Теория электрического тока

Теория электрического тока

Сизов Владимир Петрович

Современное представление электрического тока.

На сегодняшний день считается, что электрический ток это направленное движение заряженных частиц – то есть движение электронов. В любом учебнике описано классическое понятие электрического тока, приводить его не имеет смысла. В это понятие не укладываются некоторые электрические явления и примеры.

Не имеет решения с точки зрения классического определения электрического тока следующая задача. Ток проходя через свинцовый предохранитель пережигает его. Найти скорость движения электронов в предохранителе. Нам дано: материал из которого сделан предохранитель – свинец. В справочниках мы можем посмотреть температуру плавления свинца Тпл знаем комнатную температуру при которой находится предохранитель Тком. Разница этих температур и есть искомая температура на которую надо нагреть предохранитель 

Тиск.

Тиск=Тпл-Тком

Q = ТискmC+ m (Дж)

Где: m- масса предохранителя

C- удельная теплоёмкость свинца

 - плавление свинца

Соответственно ту же работу Q1=Q совершают и электроны несущие электрический ток.

Q1=mэV2k/2

Где: mэ- масса электрона.

V- скорость электрона.

k- количество электронов.

Зная что по классическому определению тока в процессе участвует только один электрон от каждого атома, то k-количество атомов свинца в предохранителе. При решении этой задачи V получается просто запредельная. Учитывая то, что электроны движутся по касательной к ядру атома, а не попадают в него перпендикулярно. Можно сделать предположение, что всё таки электрический ток это не движение электронов, а что то другое.

2. Явление пьезоэффекта трудно объяснить с точки зрения электрического тока. Невозможно объяснить как с механическое воздействие на объект вызывает электрический ток. И обратный процесс, электрический ток деформирует объект.

3. В промышленном производстве используется электросварка. При начале сварки в момент контакта электрода со свариваемым предметом, когда электрическая дуга ещё не зажглась. По сварочным кабелям течёт максимальный электрический ток. Так вот в этот короткий момент кабели начинают двигаться-дёргаться. Объяснить это явление с точки зрения классической теории электрического тока также невозможно.

4. Кроме того невозможно объяснить явление статического электричества. При натирании шерсти янтарём и янтарь и шерсть являются диэлектриками.

Теоретическое предположение. 

Возможно электрический ток это не упорядоченное движение электронов, а упорядоченное движение ядер атомов вещества которое проводит электрический ток.

Попытаемся обосновать это предположение.

Пусть электрический ток это упорядоченное колебание ядер атомов проводника. 



Ядро атома при воздействии электрического тока 

При отсутствии электрического тока ядро покоится в центре атома, а при воздействии электрического тока начинает вращаться. Причём если ток течёт по проводнику от вас, то ядро вращается по часовой стрелке, а при течении тока на вас, против часовой.

Эта гипотеза легко объясняет такое явление как магнетизм. Рассмотрим схематично самый простой стержневой магнит.



Предположим для простоты, что стержневой магнит имеет один виток провода. В правом проводе ток идёт от нас, а в левом проводе на нас. Соответственно правое ядро атома проводника будет вращаться по часовой стрелке, а левое ядро проводника против часовой. Во всех атомах стержневого магнита ядра сместятся в верх. Соответственно в верху будет S в низу N. При пропадании электрического тока ядра вновь займут своё положение. Соответственно обратный процесс. При внесении постоянного магнита в катушку атомы ядер проводника начинают раскручиваться в зависимости от полярности магнита в ту или иную сторону. Эту гипотезу подтверждает и другой электротехнический опыт.

Если на ферромагнитный стержень намотать например 100 витков провода, потом этот же самый провод перегнуть и намотать в другую сторону те же 100 вит ков этого же самого провода, то сопротивление такой индуктивности будет бесконечным по переменному току.



Соответственно ядро в правом проводнике будет вращаться по часовой стрелке, а в левом проводнике то же по часовой стрелке и смещения ядер атомов в стержневом магните не произойдёт.

Эту гипотезу может подтвердить другой более сложный электротехнический опыт.

Возьмём обыкновенный соленоид. Подвесим его на нити в такое положение, что если на него подать ток, с условием, что возникшее в соленоиде магнитное поле будет перпендикулярно магнитному полю земли. Это делается для того, чтобы магнитное поле земли не влияло на проведение опыта. Таким образом мы можем раскачать этот соленоид до практически любой амплитуды. Переменное напряжение подаваемое на соленоид естественно должно совпадать с частотой качания соленоида. Этот опыт приведён на рисунке ниже.



