Напряжение и потенциал

   Тему природы электрического напряжения и разности потенциалов я не раз затрагивал в своих опусах. Издавна принято считать, что напряжение – это разность между количеством электронов в двух точках. Если задать вопрос: как создаётся электрическое напряжение? – то сторонник традиционного взгляда вспомнит сразу о двух механизмах создания напряжения – генераторе тока и реакциях в химических источниках тока. Вот пример забавного ответа «специалиста», который я встретил в одном из материалов сети:

   «В генераторе, под действием магнитного поля, создаётся «туча» электронов (высокий потенциал) у отрицательного полюса. При замыкании цепи электроны из места с большим потенциалом (из «тучи») начинают движение через замкнутую цепь к положительному полюсу генератора; там их мало (низкий потенциал), т. к. действием магнитного поля их вытеснило в «тучу» к отрицательному полюсу. Но одновременно они «засасываются» из цепи и из «тучи» в положительный полюс, и из положительного полюса они магнитным полем проталкиваются в «тучу» к отрицательному полюсу. Генератор работает как насос, толкая электроны от отрицательного полюса и всасывая их от положительного.

   В аккумуляторной батарее происходит химический процесс, и пока происходит химический процесс и выделяются «тучи» электронов (высокий потенциал) на отрицательном полюсе, электроны (ток) текут через цепь к положительному полюсу (низкий потенциал). Когда уменьшается количество вещества, вступающего в химическую реакцию, тогда уменьшается и «тучка» электронов у отрицательного полюса, и батарея не полностью разряжена. Когда химическая реакция прекратилась – не вырабатываются свободные электроны, и «тучки» больше нет, тогда напряжения нет. Батарея «села». Ток не течёт».

   Вы, вероятно, поняли – почему я назвал такое объяснение «забавным»! Если говорить о генераторе тока, то он создаёт переменный ток, две полуволны с противоположным потенциалом, с напряжением противоположных потенциалов на клеммах генератора. То тут, как минимум, нужно говорить о двух «кучах», куче отрицательных электронов на одной клемме генератора и куче положительных электронов – на другой клемме. И эти потенциалы разных знаков на клеммах генератора периодически меняются местами, с частотой вращения ротора. Вот это будет ближе к делу, чем толкование «специалиста», где есть большая «куча» отрицательных электронов и малая «кучка» отрицательных электронов!    

  С аккумуляторной батареей толкование «специалиста» – в том же духе, с «тучей» отрицательных электронов на отрицательном полюсе и с «тучкой» отрицательных электронов – на положительном полюсе. В химических источниках тока имеет место встречное движение противоположных зарядов в кислотной или щелочной среде. В сущности, согласно симметрии, такое же  встречное движение противоположных зарядов должно происходить и в проводнике, замыкающем клеммы аккумулятора. Однако нынешняя учёная мысль такого встречного движения зарядов в соединяющем проводнике не допускает! Учёная мысль делает иначе: она говорит – ток течёт от плюса к минусу (по Амперу), но отрицательные заряды идут от минуса к плюсу! И вашим, и нашим, а в целом – никому! Вот почему даже «остепенённые» учёные позволяют себе говорить о том, что природа электрического тока пока неясна…      

