Что такое ток: основные характеристики и понятия. Электрический ток

Электрический ток сейчас используют в каждом здании, зная характеристики тока в электросети дома, следует всегда помнить, что он опасен для жизни.

Электрический ток являет собой эффект направленного движения электрических зарядов (в газах - ионы и электроны, в металлах - электроны), под воздействием электрического поля.

Движение положительных зарядов по полю эквивалентно движению отрицательных зарядов против поля.

Обычно за направление электрического берут направление положительного заряда.

• мощность тока;
• напряжение тока;
• сила тока;
• сопротивление тока.

Мощность тока.

Мощностью электрического тока называют отношение произведенной током работы ко времени, в течение которого была выполнена это работа.

Мощность, которую развивает электрический ток на участке цепи, прямо пропорциональна величине тока и напряжению на данном участке. Мощ-ность (элек-три-че-ская и ме-ха-ни-че-ская) из-ме-ря-ет-ся в Ват-тах (Вт).

Мощ-ность тока не за-ви-сит от вре-ме-ни про-те-ка-ния элек-три-че-ско-го тока в цепи, а опре-де-ля-ет-ся как про-из-ве-де-ние на-пря-же-ния на силу тока.

Напряжение тока.

Напряжением электрического тока называется величина, которая показывает, какую работу совершило электрическое поле при перемещении заряда от одной точки до другой. Напряжение при этом в различных участках цепи будет отличаться.

К примеру : напряжение на участке пустого провода будет совсем небольшим, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет намного больше, и величина напряжения будет зависеть от величины работы, произведенной током. Измеряют напряжение в вольтах (1 В). Для определения напряжения существует формула: U=A/q, где

• U - напряжение,
• A - работа, совершенная током по перемещению заряда q на некий участок цепи.

Сила тока.

Силой тока называют количество заряженных частиц которые протекают через поперечное сечение проводника.

По определению сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Сила электрического тока измеряется прибором, который называется Амперметром. Величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Для увеличения диапазона обозначений единицы изменения существуют такие приставки кратности как микро - микроампер (мкА), мили - миллиампер (мА). Другие приставки в повседневном обиходе не используются. К примеру: говорят и пишут «десять тысяч ампер», но никогда не говорят и не пишут 10 килоампер. Такие значения в повседневной жизни не используются. То же самое можно сказать про наноампер. Обычно говорят и пишут 1×10-9 Ампер.

Сопротивление тока.

Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует свойства проводника, препятствующие прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивление тока (часто обозначается буквой R или r) считается сопротивление тока, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника. Под электрическим сопротивлением понимают отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.

Условия возникновения электрического тока в проводящей среде:

1) присутствие свободных заряженных частиц;

2) если есть электрическое поле (присутствует разность потенциала между двумя точками проводника).

Виды воздействия электрического тока на проводящий материал.

1) химическое - изменение химического состава проводников (происходит в основном в электролитах);

2) тепловое - нагревается материал, по которому течет ток (в сверхпроводниках этот эффект отсутствует);

3) магнитное - появление магнитного поля (происходит у всех проводников).

Главные характеристики тока.

1. Сила тока обозначатся буквой I - она равна количеству электричества Q, проходящему через проводник за время t.

I=Q/t

Сила тока определяется амперметром.

Напряжение определяется вольтметром.

3. Сопротивление R проводящего материала.

Сопротивление зависит:

а) от сечения проводника S, от его длины l и материала (обозначается удельным сопротивлением проводника ρ);

R=pl/S

б) от температуры t°С (или Т): R = R0 (1 + αt),

• где R0 - сопротивление проводника при 0°С,
• α - температурный коэффициент сопротивления;

в) для получения различных эффектов, проводники могут соединяться как параллельно, так и последовательно.

Таблица характеристик тока.

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U» . Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10 18 электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.

• Постоянное напряжение . Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
• Переменное напряжение . Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
  амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
  мгновенное напряжение , которое выражается в определенный момент времени;
  действующее напряжение , определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
  средневыпрямленное напряжение , определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением , а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением . Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I ». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться . На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I . Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

• Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
• Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
• , вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока

• Прямая линия.
• Переменная синусоида гармоники.
• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

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.

