Постоянный электрический ток. Электрический ток и электрическая цепь Определение понятия электрический ток

Когда человек научился создавать и использовать электрический ток, качество его жизни резко возросло. Сейчас значение электроэнергии продолжает увеличиваться с каждым годом. Для того чтобы научиться разбираться в более сложных вопросах, связанных с электричеством, надо сначала понять, что такое электрический ток.

Что представляет собой ток

Определение электрического тока – это представление его в виде направленного потока движущихся носителей-частиц, заряженных положительно или отрицательно. Носителями заряда могут быть:

заряженные со знаком «минус» электроны, движущиеся в металлах;
ионы в жидкостях или газах;
положительно заряженные дырки от перемещающихся электронов в полупроводниках.

Что такое ток, определяется еще наличием электрического поля. Без него направленный поток заряженных частиц не возникнет.

Понятие об электрическом токе было бы неполным без перечисления его проявлений:

Любому электротоку сопутствует магнитное поле;
Проводники нагреваются при его прохождении;
Электролиты изменяют химический состав.

Проводники и полупроводники

Электроток может существовать только в проводящей среде, но природа его протекания различна:

В металлических проводниках присутствуют свободные электроны, которые начинают двигаться под воздействием электрического поля. Когда температура возрастает, повышается и сопротивление проводников, так как от тепла усиливается движение атомов в хаотичном порядке, что создает помехи свободным электронам;
В жидкой среде, образованной электролитами, возникающее электрическое поле вызывает процесс диссоциации – формирования катионов и анионов, которые перемещаются в сторону положительных и отрицательных полюсов (электродов) в зависимости от знака заряда. Нагрев электролита приводит к уменьшению сопротивления из-за более активного разложения молекул;

Важно! Электролит может быть твердым, но природа протекания тока в нем идентична жидким.

Газообразная среда также характеризуется наличием ионов, приходящих в движение. Образуется плазма. От излучения возникают и свободные электроны, участвующие в направленном движении;
При создании электротока в вакууме электроны, высвобождающиеся на отрицательном электроде, движутся к положительному;
В полупроводниках существуют свободные электроны, разрывающие связи от нагревания. На их местах остаются дырки, имеющие заряд со знаком «плюс». Дырки и электроны способны создавать направленное движение.

Нетокопроводящие среды называются диэлектрическими.

Важно! Направление тока соответствует направлению движения частиц-носителей заряда со знаком «плюс».

Род тока

Постоянный. Для него характерны неизменное количественное значение тока и направление;
Переменный. С течением времени периодически меняет свои характеристики. Подразделяется на несколько разновидностей, зависящих от изменяемого параметра. Преимущественно количественное значение тока и его направленность варьируются по синусоиде;
Вихревые токи. Возникают, когда магнитный поток подвергается изменениям. Формируют закрытые контуры, не перемещаясь между полюсами. От вихревых токов вызывается интенсивное тепловыделение, как следствие, возрастают потери. В сердечниках электромагнитных катушек их ограничивают, применяя конструкцию из отдельных изолированных пластин вместо цельной.

Характеристики электроцепи

Сила тока. Это количественное измерение заряда, проходящего во временную единицу по сечению проводников. Заряды измеряются в кулонах (Кл), временная единица – секунда. Сила тока – это Кл/с. Полученное соотношение назвали ампером (А), в чем измеряется количественное значение тока. Измеряющий прибор – амперметр, последовательно подключаемый в цепь электрических соединений;
Мощность. Электроток в проводнике должен преодолеть сопротивление среды. Затраченная работа по его преодолению в течение определенного временного промежутка будет мощностью. При этом происходит превращение электроэнергии в другие виды энергии – совершается работа. Мощность зависит от силы тока, напряжения. Их произведение определит активную мощность. При умножении еще на время получается расход электроэнергии – то, что показывает счетчик. Измеряться мощность может в вольтамперах (ВА, кВА, мВА) или в ваттах (Вт, кВт, мВт);
Напряжение. Одна их трех важнейших характеристик. Для протекания тока необходимо создать разность потенциалов двух точек замкнутой цепи электрических соединений. Напряжение характеризуется работой, производимой электрическим полем при передвижении единичного носителя заряда. Согласно формуле, единицей измерения напряжения является Дж/Кл, что соответствует вольту (В). Измеряющий прибор – вольтметр, подключается параллельно;
Сопротивление. Характеризует способность проводников пропускать электроток. Определяется материалом проводника, длиной и площадью его сечения. Измерение – в омах (Ом).