   Конечно, главной причиной существования электрического напряжения, разности потенциалов, тока – является предшествующее разделение зарядов, условно, зарядов положительного знака и зарядов отрицательного знака. В начале и в середине 19-го века учёные охотно признавали существование и равенство зарядов обоих знаков, и даже двухстороннее течение токов в проводниках. Но с открытием электронов в 1897 году (Дж. Томсон, опыт с катодными лучами) ситуация резко изменилась. Носителем тока в ферромагнетиках и в металлических проводниках признали лишь отрицательный электрон, а положительный заряд здесь как бы вытеснили совсем. Лишь в щелочах и в кислотах оставили место и положительным носителям тока (ионам). Но Томсон открыл электроны в опытах с катодными лучами, в стеклянной колбе с выкачанным воздухом, и большими потенциалами на электродах (тысячи вольт). Знак заряда – положительность и отрицательность – это принятая условность. Если принято считать, что на катоде – отрицательный заряд потенциала, то на аноде – положительный. А ведь можно было бы назвать полюса постоянных магнитов и иначе: северный – положительным полюсом, а южный – отрицательным. Тогда на катоде мы имели бы положительный потенциал, а на аноде – отрицательный потенциал. И  тогда частицы в электронно-лучевой трубке, вылетающие из катода, у нас были бы не отрицательными, а положительными! И все носители тока в ферромагнетиках и в металлах были бы у нас положительными! Но главным ориентиром в полярности постоянных магнитов выбрано магнитное поле Земли. Северная (синяя) стрелка компаса показывает на север, встаёт сонаправленно с магнитным полем Земли. Если магнитное  поле является вихревым полем, полем вращения, то можно определить направление этого вращения. В опытах Гастона Планте (1834-1889 гг.) южный полюс магнита (или электромагнита) вызывает вращение жидкости электролита по часовой  стрелке, северный полюс магнита – против часовой стрелки. Полярность постоянного магнита определяет и полярность «заряженных» частиц: отрицательная частица пойдёт по нисходящей винтовой к южному полюсу магнита, а положительная – к северному. Но, как ни странно это звучит, движущиеся заряженные частицы к магнитному полюсу, будучи «антагонистами» с полюсами магнитов, имеют одинаковое вращение вихревого магнитного поля, сонаправленное! Это как при взаимодействии полюсов постоянных магнитов: хоть они противоположны по полярности, но направление вихревых магнитных полей у них одинаково, сонаправленно; и при интерференции, при наложении, вихревые поля складываются и усиливают динамику среды физ. вакуума. При этом давление и плотность среды физ. вакуума в месте наложения заметно падают, а внешнее давление сдавливает полюса магнитов в единое целое.            

   Во всех случаях разделения зарядов всегда рождается пара квазичастиц – электронов левого и правого спинов (левый электрон, лэлек; правый электрон, пэлек). Отрицательный электрон никогда не рождается в одиночку, без пары! Квазичастицы пэлеки и лэлеки – равноправные участники всех электромагнитных явлений и процессов! Пока мы этого не признаем – полного понимания природы электромагнетизма не будет! И в работе электрического генератора, и в химических реакциях в аккумуляторе, и при обычном трении, и при деформации пьезокристаллов, и при работе фотоэлементов – везде рождаются пары квазичастиц, лэлеков и пэлеков! Их встречное движение в проводнике и взаимное уничтожение в реакции аннигиляции может совершать работу: греть, светить, вращать и прочее.    

   Недавно в сети Интернета встретил материал с названием «Что на самом деле толкает заряд по проводу и создаёт ток?». Вот примечательная цитата из этого материала: «Когда источник тока создаёт разность потенциалов (грубо говоря, делает так, что с одной стороны энергии больше, а с другой – меньше), энергия начинает двигаться по полю туда, где её меньше. Это энергетически выгодно, природа всегда идёт по пути наименьшего сопротивления…».

   Уже даже в таком взгляде кроется ошибка! Элементарное непонимание природы разности потенциалов! Разность потенциалов – это плотности зарядов и энергии давления зарядов противоположных знаков; плотности зарядов одинаковы; никакого различия по величинам энергии тут нет, энергии одинаковы! Без разности плотности зарядов разных знаков нет напряжения, нет потенциала, и не будет тока при замыкании цепи! Как сказал выше, всякой разности потенциалов и току предшествует процесс разделения зарядов! Самые распространённые – генераторы тока и химические реакции. В генераторах тока происходит взаимодействие изменяющихся магнитных полей постоянного магнита с магнитными полями частиц-зарядов проводника. Быстрое поперечное вращение магнитных диполей частиц-зарядов проводника рождает гамма-фотоны, которые не успевают покинуть пределы проводника и превращаются в сильных полях атомных ядер в пары свободных зарядов – электрон левого спина вращения и электрон правого спина вращения (лэлеки и пэлеки). В химических реакциях, при разрыве связей атомов, также имеет место рождение свободных зарядов – лэлеков и пэлеков. Когда цепь не замкнута – противоположные заряды копятся в одинаковых количествах на противоположных концах электродов, как у электрофорной машины. Хотя, при  большом потенциале, большой энергии давления зарядов – заряды могут постепенно стекать с электрода, особенно во влажной атмосфере. Батарейка быстрее разряжается, если влажность воздуха высока.
 
   Разность потенциалов, точнее, знаковое различие потенциалов создаёт электрическое поле. И когда под нагрузкой разность потенциалов замыкается проводником, то электрическое поле знакового различия потенциалов со скоростью света ставит неспаренные спины частиц атомов проводника в сонаправленное состояние, как в постоянном магните. И только при таком условии заряды от источника тока могут  свободно неспешно двигаться по проводнику навстречу друг другу, устраняя знаковое различие потенциалов, аннигилируя, уничтожаясь, совершая при этом работу – грея, вращая взаимодействием магнитных полей, освещая и прочее. Природа электрического тока – двойственна! Об этом знали ещё в 19-м веке (Вебер), но забыли. Любой электрический ток – этот разряд знакового различия потенциалов, растянутый во времени!

