от него одно и то же количество Кл/с может передавать разное количество энергии Дж. Но, если увеличивать потенциал для одной и той же цепи, будет расти и количество носителей энергии (Кл/с), - нитей энергопередачи. Электромагнитная энергия расставляет электроны в цепочки, словно бусинки на ожерелье, придаёт им кинетическую энергию, и использует в виде транспортной ленты, растянувшейся от полюса к полюсу. В микроволновой печи она вообще обходится без электронного посредничества, дистанционно доставляюсь в место потребления.

Сопротивление R (Ом) это фильтр, ограничивающий количество таких нитей, и кинетическую энергию составляющих их электронов, - силу тока. Плотность нити возрастает после прохождения через сопротивление за счёт снижения скорости. При этом сколько электронов зашло в сопротивление, столько же из него и вышло, - сила тока Кл/с остаётся одинаковой на всём протяжении. Без сопротивления электрический ток представляет собой условно бесконечное множество цепочек движущихся электронов, передающих такую же условно бесконечную энергию. Поскольку энергия нужна порционно, и потому, что от перегрева, провоцируемого внутренним сопротивлением и запредельными значениями силы тока проводка разрушится, в потребитель встраивают сопротивление, обрезающее лишние цепочки, и понижающие кинетическую энергию электронов. В лампочке накаливания оставляют крошечную «дырку» (большое сопротивление), в нити накаливания огромная дыра (маленькое сопротивление). Оно называется омическим. Омическое сопротивление цепи можно измерить омметром без подачи питания, измерив сопротивление между клеммами. Элементы активного сопротивления, электромотор, обогреватель, проявят себя только после подачи в цепь электрического тока. Поэтому отождествление омического сопротивления с активным распространенная ошибка.

    Различают так же активное и реактивное сопротивления. Мощность, выделяемая на активном сопротивлении, цепь покидает навсегда в виде потраченной на свет, обогрев, и т.д энергии. А энергия на реактивном сопротивлении выделяется с возвратом, запасаясь временно в электрическом и магнитном полях, никакой работы не совершая. Их два вида - индуктивное ("складируется" в магнитном поле) и ёмкостное (в электрическом) сопротивления. Индуктивное сопротивление (катушка) возникает из-за противодействия току меняющегося магнитного поля, которое вызвано этим же током, - ток через магнитное поле мешает меняться сам себе, что и снижает переменный ток или постоянный, но в моменты его нарастания или убывания. (Катушка аналог тяжёлого водного колеса, сначала заимствующего энергию падающей на него воды, а потом крутящегося по инерции без всякой воды.) Вот и получается, что сопротивление есть, а энергия на нём не тратится - половину периода запасается, половину - расходуется из запасов.

При параллельном соединении нагрузка на проводку возрастает, ибо все приборы подключаются не к уже отведённому ручейку, как в случае последовательного соединения, а к главной артерии. Каждый новый включённый прибор добавляет свой поток энергии через главный канал проводки. Если в розетке указан параметр напряжения 220 В, это значит, что каждый заряд равный 1 Кл переносит в секунду 220 Дж.

    Максимально допустимая сила тока стандартной розетки 16 А. Значит, в такую розетку можно включить электроприборы общей мощностью не больше: P = 16 А х 220 В = 3 520 Кл/с ; Дж/Кл = 3,5 кДж/с = 3,5 кВт. (Более мощные приборы сожгут проводку.) Если сила тока огромна, но напряжение мизерно, то человеческому организму такой энергетический удар не причинит ущерба, как и если сила тока будет мизерна, а напряжение огромно.