Законы для электротока

Электрические цепи рассчитывают с помощью трех главных законов:

Закон Ома. Исследовался и был сформулирован ученым-физиком из Германии в начале 19-го века для постоянного тока, затем его применили также для переменного. Он устанавливает соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением. На основе закона Ома рассчитывается практически любая электроцепь. Основная формула: I = U/R, или сила тока находится в прямой пропорциональной зависимости с напряжением и в обратной – с сопротивлением;

Закон Фарадея. Относится к электромагнитной индукции. Появление индуктивных токов в проводниках обуславливается воздействием магнитного потока, меняющегося во времени из-за наведения в закрытом контуре ЭДС (электродвижущей силы). Модуль наведенной ЭДС, измеряемой в вольтах, пропорционален скорости, с которой изменяется магнитный поток. Благодаря закону индукции работают генераторы, вырабатывающие электроэнергию;
Закон Джоуля-Ленца. Имеет важное значение при расчете нагрева проводников, что используется для проектирования и изготовления нагревательных, осветительных приборов, другого электрооборудования. Закон позволяет определить количество теплоты, выделяющееся при прохождении электрического тока:

где I – сила протекающего тока, R – сопротивление, t – время.

Электричество в атмосфере

В атмосфере может существовать электрическое поле, происходят ионизационные процессы. Хотя природа их возникновения до конца не ясна, существуют разные объясняющие гипотезы. Самая популярная – конденсатор, как аналог для представления электричества в атмосфере. Его пластинами можно обозначить земную поверхность и ионосферу, между которыми циркулирует диэлектрик – воздух.

Виды атмосферного электричества:

Грозовые разряды. Молнии с видимым свечением и громовыми раскатами. Напряжение молний достигает сотен миллионов вольт при силе тока 500 000 А;

Огни Святого Эльма. Коронный разряд электричества, образующийся вокруг проводов, мачт;
Шаровая молния. Разряд в форме шара, перемещающийся по воздуху;
Полярное сияние. Многоцветное свечение земной ионосферы под воздействием заряженных частиц, проникающих из космоса.

Человеком используются полезные свойства электрического тока во всех областях жизни:

освещение;
передача сигнала: телефон, радио, телевидение, телеграф;
электротранспорт: поезда, электромобили, трамваи, троллейбусы;
создание комфортного микроклимата: отопление и кондиционирование воздуха;
медицинская техника;
бытовое применение: электроприборы;
компьютеры и мобильные устройства;
промышленность: станки и оборудование;
электролиз: получение алюминия, цинка, магния и других веществ.

Опасность электрического тока

Прямой контакт с электрическим током без средств защиты смертельно опасен для человека. Возможны несколько видов воздействий:

термический ожог;
электролитическое расщепление крови и лимфы с изменением ее состава;
судорожные мышечные сокращения могут спровоцировать фибрилляцию сердца вплоть до полной его остановки, нарушить работу дыхательной системы.

Важно! Ток, ощущаемый человеком, начинается со значения 1 мА, если величина тока 25 мА, возможны серьезные негативные изменения в организме.

Самая главная характеристика электрического тока – он может совершать полезную работу для человека: осветить дом, постирать и высушить одежду, приготовить обед, обогреть жилище. Сейчас значимое место занимает его использование в передаче информации, хотя это не требует большого расхода электроэнергии.