   И ещё здесь хотелось бы помянуть о важном моменте электродинамики, которое подарил науке Максвелл. Конечно, речь о токе смещения, представления о котором прошли путь от спорной гипотезы до фундаментального принципа. Но и сегодня природа тока смещения остаётся для многих до конца не уяснённой. Природу тока смещения понять не сложно, если помнить, что все частицы с неспаренными спинами в атоме являются магнитными диполями. Также магнитными диполями могут являться сами атомы и молекулы. Электрическое поле источника постоянного тока, при замыкании цепи, со скоростью света ориентирует неспаренные спины частиц атомов проводника сонаправленно, ставит их оси спинового вращения «одним курсом». Вот эта ориентация спинов частиц со скоростью света и есть ток смещения, т. е. тут нет поступательного движения частиц по проводнику, но есть волновое движение переворачиваемых спинов частиц. Сонаправленная ориентация спинов создаёт вокруг проводника с постоянным током вихревое магнитное поле, как в постоянном магните. Если ток будет переменный, то неспаренные спины частиц атомов проводника будут поперечно переворачиваться согласно колебаниям тока, и проводник станет излучать в среду физ. вакуума переменные магнитные волны, которые мы называем электромагнитными. Ток смещения – это спиновые волны, распространяющиеся в проводнике со скоростью света. И уходящие от проводника переменные магнитные волны тоже уходят в среду физ. вакуума со скоростью света. Загадочная постоянная величина с размерностью скорости в опытах Кольрауша и Вебера была именно скорость спиновых волн в проводнике!   

  И в заключение о том, почему нельзя зажечь любую лампочку с помощью электрофорной машины. С электрофорной машиной все мы знакомы со школьной скамьи. На очень малом расстоянии друг от друга два круглых диска из оргстекла быстро вращаются нашей рукой в противоположные стороны. До сих пор идут споры о том, как и почему тут происходит разделение зарядов. Доминирующая версия – электростатическая индукция; заряды на металлических секторах влияют друг на друга, переносятся и копятся, заряжая лейденские банки. Вторая версия – сильное трение о воздух в малом промежутке между противоположно вращающимися дисками. Трение вызывает активную электризацию дисков оргстекла, на одной стороне которых собираются положительные заряды, на другой – отрицательные. Эту версию можно проверить, если оргстекло заменить, допустим, обычным стеклом или фанерой, которые электризуется на порядки слабее. И всё же, я думаю, истина об электрофорной машине лежит где-то посредине. Имеет место и трение дисков о воздух, и электростатическая индукция. Замена оргстекла обычным стеклом или фанерой покажет, что одни сектора из металла на вращающихся дисках не дадут такого же эффекта, как с дисками из оргстекла.          

   В любом случае, количество зарядов противоположных знаков копится в лейденских банках электрофорной машины в одинаковых количествах! Никто и никогда не докажет, что разность потенциалов тут от того, что в одной банке – «туча» электронов, а в другой банке – «тучка»! Но главное, не столько равенство зарядов, а то, что заряды противоположных знаков! Любой световой индикатор электростатического заряда покажет, что на одном шарике заряды положительные, а на другом шарике – отрицательные. И количества их равные, потому что индикатор светит одинаково и красным, и синим светом. Когда происходит разряд между шариками, пробой воздуха – заряды аннигилируют, уничтожают друг друга. Если количество зарядов разное, то на одном шарике заряды остались бы, как не аннигилировавшие, но этого нет!

   Многим известно, что электрофорная машина может создавать напряжение в десятки тысяч вольт. Огромные величины! Но засветить лампочку этим напряжением, как ни странно, нельзя. Если закоротить металлическим проводником заряженные шарики электрофорной машины, то ток будет ничтожно мал. Для полноценного длительного электрического тока по проводникам нужны очень большие плотности зарядов и большая энергия давления зарядов разности потенциалов, что могут создавать только генераторы тока или химические источники тока. На шариках электрофорной машины создать большие плотности зарядов и большие энергии давления зарядов – нельзя! Хотя, есть один способ – засветить лампочку и от электрофорной машины! Для этого нужно заряжать от электрофорной машины обычный конденсатор большой ёмкости. Но крутить ручку электрофорной машины придётся около часа, чтобы набрать зарядов разного знака на одну секунду горения светодиодной лампочки…