Номинал напряжения источника питания означает какую энергию он может сообщить одному кулону электрического заряда (Дж/Кл). Если имеются два последовательных резистора, они, словно сговорившись создают тот же эффект фильтрации энергии, что и резистор суммарного номинала. В водной аналогии через два одинаковых по размеру отверстия протекало бы одно и то же количество воды, сколько этих отверстий не наставь друг за другом. Тут ближе аналогия слоёв фильтровальной бумаги. Если измерить падение напряжения на краях одиночно подключённого к источнику резистора, замер одновременно покажет напряжение источника питания. Падение напряжения на резисторе не константа, оно зависит от силы тока, - чем больше сила тока на одном и том же резисторе, тем больше энергии он пропускает. Если подключение параллельное, каждый резистор подключен к источнику питания индивидуально. Электромагнитная энергия всегда "размазывает" себя на все расположенные друг за другом резисторы, уменьшаясь при этом на пропорциональное падение силы тока. Если при 1 В источника 1 Ом пропускал мощность 1 Вт, то при двух последовательных Омах пропускная мощность составит 0,5 Вт, а 0,5 Вт даже не вызовут из источника питания.    

Электрический ток должен создавать неразрывные цепочки из носителей заряда. Сколько электронов выйдет из источника к первому резистору, зависит от последующих резисторов. Все вместе резисторы должны оставить столько электронных цепочек, сколько разрешает данный номинал напряжения источника питания. При включении питания, со скоростью света по "головам" находящихся на верхних орбитах атомов электронов, срывая их с места, бежит электромагнитная энергия. Она связывает их в электронную цепочку, которая должна "пролазить" через резисторы не по очереди, а сразу через все, и определяет, сколько электронов может двигаться со стороны источника питания.

На выходе из резистора сниженная скорость каждого электрона оставляет силу тока (Кл/с) прежней за счёт уплотнения электронного потока. (Поэтому распространенная аналогия с водой не подходит.) Чтобы энергия перекачивалась, электроны должны двигаться. Они и двигаются, но постепенно снижая свою индивидуальную кинетическую энергию. При переменном токе эта картина периодически меняет направление, - медленные электроны то справа, то слева от резистора.

Если R=0, то при любом U сила тока I Кл/с = условная бесконечность. Чтобы договорится о градуировке R, предложили приравнять его к единице, когда 1 Дж/Кл(U) = 1 Кл/с(I) => 1 Ом= 1 В/1 А. Таким образом R=1 Ом вырезает в условной бесконечности электронных цепочек потоки в 1 Кл/с, при энергии 1 Дж. Если теперь добавить за первым R второе такое же, то количество электронных цепочек упадёт ещё вдвое I = 1/2 (Кл/с), - R2 отрежет от уже отрезанного половину. Так рождается закон Ома для участка цепи U = I;R.

До сих пор мы говорили о сопротивлениях, отражающих энергию – резисторах. Но есть сопротивления, поглощающие её, лампочка, электромотор, нагревательная спираль, - нагрузка. Они могут быть дополнительно оборудованы резисторами, но сами по себе приходящую энергию поглощают. На атомарном уровне резистора электромагнитный потенциал источника трансформируется, а в активном сопротивлении расходуется. И на обогревателях, и у лампочки есть резисторы, трансформирующие часть поступающей энергии, но на лампочке они на порядки больше. Иначе не объяснить, почему лампочка и мощный обогреватель, включённые в одну и ту же розетку, дают разное количество тепла. В итоге имеем картину: до резистора электроны энергичны, в сопротивлении они сгущаются и "затихают" как уставший ребёнок. По ним бежит к активному потребителю равномерно распределённая по всей длине проводника электромагнитная энергия. Если на входе в резистор электроны двигались со скоростью 1 Кл/с (А), перенося 1 Дж, то после выхода с сопротивления пространственный участок проводника через который проходил до резистора 1 Кл/с, теперь проходит 2 Кл за 2 секунды, переносящие всё тот же 1 Дж. Один Кулон теперь транспортирует 0,5 Дж, что и называется падением напряжения.