Видео

Многие должны были слышать, что электрический ток бывает разный (постоянный, переменный). Те, кто особо не знаком с темой электрики и электроники порой могут путаться в типах тока, когда подают электрическую энергию на то или иное электрооборудование. Для одних устройств нужно именно постоянное напряжение (ток), другие же питаются только от переменного. Поскольку эти виды тока принципиально разные, то ошибка при подаче питания может привести к не работе (в лучшем случае), а в худшем варианте просто вывести электрооборудование из строя.

Итак, напомню, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрически заряженных частиц (электронов) вдоль проводника. То есть, это простое, однонаправленное перемещение очень маленьких частичек (с огромной скоростью) внутри электрических проводников (в большинстве случаев металлов - медь, алюминий, серебро, золото и различных сплавов, хорошо проводящих ток).

Само же движение возникает по причине появления определённой разности электрических потенциалов, называемое напряжением. У электрического источника имеются два полюса, положительный (где сосредотачивается положительный заряд некой величины) и отрицательный (где сосредотачивается отрицательный заряд). Если нет замкнутой цепи между полюсами, то имеется только напряжение (стремление зарядов перейти на противоположный полюс). Как только цепь замыкается, появляется путь для прохождения зарядов в виде электрического проводника, то заряды стремительно начинают своё движение, что и создают их ТОК в проводнике.

Основных видов электрического тока существует два - постоянный и переменный (импульсный, это частичный случай переменного). Постоянный ток - это, не что иное как простое однонаправленное перемещение электрических зарядов в одну сторону. От одного полюса к другому без изменения направления во времени. На деле в твёрдых веществах (проводниках) электрический ток течет от минуса к плюсу (происходит перемещение отрицательных зарядов, электронов). В жидких и газообразных средах постоянный ток бежит, наоборот, от плюса к минусу (движение ионов, положительно заряженных частиц). В теоретической области было принято считать, что постоянный электрический ток всегда течет от плюса к минусу (при работе с принципиальными электрическими схемами).

Постоянный ток имеет постоянную величину своего напряжения (обычно наиболее используемые величины 3, 5, 6, 9, 12, 24 вольт). При работе его величина может изменяться всего на несколько процентов, по причине падения напряжения при динамической работе самой нагрузки (к примеру, постоянный электродвигатель, который может иметь плавающую механическую нагрузку на своём вале, ну и т.д.). Для постоянного напряжения (точнее электрических схем, работающие на постоянном типе тока) важно оставаться неизменным. Если схема рассчитана на постоянное напряжение 12 вольт, то и подаваться на неё должно строго 12 вольт с небольшим отклонением в несколько процентов. Для обеспечения этого используются различные решения начиная от правильно подобранных электрических деталей, компонентов, и заканчивая всевозможными электрическими, электронными схемами различных стабилизаторов, фильтров и т.д.

Постоянный ток имеет как свои достоинства, так и свои недостатки. Иначе бы использовался только этот тип электрического тока! Практически все электронные схемы нуждаются в питании именно постоянным током. Сам принцип действия и работа электронных элементов основан на этом виде тока. Также электрические аккумуляторы могут работать только с постоянным током, ну и т.д. Основным недостатком этого вида электротока является плохая передача электроэнергии на значительные расстояния (возникают большие потери). Кроме этого для его преобразования нужны более сложные электрические устройства.

Переменный электрический ток представляет собой упорядоченное, плавно изменяющееся (синусоидальное) движение электрических зарядов вдоль проводника, которое периодически меняет свои полюса. Наиболее распространённой частотой переменного тока является 50 Герц. То есть, за одну секунду направление тока в электрической цепи меняется с плюса на минус и наоборот аж 50 раз. Хотя это считается ещё и низкой частотой. Переменный ток может быть однофазным (используются 2 провода и напряжение между ними 220 вольт) или же трёхфазным (используются 3 фазных провода, напряжение между двумя любыми из них 380 вольт и один нулевой).