Раскачивание соленоида происходит из-за того, что, при подаче на него тока все ядра атомов соленоида одновременно начинают двигаться в одну сторону, соответственно возникает импульс, и соленоид качнётся в ту же сторону, куда и будет направлено движение этих ядер.

При первом импульсе когда соленоид максимально отклонится, начнёт двигаться в обратную сторону и в момент его прохождения точки покоя следует отключить ток. Ядра атомов возвратятся на своё прежнее место ив соленоиде вновь возникнет импульс только в обратную сторону. Сразу после прохождения соленоидом точки покоя следует опять подать на него ток только обратной полярности, а при прохождении соленоидом точки покоя в обратном направлении этот ток отключить.

Таким образом соленоид можно раскачать до любой амплитуды.

Этот эффект очень хорошо слышен. Если соленоид установить вертикально и подать на него переменный электрический ток, то вы услышите гудение. То ест соленоид колеблется в верх в низ. Колеблется он с той частотой с какой подаётся на него переменное напряжение. По сути инженерная задача сводится к тому, чтобы заставить соленоид колебаться не в вех в низ на одном месте, а чтобы он колебался в верх в верх в верх.

Можно привести ещё один пример из школьной учебной программы. Известный всем опыт по притягиванию и отталкиванию между собой проводников. Опыт заключается в том, если по двум параллельным проводникам пропустить ток в одном направлении, то проводники будут притягиваться между собой. А если ток по ним идёт в разных направлениях, то они отталкиваются между собой. Весь фокус заключается в том, что проводники должны обязательно питаться от одного источника тока, иначе опыт не удаётся, или удаётся частично.

Эта теория подтверждается и другим опытом, более сложным. Возьмём полнотелый металлический шар из ферромагнетика. Намотаем на него две перпендикулярные обмотки А и В. На эти обмотки подадим различные переменные напряжения сдвинутые друг относительно друга на 90 градусов. Причём, если напряжение на обмотку А будет синусоидальным, то есть положительные и отрицательные импульсы одинаковые. То напряжение на обмотку В будет иметь большую положительную составляющую, а отрицательная составляющая будет равна полу периоду обмотки А. Рисунок намотки на шар приведён ниже. В этом случае можно изменять вес шара не меняя его массы.



Все ядра атомов шара будут двигаться в этом шаре не только в верх в низ, а в плоскости по фигуре Листажу. Которая приведена ниже.



А значит в самом шаре появится сила направленная в верх. И сам шар либо потеряет вес либо начнёт двигаться с ускорением в туже сторону.

Это явление наблюдается при включении силового трансформатора. При включении трансформатор начинает гудеть, то есть колебаться в верх и в низ. Колебания силового трансформатора можно так же ощутить коснувшись его рукой. Вы почувствуете его вибрацию. Представленный выше опыт практически повторяет силовой трансформатор. Только колебания шара не происходят в верх в низ на одном месте а колеблются в верх в верх в верх. Подобный процесс хорошо видно при катании детей на скейтборде. Ребёнок может начать движение не отталкиваясь не от чего, а резко перемещая массу своего тела в одну сторону, и плавно возвращая его в исходную точку. При этом происходит движение в заданном направлении. Здесь практически представлена модель скейтбордиста, только в микромире.

Проведённый эксперимент показывает очень низкий КПД безопорного двигателя, всего порядка 7%. Есть возможность повысить КПД двигателя изменив напряжения подаваемые на обмотки шара. Если на обмотку А будет подаваться то же переменное синусоидальное напряжение, то на обмотку В будет подаваться пилообразносинусоидальное напряжение по частоте в два раза превышающее частоту подаваемую на обмотку А. Поясняющий рисунок ниже.

Частота подаваемая на обмотку А.



Частота подаваемая на обмотку В.



В этом случае КПД возрастает значительно. А ядро атома будет двигаться по фигуре Листажу приведённой ниже



Если рассматривать движение атома по фигуре Листажу, то движение будет происходить по следующим точкам показанным на рисунке выше А-С-В-А-Д-В-А. Причём на отрезках А-С-В и А-Д-В движение без ускорения, то на отрезке В-А движение с ускорением. Собирается установка для определения КПД.

Это явление можно использовать для добычи редкоземельных и драгоценных металлов, перемещения в пространстве и т.д. и т.п.