В первую очередь, стоит выяснить, что представляет собой электрический ток. Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого вышеупомянутые заряженные частицы придут в движение.

Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон - «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».

Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных веществ. Если тела твердые, то их тесному соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые имеются на их поверхности. Сдавливая такие тела и притирая их друг к другу, мы сближаем их поверхности, которые без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором - «диэлектрики, или изоляторы». Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.

Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей используются источники электротока. Самый простой случай возникновения электрического тока - это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой - с землей.

Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После этого развитие учения об электричестве пошло так быстро, что менее чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.

Основные величины электрического тока

Количество электричества и сила тока . Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени. Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количество электричества, проходящее сквозь проводник.

От количества электричества зависит, в частности, химическое действие электрического тока, т. е. чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде. В связи с этим количество электричества можно подсчитать, взвесив массу отложившегося на электроде вещества и зная массу и заряд одного иона этого вещества.

Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А). Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.

Электрическое напряжение . Мы уже знаем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц - электронов. Это движение создается при помощи электрического поля, которое совершает при этом определенную работу. Это явление называется работой электрического тока. Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока должна зависеть от силы тока. Но существует и еще одно значение, от которого зависит работа тока. Эту величину называют напряжением.

Напряжение - это отношение работы тока на определенном участке электрической цепи к заряду, протекающему по этому же участку цепи. Работа тока измеряется в джоулях (Дж), заряд - в кулонах (Кл). В связи с этим единицей измерения напряжения станет 1 Дж/Кл. Данную единицу назвали вольтом (В).

Для того чтобы в электрической цепи возникло напряжение, нужен источник тока. При разомкнутой цепи напряжение имеется только на клеммах источника тока. Если этот источник тока включить в цепь, напряжение возникнет и на отдельных участках цепи. В связи с этим появится и ток в цепи. То есть коротко можно сказать следующее: если в цепи нет напряжения, нет и тока. Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтметр имеет две клеммы, с помощью которых он параллельно включается в электрическую цепь.

Электрическое сопротивление . После подключения в электрическую цепь всевозможных проводников и амперметра можно заметить, что при использовании разных проводников амперметр выдает разные показания, т. е. в этом случае сила тока, имеющаяся в электрической цепи, разная. Это явление можно объяснить тем, что разные проводники имеют разное электрическое сопротивление, которое представляет собой физическую величину. В честь немецкого физика ее назвали Омом. Как правило, в физике применяются более крупные единицы: килоом, мегаом и пр. Сопротивление проводника обычно обозначается буквой R, длина проводника - L, площадь поперечного сечения - S. В этом случае можно сопротивление записать в виде формулы:

R = р * L/S

где коэффициент р называется удельным сопротивлением. Данный коэффициент выражает сопротивление проводника длиною в 1 м при площади поперечного сечения, равной 1 м2. Удельное сопротивление выражается в Ом х м. Поскольку провода, как правило, имеют довольно малое сечение, то обычно их площади выражают в квадратных миллиметрах. В этом случае единицей удельного сопротивления станет Ом х мм2/м. В нижеприведенной табл. 1 показаны удельные сопротивления некоторых материалов.

По данным табл. 1 становится понятно, что самое малое удельное электрическое сопротивление имеет медь, самое большое - сплав металлов. Кроме этого, большим удельным сопротивлением обладают диэлектрики (изоляторы).

Электрическая емкость . Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников - не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).

Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.

Работа и мощность электрического тока . Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении электродвигателей электроток заставляет работать всевозможное оборудование, двигает по рельсам поезда, освещает улицы, обогревает жилище, а также производит химическое воздействие, т. е. позволяет выполнять электролиз и т. д. Можно сказать, что работа тока на определенном участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Работа измеряется в джоулях, напряжение - в вольтах, сила тока - амперах, время - в секундах. В связи с этим 1 Дж = 1В х 1А х 1с. Из этого получается, для того чтобы измерить работу электрического тока, следует задействовать сразу три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Но это громоздко и малоэффективно. Поэтому, обычно, работу электрического тока замеряют электрическими счетчиками. В устройстве данного прибора имеются все вышеназванные приборы.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока к времени, в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой «Р» и выражается в ваттах (Вт). На практике используют киловатты, мегаватты, гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч).