Переменный вид тока легко преобразуется и передается на большие расстояния с минимальными потерями на самой линии электропередач. Наиболее используемые величины переменного напряжения, от которых питаются конкретные электроприборы, это 220 вольт (напряжение для бытового использования населением) и 380 вольт (для промышленного использования, где важны именно 3 фазы). Для того, чтобы получить из одной величины тока или напряжения другую величину обычно применяют всего одно устройство, которое называется силовым трансформатором. На его вход подают одни значения напряжения или тока, а на выходе получают другие, более высокие или низкие.

P.S. Частным случаем переменного электрического тока можно считать импульсный ток, который может иметь различную форму, отличной от обычной синусоидальной. Данный вид электрического тока обычно используют в различной цифровой технике, в области электроники.

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.

Направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Заряженными частицами могут являться электроны или ионы (заряженные атомы).

Атом, потерявший один или несколько электронов, приобретает положительный заряд. - Анион (положительный ион).
Атом, присоединивший один или несколько электронов, приобретает отрицательный заряд. - Катион (отрицательный ион).
Ионы в качестве подвижных заряженных частиц рассматриваются в жидкостях и газах.

В металлах носителями заряда являются свободные электроны, как отрицательно заряженные частицы.

В полупроводниках рассматривают движение (перемещение) отрицательно заряженных электронов от одного атома к другому и, как результат, перемещение между атомами образовавшихся положительно заряженных вакантных мест - дырок.

За направление электрического тока условно принято направление движения положительных зарядов. Это правило было установлено задолго до изучения электрона и сохраняется до сих пор. Так же и напряжённость электрического поля определена для положительного пробного заряда.

На любой единичный заряд q в электрическом поле напряженностью E действует сила F = qE , которая перемещает заряд в направлении вектора этой силы.

На рисунке показано, что вектор силы F - = -qE , действующей на отрицательный заряд -q , направлен в сторону противоположную вектору напряжённости поля, как произведение вектора E на отрицательную величину. Следовательно, отрицательно заряженные электроны, которые являются носителями зарядов в металлических проводниках, в реальности имеют направление движения, противоположное вектору напряжённости поля и общепринятому направлению электрического тока.

Количество заряда Q = 1 Кулон, перемещённое через поперечное сечение проводника за время t = 1 секунда, определится величиной тока I = 1 Ампер из соотношения:

I = Q/t .

Отношение величины тока I = 1 Aмпер в проводнике к площади его поперечного сечения S = 1 m 2 определит плотность тока j = 1 A/m 2:

Работа A = 1 Джоуль, затраченная на транспортировку заряда Q = 1 Кулон из точки 1 в точку 2 определит значение электрического напряжения U = 1 Вольт, как разность потенциалов φ 1 и φ 2 между этими точками из расчёта:

U = A/Q = φ 1 - φ 2

Электрический ток может быть постоянным или переменным.

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

Переменный ток - электрический ток, величина и направление которого меняются с течением времени.

Ещё в 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный закон электричества, определяющий количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими их способность противостоять электрическому току.
Эти свойства впоследствии стали называть электрическим сопротивлением, обозначать буквой R и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Закон Ома в современной интерпретации классическим соотношением U/R определяет величину электрического тока в проводнике исходя из напряжения U на концах этого проводника и его сопротивления R :

Электрический ток в проводниках

В проводниках имеются свободные носители зарядов, которые под действием силы электрического поля приходят в движение и создают электрический ток.

В металлических проводниках носителями зарядов являются свободные электроны.
С повышением температуры хаотичное тепловое движение атомов препятствует направленному движению электронов и сопротивление проводника увеличивается.
При охлаждении и стремлении температуры к абсолютному нулю, когда прекращается тепловое движение, сопротивление металла стремится к нулю.