Количество этой энергии при данном напряжении источника питания строго пропорционально имеющемуся электронному потоку. Напряжение источника питания исходя из пропускных параметров резистора определяет нужное ей количество электронов. Популярное сравнение резистора с узким местом, в котором электроны, сталкиваясь, гасят энергию друг друга, не годится, так как резистор бы тогда превратился в нить накаливания. Чем быстрее движется электрон, или чем больше электронов, тем большую энергию разрешила им природа передавать. То есть причина не в закупорке проходного отверстия в резисторе, она в количестве пропущенной резистором электромагнитной энергии, следствием чего становится уже форма электронного потока. Когда поток сформирован, по нему, как по рельсам налаживается постоянная доставка нужного количества энергии к лампочке или нити накаливания. Резистор трансформирует разреженный быстрый поток в плотный медленный, и потому не накапливает энергию сам, откуда вывод – плотность потока неразрывно связана со скоростью каждого электрона в потоке, что в свою очередь означает, - передаваемая электромагнитная энергия не простое суммирование кинетических энергий отдельных электронов. Значение имеет так же их близость друг к другу.

При U =конст. и переменной R, сила тока I = U/R падает по параболе 1/x. По тому же самому закону суммируется сопротивление при параллельном соединении 1/R=1/R1+1/R2+…1/Rn, что выводится из Закона Ома, и сложения сил тока. Широки ли каналы или узки, температура воды в них после разветвления одинакова. При параллельном соединении электроны по разным рукавам от источника к различным по номиналу резисторам идут с разной потоковой скоростью, но при прохождении их в равной степени теряют индивидуальную скорость, так как напряжение падает одинаково на всех без различия сопротивлениях, ибо уровень падения определяет не их "пропускная способность", а источник питания.    
https://osnovy1.narod.ru/images/2024/image004.jpg
Если после резистора мы поставим активное сопротивление (нагрузку), падение напряжения на нём так же произойдёт, на выходе с нагрузки плотность электронов так же увеличится, скорость отдельного электрона снизится, но перевозить он будет гораздо меньше энергии, чем в случае прохода через резистор. Энергия начинает тратиться.

В генераторе переменного тока электроны разгоняются напряжённостью магнитного поля рабочего магнита, и скоростью вращения рамки.

    Генератор подключён к потребителю двумя проводами, между которыми есть напряжение. По ним движутся электроны. Если третий провод (землю) соединить с одним из них, ток будет бегать точно так же, но один провод розетки становится безопасным. За него можно взяться, стоя ногами в луже. Так в наших розетках появился "ноль" и "фаза". Если взяться за фазу соприкасаясь с землёй, она замыкается с нулём. (Если нуля не делать, нельзя поручится, что в разветвлённой сети электропроводки какой-нибудь провод не замкнулся на землю. Поэтому заземляют превентивно, делая безопасной хотя бы одну клемму розетки.)

При генерации электрического тока вращением рамки в магнитном поле, каждый поворот её на 180 градусов обращает ток вспять. Получается биение. (В Европе 50 Гц – поворотов рамки в секунду.) Следовательно, именно движение электронов провоцирует распространение электромагнитного импульса в электрическом токе при его генерации, а не наоборот. Кинетическая энергия вращения рамки переходит в электромагнитную энергию электрического тока, или вращение рамки искривляет пространство так, что наблюдается электрический ток, превращая покой в движение.

Без соединения с потребителем ток во вращающейся рамке закоротится на другой её стороне. Для передачи энергии нужен замкнутый контур из достаточно близко расположенных электронов, имеющих кинетический импульс. Если расстояние между передающими электронами превышает допустимое для данного напряжения, происходит обрыв, и ток перестаёт транспортироваться. Энергию своего движения электроны могут отдавать кинетическим образом, - вращая другую рамку, или через излучения квантов света. Движущийся в потоке электрон постоянно со скоростью света получает и отдаёт энергетическую подпитку. Энергия на нём не задерживается, и поэтому будучи "трамплином" для неё, электроны на всём протяжении цепи меняют свою скорость, плотность потока, энергию. В токе поток электронов и энергии по сути одно и то же явление. Деление его на множество электронов условно.

При передаче тока на большие расстояния потери в линиях передач пропорциональны квадрату силы тока, а чем выше напряжение, тем меньше ток (при той же мощности) и, следовательно, тем меньше потери. (Электронов становится меньше за счёт снижения их плотности, но каждый перетаскивает прежнюю энергию.) Каждая линия передач имеет предельное напряжение и передаваемая мощность переменного тока будет в 2 раза меньше, чем у постоянного, так как у переменного больше разного рода помех и необходимостей синхронизации.