Основные законы электрического тока

Закон Ома . Напряжение и ток считаются наиболее удобными характеристиками электрических цепей. Одной из главных особенностей применения электричества является быстрая транспортировка энергии из одного места в другое и передача ее потребителю в нужной форме. Произведение разности потенциалов на силу тока дает мощность, т. е. количество энергии, отдаваемой в цепи на единицу времени. Как было сказано выше, чтобы замерить мощность в электрической цепи, понадобилось бы 3 прибора. А нельзя ли обойтись одним и вычислить мощность по его показаниям и какой-либо характеристике цепи, вроде ее сопротивления? Многим эта идея понравилась, они посчитали ее плодотворной.

Итак, что же такое сопротивление провода или цепи в целом? Обладает ли проволока, подобно водопроводным трубам или трубам вакуумной системы, постоянным свойством, которое можно было бы назвать сопротивлением? К примеру, в трубах отношение разности давления, создающей поток, деленное на расход, обычно является постоянной характеристикой трубы. Точно так же тепловой поток в проволоке подчиняется простому соотношению, в которое входит разность температур, площадь поперечного сечения проволоки и ее длина. Открытие такого соотношения для электрических цепей стало итогом успешных поисков.

В 1820-х годах немецкий школьный учитель Георг Ом первым приступил к поискам вышеназванного соотношения. В первую очередь, он стремился к славе и известности, которые бы позволили ему преподавать в университете. Только поэтому он выбрал такую область исследований, которая сулила особые преимущества.

Ом был сыном слесаря, поэтому знал, как вытягивать металлическую проволоку разной толщины, нужную ему для опытов. Поскольку в те времена нельзя было купить пригодную проволоку, Ом изготавливал ее собственноручно. Во время опытов он пробовал разные длины, разные толщины, разные металлы и даже разные температуры. Все эти факторы он варьировал поочередно. Во времена Ома батареи были еще слабые, давали ток непостоянной величины. В связи с этим исследователь в качестве генератора применил термопару, горячий спай которой был помещен в пламя. Кроме этого, он использовал грубый магнитный амперметр, а разности потенциалов (Ом называл их «напряжениями») замерял путем изменения температуры или числа термоспаев.

Учение об электрических цепях только-только получило свое развитие. После того как, примерно, в 1800 году изобрели батареи, оно стало развиваться намного быстрее. Проектировались и изготовлялись (довольно часто вручную) различные приборы, открывались новые законы, появлялись понятия и термины и т. д. Все это привело к более глубокому пониманию электрических явлений и факторов.

Обновление знаний об электричестве, с одной стороны, стало причиной появления новой области физики, с другой стороны, явилось основой для бурного развития электротехники, т. е. были изобретены батареи, генераторы, системы электроснабжения для освещения и электрического привода, электропечи, электромоторы и прочее, прочее.

Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии - для переменного. В 1826 году Ом опубликовал книгу, в которой изложил теоретические выводы и экспериментальные результаты. Но его надежды не оправдались, книгу встретили насмешками. Это произошло потому, что метод грубого экспериментирования казался мало привлекательным в эпоху, когда многие увлекались философией.

Ому не оставалось ничего другого, как оставить занимаемую должность преподавателя. Назначения в университет он не добился по этой же причине. В течение 6 лет ученый жил в нищете, без уверенности в будущем, испытывая чувство горького разочарования.

Но постепенно его труды получили известность сначала за пределами Германии. Ома уважали за границей, пользовались его изысканиями. В связи с этим соотечественники вынуждены были признать его на родине. В 1849 году он получил должность профессора Мюнхенского университета.

Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между силой тока и напряжением для отрезка проволоки (для части цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют определить, что изменится, если взять проволоку другого размера. Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

Закон Джоуля-Ленца . Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:

А = Uit

Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:

Р = A/t = Ui

Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.

Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то:

U = ir

где r - сопротивление проводника. В таком случае:

А = rt2i

Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.

Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них - осветительные лампы накаливания.