Электрический ток в жидкостях (электролитах) существует как направленное движение заряженных атомов (ионов), которые образуются в процессе электролитической диссоциации.
Ионы перемещаются в сторону электродов, противоположных им по знаку и нейтрализуются, оседая на них. - Электролиз.
Анионы - положительные ионы. Перемещаются к отрицательному электроду - катоду.
Катионы - отрицательные ионы. Перемещаются к положительному электроду - аноду.
Законы электролиза Фарадея определяют массу вещества, выделившегося на электродах.
При нагревании сопротивление электролита уменьшается из-за увеличения числа молекул, разложившихся на ионы.

Электрический ток в газах - плазма. Электрический заряд переносится положительными или отрицательными ионами и свободными электронами, которые образуются под действием излучения.

Существует электрический ток в вакууме, как поток электронов от катода к аноду. Используется в электронно-лучевых приборах - лампах.

Электрический ток в полупроводниках

Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по своему удельному сопротивлению.
Знаковым отличием полупроводников от металлов можно считать зависимость их удельного сопротивления от температуры.
С понижением температуры сопротивление металлов уменьшается, а у полупроводников, наоборот, возрастает.
При стремлении температуры к абсолютному нулю металлы стремятся стать сверхпроводниками, а полупроводники - изоляторами.
Дело в том, что при абсолютном нуле электроны в полупроводниках будут заняты созданием ковалентной связи между атомами кристаллической решётки и, в идеале, свободные электроны будут отсутствовать.
При повышении температуры, часть валентных электронов может получать энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей и в кристалле появятся свободные электроны, а в местах разрыва образуются вакансии, которые получили название дырок.
Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары и дырка переместится на новое место в кристалле.
При встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами полупроводника и происходит обратный процесс – рекомбинация.
Электронно-дырочные пары могут появляться и рекомбинировать при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения.
В отсутствие электрического поля электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.
В электрическое поле в упорядоченном движении участвуют не только образовавшиеся свободные электроны, но и дырки, которые рассматриваются как положительно заряженные частицы. Ток I в полупроводнике складывается из электронного I n и дырочного I p токов.

К числу полупроводников относятся такие химические элементы, как германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний.

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Статическое электричество. Если желтый янтарь потереть шерстью или мехом, то янтарь приобретает свойство длительное время притягивать,к себе волосы, листья, соломинки. Способность янтаря,притягивать к себе другие вещества вызывается его зарядом. Под зарядом тел подразумевают электрический заряд. При определенных условиях заряд сохраняется на заряженных телах, поэтому его называют статическим электричеством.

Величины количества электричества заряженных тел и расстояния между ними оказывают влияние на их взаимодействие. Правила, которым подчиняются тела при взаимодействии, называют законом Кулона. Он формулируется так: сила, действующая между двумя заряженными телами, прямо пропорциональна количеству электричества на каждом из тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

Электрически заряженные тела, находясь на расстоянии друг от друга, испытывают действие определенной силы. Пространство, в котором действуют эти силы, называют электрическим силовым полем. Внутри электрического поля силы действуют в определенном направлении. Линии, по которым действуют электрические силы поля, называют силовыми. За их направление в любой точке поля принято направление, в котором будет двигаться в этом поле положительный заряд. Следовательно, электрическое поле изолированного отрицательного заряда направлено к заряду (рис. 1), а линии сил, действующих между положительным и отрицательным зарядами, направлены в сторону отрицательного заряда. Силовые линии одноименных зарядов отталкиваются друг от друга (рис. 2).

Рис. 1
Рис. 2

Электрический ток и направление движения электронов. При изучении законов электрического тока сначала было предположено, что электрический ток направлен от положительно к отрицательно заряженным телам. С помощью более поздних исследований было установлено, что электроны переходят от отрицательно заряженных к положительно заряженным или нейтральным телам.

Однако укоренилось первое положение, которое легло в основу всех электрических измерений и в электротехническую практику. Но, несмотря на это, в современных условиях действует правило, которое определяет электрический ток как поток электронов, направленный от минуса к плюсу.