Велосипедная цепь связывает две шестерни, которые могут быть разного диаметра. Если они равны друг другу, передаваемое от педалей колёсам усилие не меняется. Если шестерня педалей больше шестерни толкающего колеса, усилие, передаваемое толкающему колесу, увеличивается пропорционально падению скорости цепи. И наоборот. Главное, при любых раскладах энергия остаётся прежней. Велосипедный аналог в виде трансформатора напряжения повторяет эту философию на электрическом уровне, только роль шестерён играют катушки с проводником разного количества витков, велосипедная цепь - металлический сердечник, соединяющий обе катушки (либо расположение катушек друг в друге), скорость движения цепи - сила тока. Первая катушка генерирует равное количество зарядов во второй катушке, передавая им часть своей энергии. Если она имеет вдвое меньше витков, чем принимающая, происходит увеличение удельного напряжения вдвое, так как одно и то же количество зарядов приходится на вдвое больший объём проводника, плотность Кл/с снижается, но энергия, переносимая совокупностью зарядов, остаётся прежней.

Электроны начинают двигаться с ускорением, их коллективное магнитное поле создаёт коллективное электрическое поле, обладающее такой напряжённостью, что оно легко простреливает расстояние между вложенными катушками или до сердечника, толкая тамошние электроны. Причём каждому электрону в одной обмотке соответствует всё тот же один электрон в другой обмотке.

Электрический заряд окружён "полем", которое из неподвижной ИСО (с самого заряда) видится электрическим, а из подвижной, причём не важно, движется ли сам заряд, или наша ИСО, ещё и магнитным полем.

    Генерация атомом магнитного поля говорит о том, что электрон на орбите действительно вращается, а отсутствие генерации электромагнитных волн говорит обратное, - электрон неподвижен. Поскольку такое его поведение наблюдается только рядом с разноимённой заряженной частицей - протоном в ядре, тот блокирует свойства электрона ответственные за электромагнитное излучение, свойства, благодаря которым движущейся заряженной частице "подражают" другие заряженные частицы. Протон и электрон в атоме "видят" друг друга неподвижными, удаляя из электромагнитных взаимоотношений электрическую составляющую для внешнего наблюдателя, и магнитную для внутреннего.

Движущийся равномерно и прямолинейно одиночный заряд, видится, как создатель магнитного "поля", за счёт прибывания при пролёте нашего наблюдательного пункта, и убывания, то есть в момент изменения. Если мимо нашего пункта наблюдения проходит постоянный ток, обеспечивающий равномерность прохождения зарядов без убываний и возрастаний, магнитное поле не меняется. Если заряженная частица влетает в магнитное поле, она "видит" его как электрическое, поскольку оно изменяется, и именно это электрическое поле действует на движущуюся заряженную частицу. Если рядом с проводником постоянного тока лежит неподвижный электрон, он так и будет лежать дальше. Но если по проводнику движется переменный ток, "видящийся" неподвижному электрону как электрическое поле, электрон начнёт двигаться (будет индуктироваться ЭДС — скалярная физическая величина, численно равная работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного электрического заряда. Единица измерения вольт (В)). Именно поэтому трансформаторы на постоянном токе не работают. (И именно поэтому для транспортировки тока на большие расстояния в целях экономии предпочитают переменный ток, "перекладывая" энергию из его силы Кл/с в напряжение Дж/Кл.)

Эта удивительная перевёрнутая симметрия вдохновила многих на перенесение её в Специальную Теорию Относительности, будто не имеет значение, сжимается ли плечё интерферометра реально, или виртуально. Но дело в том, что если плечё интерферометра не сжимается физически, то релятивистские эффекты становятся виртуальными, и вся СТО просто красивая легенда не стоящая выеденного яйца. Плечо интерферометра не может сжаться в одной ИСО, и остаться прежней в другой, ибо тогда это уже не одно и то же плечо, а два независимых. (Для многих современных образованцев это стало камнем преткновения, который они не в силах преодолеть, так как не пытались вывести СТО самостоятельно.) Если же мы говорим об электромагнитном поле, то в отличии от сжатого плеча интерферометра оно несубстанциально. Нет вещества этого поля, материи. Мы им называем "искривление" пространства, которое само не существует. И потому аналогия неприемлема.

