Электрический ток. Его физическая сущность

Электрический ток, наверное, второе самое важное после огня явление, которое познает человек, но никак не познает его до конца.

Электрический ток – это свет, телевидение, радио, детские игрушки, фонарики, всевозможные генераторы и двигатели, тепло… Везде ток, как и воздух, но он не видим. Мы наблюдаем только его действия и платим за его действия. Мы знаем, где этот ток берется, как доставляется к нам, сколько его доставляется к нам и какого качества.

Общее определение электрического тока такое:

“Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы (катионы и анионы), в полупроводниках — электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость).
Электрический ток широко используется в энергетике для передачи энергии на расстоянии”.

Это почти все, что известно о физической сущности электрического тока. Дальше идут только разговоры о форме тока, о направлении тока, о количественных параметрах, о его применении и т.п. Есть понятия о токе проводимости и о токе смещения, но что это такое толком объяснить никто не хочет, а возможно и не может.

Попытаемся последнее положение представить в более наглядных образах.

При изучении электрического тока обычно используют метод сравнения тока с водой. Напряжение представляют в виде напора воды, например, в виде водяного столба, ток представляют в виде количества воды протекающего в трубе, сопротивление представляется толщиной трубы. Чем больше внутреннее сечение трубы, тем меньше сопротивление она оказывает току воды, значит, тем больше протекает воды через это сечение, то есть тем больше ток. Чем выше водонапорная башня, тем больше течет воды по трубе, тем больше ток. Это незамысловатое сравнение применим и мы.

Представим систему в виде замкнутого кольца. Рисунок1.

Пусть это будет ручной насос, нечто наподобие шнека, и он сразу поднимает весь столб воды. Возьмемся за ручку и начнем ее поворачивать. Пока воды в трубе не было, насос вращался легко, а при наполненной трубе проворачивать насос становится труднее. Согласно второму закону Ньютона вода оказывает сопротивление вращению насоса, которое передается руке. Но вот сопротивление начинает ослабевать. Вода набирает определенную скорость, равную скорости движения лопасти насоса по направлению стрелки, и сопротивление воды становится минимальным. Если бы исчезли все побочные силы, например, трение в насосе, поверхностное сопротивление воды, шероховатость трубы и т.п., то вода циркулировала бы сама, и насос крутился бы без нагрузки. Вода никак бы не нагружала насос, а насос не чинил бы сопротивления воде.

В случае возникновения торможения воды в зоне а, кинетическая энергия воды в зоне b заставит воду в зоне а течь с прежней скоростью. Но при открытии крана в точке Б часть воды утечет и в зоне b окажется меньше воды и, следовательно, меньше кинетической энергии. Теперь чтобы в зоне а текло столько же воды и с такой же скоростью, убывшую энергию воды следует заменить работой насоса. Можно поступить и по-другому. В точку В добавить соответствующее количество воды под определенным давлением. Тогда параметры воды в зонах аa и b останутся неизменными. Можно вместо воды добавить любое другое вещество: керосин, воздух или что угодно лишь бы в точке В создать такое же давление, как давление столба воды из зоны c.

Это означает, что возможно организовать циркуляцию любого вещества в данной трубе и если не будет потерь этого вещества и оказания ему сопротивления, то цикл может повторяться бесконечно. Мало того, внутри вещества можно организовывать любые циклы, не выходя за пределы вещества. Можно испарять или замораживать воду и потом возвращать все обратно. Следовательно, в цикле сохраняется не вещество, а энергия. Вещество представляет просто упаковку энергии.

Мы знаем несколько форм энергии: потенциальная, кинетическая, электромагнитная, тепловая, ядерная и другие. Но что является содержанием этих форм? Это один и тот же субстрат или это разные субстраты? То есть, понятие энергия имеет одну и ту же основу или для каждой формы энергии свои основы? В данной статье мы попытаемся понять содержание электромагнитной энергии. Формой ее является электрический ток проводимости или ток смещения. Хотя о субстрате этих токов вроде все понятно, проводимость - это частицы, а смещение - это электромагнитная волна, мы попытаемся подробнее расшифровать эти понятия.

Наука утверждает, что движение свободных электронов обуславливает возникновение электрического тока в проводниках и вакууме. И еще наука утверждает, что скорость распространения тока равна скорости света, хотя скорость самого электрона равна ∼~0,1-1 мм/сек. Отсюда сразу же возникает следующая модель тока. Чтобы ток от Братской ГЭС дошел до Москвы, следует выложить цепочку электронов таким образом, чтобы они касались друг друга и были абсолютно неупругими. Но в этом случае толчок электрона на электростанции мгновенно отзовется в Москве, а не со скоростью света.

Если Вам хочется, чтобы действо передавалось со скоростью света, то необходимо между электронами оставить маленькие, маленькие щелочки, при условии, что электроны абсолютно неупругие. Если щелочки Вам не нравятся, то допустите некую упругость электрона. Выбирайте, но учтите, что в этих вариантах скорость распространения действия будет зависеть от величины толчка первого электрона, т.е. от напряжения. Это по существу режимы близкодействия. Может быть, у кого-нибудь есть другая модель распространения тока. Мы предлагаем режим дальнодействия. Пример дальнодействия и близкодействия: сбить (привести в движение) яблоко можно тем, что бросить в него палку (дальнодействие) или держа палку в руке (близкодействие).