Электрический потенциал. Действующие на тела силы стремятся привести их в такое положение, в котором потенциальная энергия тел будет наименьшей (например, пролитая вода стекает в самые низкие места, пар движется в трубе из точки с меньшей к точке с большей потенциальной энергией). Для сообщения потенциальной энергии воде ее можно поднять на некоторую высоту. Эти положения распространяются и на электрический ток.

Электрический потенциал можно создать, отняв или добавив к нейтральному телу электроны. В первом случае тело приобретает положительный заряд, т. е. потенциал тела возрастает (совершена работа по удалению электрона), во втором - отрицательный заряд и потенциал его будет отрицательным. Электричество перетекает от более высокого к более низкому потенциалу.

Разрядить тело от электрического заряда можно путем соединения его с землей, т. е. заземления тела. Электрические заряды тела вследствие их взаимного отталкивания стремятся равномерно распределиться на заряженном теле и земле. Однако вследствие того что земля несравнимо больше заряженного тела, все заряды с него уйдут в землю и тело станет нейтральным, т. е. электрически безопасным.

Электрическая цепь постоянного тока. Электрический ток, значение которого не изменяется во времени, называют постоянным. Источник электрического тока с присоединенными к нему линейными проводами и потребителем тока образуют замкнутую электрическую цепь, по которой протекает электрический ток. Простейшая электрическая цепь имеет источник и потребитель электрического тока и два соединяющих их линейных провода (рис. 3). В качестве источников постоянного электрического тока применяют аккумуляторы, генераторы - электрические машины, приводимые в движение механическими двигателями, гальванические элементы и ряд других устройств. Потребителями электрического тока могут быть электронагревательные приборы, сварочная дуга, осветительные лампочки и т.д.

Рис. 3

Конденсаторы. При одном и том же давлении в сосуде большего объема можно вместить большее количество газа. Некоторую аналогию можно пронести и с электрическим зарядом. Чем больше размеры проводника, тем больше его вместимость для электрических зарядов, т. е. больше его электрическая емкость.

Одиночные проводники обладают малой емкостью. Поэтому для образования запаса электрических зарядов применяют конденсаторы. Конденсатором называют устройство, которое при сравнительно малых размерах способно накапливать большие электрические заряды. В простейшем виде конденсатор состоит из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком (воздухом, слюдой, парафинированной бумагой и т.п.). В зависимости от вида диэлектрика конденсатор называют воздушным, бумажным, слюдяным и т.п. Одна пластина конденсатора заряжается положительными зарядами, а другая - отрицательными. Сильное взаимное притяжение удерживает заряды, позволяя накопить в конденсаторе большое количество зарядов.

Емкость конденсатора зависит от площади его пластин. Конденсатор, у которого пластины имеют большую площадь, может вместить большее количество зарядов.

Основной единицей измерения электрической емкости служит фарада (ф). На практике применяют более мелкие единицы: микрофарада (1 мкф = 0,000 001 ф ), пикофарада (1 пф = 0,000 001 мкф ).

В технике конденсаторы используют в различных электрических и радиосхемах.

Электродвижущая сила источника тока. Напряжение. Если соединить трубкой два сосуда с различными уровнями воды, то вода будет переходить в сосуд с меньшим уровнем. Наливая воду в один из сосудов, можно добиться того, чтобы вода по трубке текла непрерывно. Аналогичная картина наблюдается в электрической цепи. На время прохождения электрического тока в цепи на полюсах источника тока необходимо поддерживать разность потенциалов.

Силу, которая поддерживает разность потенциалов, обеспечивая прохождение тока по электрической цепи, называют электродвижущей силой и условно обозначают э. д.с. Разность потенциалов, затрачиваемую на проведение тока через электрическую цепь, называют напряжением между концами электрической цели.

Напряжение создается источником тока. При разомкнутой цепи напряжение существует на полюсах или клеммах источника тока. Когда источник тока включен в цепь, напряжение появляется и на отдельных участках цепи, что и обусловливает ток в цепи. Нет напряжения, нет и тока в цепи.