Закон электромагнитной индукции . В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал мощный толчок развитию электро- и радиотехники.

В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики - закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции.

Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.

При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Правило Ленца . Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости от условий своего появления он имеет разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока.

Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии.

Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции.

Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.

(электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения , возникающий в результате изменения во времени электрического поля .

Электрический ток имеет следующие проявления:

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК сила тока ФИЗИКА 8 класс

✪ Электрический ток

✪ #9 Электрический ток и электроны

✪ Что такое электрический ток [Радиолюбитель TV 2]

✪ ЧТО БУДЕТ, ЕСЛИ УДАРИТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Субтитры

Классификация

Если заряженные частицы движутся внутри макроскопических тел относительно той или иной среды, то такой ток называют электрический ток проводимости . Если движутся макроскопические заряженные тела (например, заряженные капли дождя), то этот ток называют конвекционным .

Различают постоянный и переменный электрические токи, а также всевозможные разновидности переменного тока. В таких понятиях часто слово «электрический» опускают.

• Постоянный ток - ток, направление и величина которого не меняются во времени.

Вихревые токи

Вихревые токи (токи Фуко) - «замкнутые электрические токи в массивном проводнике, которые возникают при изменении пронизывающего его магнитного потока » , поэтому вихревые токи являются индукционными токами. Чем быстрее изменяется магнитный поток, тем сильнее вихревые токи. Вихревые токи не текут по определённым путям в проводах, а замыкаясь в проводнике образуют вихреобразные контуры.

Существование вихревых токов приводит к скин-эффекту, то есть к тому, что переменный электрический ток и магнитный поток распространяются в основном в поверхностном слое проводника. Нагрев вихревыми токами проводников приводит к потерям энергии, особенно в сердечниках катушек переменного тока. Для уменьшения потерь энергии на вихревые токи применяют деление магнитопроводов переменного тока на отдельные пластины, изолированные друг от друга и расположенные перпендикулярно направлению вихревых токов, что ограничивает возможные контуры их путей и сильно уменьшает величину этих токов. При очень высоких частотах вместо ферромагнетиков для магнитопроводов применяют магнитодиэлектрики, в которых из-за очень большого сопротивления вихревые токи практически не возникают.

Характеристики

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике . При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц. .

Дрейфовая скорость электронов

Сопротивление излучению вызвано образованием электромагнитных волн вокруг проводника. Это сопротивление находится в сложной зависимости от формы и размеров проводника, от длины излучаемой волны. Для одиночного прямолинейного проводника, в котором везде ток одного направления и силы, и длина которых L значительно меньше длины излучаемой им электромагнитной волны λ {\displaystyle \lambda } , зависимость сопротивления от длины волны и проводника относительно проста:

Наиболее применяемому электрическому току со стандартной частотой 50 Гц соответствует волна длиной около 6 тысяч километров, именно поэтому мощность излучения обычно пренебрежительно мала по сравнению с мощностью тепловых потерь. Однако, с увеличением частоты тока длина излучаемой волны уменьшается, соответственно возрастает мощность излучения. Проводник, способный излучать заметную энергию, называется антенной .

Частота

Понятие частоты относится к переменному току, периодически изменяющему силу и/или направление. Сюда же относится наиболее часто применяемый ток, изменяющийся по синусоидальному закону .

Период переменного тока - наименьший промежуток времени (выраженный в секундах), через который изменения силы тока (и напряжения) повторяются . Количество периодов, совершаемое током за единицу времени, носит название частота. Частота измеряется в герцах , один герц (Гц) соответствует одному периоду в секунду.