В квантовой физике придумали такое понятие, как электрон-вольт, - энергия (Дж) равная по номиналу единичному электрическому заряду 1эВ=1,6;10-19 Кл; 1В=1,6;10-19Дж, и переданная ему в результате прохождения разности потенциалов в 1 Вольт. С помощью электрона мы можем оценить "невидимую" электромагнитную энергию через оценку его кинетической энергии, но электрон сам по себе всё равно не является её тождеством. (Хотя при аннигиляции с позитроном оба превращаются в два одинаковых кванта строго определённой энергии.) Если квант энергии 1,6; 10-19Дж "попадёт" в электрон, считается что он прошёл разность потенциалов в 1 Вольт. То же самое, если электрон получил кинетический импульс 1,6;10-19Дж от попадания в него другой микрочастицы обладающей массой покоя, например, нейтрона.

Субсветовой электрон при прохождении сильного магнитного поля вблизи квазаров излучает узкий пучок синхротронного излучения, - зримое наблюдение того, что происходит в радиоантенне, в которой электроны движутся тоже с ускорением, - генерация переменного электромагнитного излучения ускоряющейся заряженной частицей. (Только в антенне электроны раскачивают притоком внешней энергии, а субсветовой электрон движется в чужом магнитном поле с постоянной кинетической энергией.)  Всё выглядит как в диснеевском мультфильме, когда персонаж так быстро срывается с места, что его душа в виде туманного очертания за ним не поспевает. Только в этом случае "душа" электрона (электромагнитное излучение) опережает сам электрон, и именно оно распространяется по проводнику со скоростью света.

В свете вышесказанного принципиально неверно называть электрический ток только потоком электронов. Электроны лишь велосипедная цепь, телеграфные провода, по которым передаётся кинетическое усилие, "телеграмма", - энергетический ток. Именно "невидимая" электромагнитная энергия крутит моторы, освещает, передаёт на расстоянии без проводов. Поскольку каждый электрон перевозит на участке цепи равную порцию энергии, зная их количество (суммарный заряд в секунду) мы определяем общую переданную, или затраченную/обрезанную энергию.

В статьях:
Общая теория поля
Проблема закона сохранения энергии в квантовой механике
Один пример бреда современных "квантовых механиков"
мы всесторонне проанализировали электромагнитные явления, и пришли к выводу что попытки объяснить их невидимыми корпускулами смехотворны, и самое правильное, что можно сделать, - признать непостижимость их материальности с бытовой точки зрения, обозначив наше недоумение предложенной Эйнштейном формулой "искривления пространства" под действием магнитного поля и электрических зарядов. Квант энергии — это искривление пространства в виде кинетического импульса, передаваемого от электрического заряда к электрическому заряду со скоростью света в прямой видимости от точки излучения в точку поглощения. Транспортировка этого искривления пространства по цепочкам электронов и есть электрический ток.

Итак, электроны сами по себе никуда не движутся. Они переводят движение в электромагнитную энергию, и электромагнитную энергию в движение. Заряженная частица имеет только электрический заряд, но любое движение, даже не её собственное, обнаруживает у неё и магнитное поле, делая электрон электромагнитной частицей. Причём, частицей обладающей массой покоя и вследствие этого могущей двигаться с разными скоростями. Далее, все электроны обладают удивительной особенностью действовать так, будто они сохраняют единство, если нет разрывов проводника. Если замкнуть рамку генератора на саму себя, электроны из той его части, где их избыток, куда они двигались, хлынут в часть, где их недостаток, откуда они двигались, и где протоны (позитроны) в ядрах атомов остались без своей пары. Электромагнитная энергия не найдя выхода будет нагревать рамку.
Поливанов О.И.
31.10.2024г