Так и электрон должен “бросить” в следующий электрон “нечто”, да еще такое, чтобы оно летело со скоростью света. Единственное “нечто”, что может бросить, т.е. излучить, электрон – это фотон . Другого объекта наука пока не знает. Может быть, его и нет. Но электрон не может откуда-то что-то взять преобразовать его в фотон и затем излучить, кроме как из объекта, который приводит этот электрон в движение.

Первый электрон может быть приведен в движение любым способом, или при соприкосновении электрического поля одного электрона с другим, или при взаимодействии электрона с фотоном. Следует заметить, что взаимодействие электрона с фотоном не всегда приводит к возникновению движения электрона в направлении движения фотона. Иногда этого движения может не быть вовсе, а иногда может быть движение навстречу фотону ( гравитация).

И так, первый электрон излучает фотон, который распространяется со скоростью света. Любой, встречающийся на пути фотона, свободный электрон пытается поглотить его, и в него это получается, но удержать фотон свободный электрон не может. И фотон в неизменном виде будет излучен электроном. Об этом говорит опыт Физо и то, что свободный электрон рассеивает фотон
.

В результате такого поглощения/излучения электрон получит импульс от фотона и точно такой же импульс отдаст следующему фотону. Электрон останется почти на прежнем месте и только в режиме рассеяния электрон может продвинуться на некоторое расстояние. Такое же явление произойдет со всеми электронами цепи от генератора до потребителя. От электрона до электрона ток течет в виде тока смещения. И это не важно, на каких расстояниях находятся электроны: почти рядом, как в проводах, или на некотором расстоянии как в трансформаторах, или на любых расстояниях, как между антеннами передатчика и приемника. В электрических цепях много конденсаторов, через которые проходит ток, но электрон через конденсатор может пройти только в случае его пробоя, то есть порчи. В остальных случаях через конденсатор течет ток смещения.

Таким образом, можно с уверенностью говорить, что основными переносчиками энергии являются фотоны, а частицы являются трансляционными пунктами для передачи фотонов и генераторами фотонов.

Распространение тока фотонами подтверждает такое явление, как увеличение передачи энергии при увеличении напряжения на передающей линии.
Возьмем какую-нибудь линию и нагрузим ее. Пока нагрузка не большая в линии течет небольшой ток и ничего необычного не происходит. Но вот мы начинаем увеличивать нагрузку (уменьшать сопротивление цепи), не изменяя напряжения генератора. Вскоре мы увидим, что соединительная линия начинает нагреваться. Чем больше нагрузка, тем сильнее греется линия и, в конце концов, линия сгорит, если мощность источника тока довольно велика.

Что нужно сделать, чтобы линия не сгорела? Увеличить толщину проводов или заменить их проводами с меньшим удельным сопротивлением. Или увеличить напряжение генератора, подобрав с соответствующими параметрами нагрузку. В последнем случае мы сможем передать большую энергию, не меняя толщины или качества линии. А что произошло в последнем случае? Увеличилось количество электронов в проводах? Нет, провода те же и свободных электронов осталось столько же. Может быть, срываются электроны с атомов вещества проводов? То же нет, иначе появились бы ионы в проводнике и это бы заметили. Тогда может быть электроны побежали быстрее в проводнике и никаких фотонов не нужно? Ни как нет, иначе бы скорость распространения электричества зависела бы от напряжения, и это сразу же ученый люд бы заметил, измерил и вывел бы математическую зависимость скорости передачи энергии от величины напряжения.

К удивлению скорость распространения электрического сигнала равна скорости распространения света. В радиосвязи это вообще очевидно, с учетом конечно коэффициентов преломления, а в проводах это замаскировано кажущейся нам близостью электронов. Ну, так возможно электроны выстраиваются в более стройную цепочку, чтобы толкать друг друга? Как мы видели выше это маловероятно. Тепловое движение разрушит всю цепочку. Больше мало-мальски вразумительные гипотезы на ум не приходят, и поэтому придется обратиться к фотону (набору квантов). Только поток фотонов и есть ток.

Таким образом ток можно представить таким образом. В генераторе на электростанции есть два такие элементы как статор и ротор, который может вращаться. В роторе и статоре есть проводники. Если, допустим, в статоре пропустить ток, то вокруг него возникнет магнитное поле. А теперь если закрутить ротор, то свободный электрон, который находится в проводнике, под воздействием сил Кауфмана двинется вдоль проводника и в результате этого излучит фотон определенной мощности. Фотон со скоростью света, ретранслируясь на попадающихся на его пути электронах, будет двигаться к потребителю (это и есть ток смещения), а электрон продвинется на какое-то небольшое расстояние (это и есть ток проводимости).

В следующем обороте ротора этот электрон продвинется еще чуть дальше по проводнику. Когда он выйдет за пределы силы Кауфмана, его будет толкать отрицательное поле электронов, которые будут подгоняться силой Кауфмана. И так со всеми электронами, и наш первый электрон за некоторое время сможет добраться до потребителя. Но это время значительно меньше того времени, за которое достиг потребителя фотон.

Вывод такой: электрический ток проводимости создается электронами или другими заряженными частицами, а ток смещения создается фотонами. Можно сказать, что в любом проводнике, а не только в пространстве, на фотоны ложится основная нагрузка на передачу электрического тока.