Ток смещения

Иногда для удобства вводят понятие тока смещения. В уравнениях Максвелла ток смещения присутствует на равных правах с током, вызванным движением зарядов. Интенсивность магнитного поля зависит от полного электрического тока, равного сумме тока проводимости и тока смещения. По определению, плотность тока смещения j D → {\displaystyle {\vec {j_{D}}}} - векторная величина, пропорциональная скорости изменения электрического поля E → {\displaystyle {\vec {E}}} во времени:

Дело в том, что при изменении электрического поля, также как и при протекании тока, происходит генерация магнитного поля , что делает эти два процесса похожими друг на друга. Кроме того, изменение электрического поля обычно сопровождается переносом энергии . Например, при зарядке и разрядке конденсатора , несмотря на то, что между его обкладками не происходит движения заряженных частиц, говорят о протекании через него тока смещения, переносящего некоторую энергию и своеобразным образом замыкающего электрическую цепь . Ток смещения I D {\displaystyle I_{D}} в конденсаторе определяется по формуле:

где Q {\displaystyle Q} - заряд на обкладках конденсатора, U {\displaystyle U} - разность потенциалов между обкладками, C {\displaystyle C} - ёмкость конденсатора.

Ток смещения не является электрическим током, поскольку не связан с перемещением электрического заряда.

Основные типы проводников

В отличие от диэлектриков в проводниках имеются свободные носители нескомпенсированных зарядов, которые под действием силы, как правило разности электрических потенциалов, приходят в движение и создают электрический ток. Вольтамперная характеристика (зависимость силы тока от напряжения) является важнейшей характеристикой проводника. Для металлических проводников и электролитов она имеет простейший вид: сила тока прямо пропорциональна напряжению (закон Ома).

Металлы - здесь носителями тока являются электроны проводимости, которые принято рассматривать как электронный газ, отчётливо проявляющий квантовые свойства вырожденного газа.

Плазма - ионизированный газ. Электрический заряд переносится ионами (положительными и отрицательными) и свободными электронами, которые образуются под действием излучения (ультрафиолетового, рентгеновского и других) и (или) нагревания.

Электролиты - «жидкие или твёрдые вещества и системы, в которых присутствуют в сколько-нибудь заметной концентрации ионы, обусловливающие прохождение электрического тока» . Ионы образуются в процессе электролитической диссоциации. При нагревании сопротивление электролитов падает из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы. В результате прохождения тока через электролит ионы подходят к электродам и нейтрализуются, оседая на них. Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.

Существует также электрический ток электронов в вакууме, который используется в электронно-лучевых приборах.

Электрические токи в природе

Электрический ток используется как носитель сигналов разной сложности и видов в разных областях (телефон, радио, пульт управления, кнопка дверного замка и так далее).

В некоторых случаях появляются нежелательные электрические токи, например блуждающие токи или ток короткого замыкания.

Использование электрического тока как носителя энергии

• получения механической энергии во всевозможных электродвигателях,
• получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке,
• получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах,
• возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн,
• получения звука,
• получения различных веществ путём электролиза, зарядка электрических аккумуляторов. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую,
• создания магнитного поля (в электромагнитах).

Использование электрического тока в медицине

• диагностика - биотоки здоровых и больных органов различны, при этом бывает возможно определить болезнь, её причины и назначить лечение. Раздел физиологии , изучающий электрические явления в организме называется электрофизиология .
  • Электроэнцефалография - метод исследования функционального состояния головного мозга.
  • Электрокардиография - методика регистрации и исследования электрических полей при работе сердца.
  • Электрогастрография - метод исследования моторной деятельности желудка.
  • Электромиография - метод исследования биоэлектрических потенциалов, возникающих в скелетных мышцах.
• Лечение и реанимация : электростимуляции определённых областей головного мозга; лечение болезни Паркинсона и эпилепсии , также для электрофореза . Водитель ритма , стимулирующий сердечную мышцу импульсным током, используют при брадикардии и иных сердечных аритмиях .

Электробезопасность

Включает в себя правовые, социально-экономические, организационно-технические, санитарно-гигиенические, лечебно-профилактические, реабилитационные и иные мероприятия. Правила электробезопасности регламентируются правовыми и техническими документами, нормативно-технической базой. Знание основ электробезопасности обязательно для персонала, обслуживающего электроустановки и электрооборудование. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

• термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);
• электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);
• биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)
• механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови)

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

• безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;
• минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;
• пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;
• фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц . Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

В России, в соответствии с Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами по охране труда при эксплуатации электроустановок , установлено 5 квалификационных групп по электробезопасности в зависимости от квалификации и стажа работника и напряжения электроустановок.