Электрическое сопротивление. При возникновении в цепи электрического тока свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. Движению электронов препятствуют атомы и молекулы проводников, встречающихся на пути, т. е. электрическая цепь оказывает сопротивление прохождению электрического тока. Электрическим сопротивлением проводника называют свойство тела или среды превратить электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока.

Различные вещества имеют разное количество электронов и разное расположение атомов. Поэтому сопротивление проводника зависит от материала, из которого он изготовлен. Хорошими проводниками является серебро , медь , . Большим сопротивлением обладают , железо , уголь . Наряду с этим сопротивление зависит от длины и площади поперечного сечения проводника. Чем длиннее проводник при одном и том же поперечном сечении, тем большим обладает он сопротивлением, и наоборот: чем больше сечение проводника при одной и той же длине, тем меньше его сопротивление.

Нагрев увеличивает сопротивление большинства металлов и сплавов. Для чистых металлов это увеличение составляет около 4% на каждые 10° повышения температуры. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин , константан и др.) почти не меняют своего сопротивления с увеличением температуры.

Реостаты. Приборы, при помощи которых, меняя сопротивление, можно регулировать силу тока в цепи, называют реостатами. Реостаты бывают нескольких видов, например: реостат со скользящим контактом, рычажный реостат, ламповый и др.

Рис. 4

Реостат со скользящим контактом устроен следующим образом (рис. 4). Проволока из металла с высоким удельным сопротивлением намотана на цилиндр, сделанный из изолятора, к концам проволоки прикреплены клеммы для включения реостата в цепь. Сверху цилиндра на металлическом стержне прикреплен ползун, плотно касающийся витков проволоки. Реостат включают в цепь при помощи одной из клемм на проволоке реостата и клеммы на металлическом стержне ползуна. Передвигая ползун в ту или другую сторону, увеличивают или уменьшают длину включенной проволоки и тем самым изменяют сопротивление цепи.

Реостат рычажного типа, состоит из ряда проволочных спиралей, укрепленных на раме из изолятора. На одной стороне рамы концы спиралей соединены с рядом металлических контактов. Металлическая ручка, вращаясь вокруг оси, может плотно прижиматься к тому или другому контакту. В зависимости от положения ручки в цепь может включаться различное количество спиралей.

Измерение тока, напряжения и сопротивления. Опыты показывают, чем большее количество электричества протекает по проводнику в одно и то же время, тем сильнее действие тока. Поэтому электрический ток определяется количеством электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в единицу времени. Количество электричества, протекающего через поперечное сечение проводника в 1 сек , называют силой электрического тока. За единицу силы тока принят 1 а , т. е. сила такого тока, при котором в 1 сек через поперечное сечение проводника проходит 1 кулон электричества. Ампер обозначается буквой а . Единица силы тока ампер названа так в честь французского ученого Ампера.

Английский физик Фарадей, изучая явление прохождения тока через жидкие проводники, установил, что весовое количество выделяющихся при этом веществ на электродах прямо пропорционально количеству прошедшего через раствор электричества. На основании этого была установлена единица количества электричества.

За единицу количества электричества принято такое количество электричества, при прохождении которого через раствор серебряной соли выделяется на электроде 1,118 мг серебра . Эта единица называется куланом.

Исходя из определения электрического тока можно определить его силу по формуле

I - сила тока в цепи;

Q - количество электричества, протекающего >в цени, в кулонах;

Т - время прохождения электричества в цепи в сек.

В технике имеется еще и такое понятие, как плотность тока.

Плотностью тока называют отношение величины тока к площади поперечного сечения проводника. Обычно площадь сечения проводников приводится в квадратных миллиметрах, поэтому плотность тока измеряют в а/мм 2 .

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока, проводников и электрической лампочки, соединенных последовательно. Сила тока на всех участках этой цепи одинакова, а значит и количество электричества, протекающего по проводам и волоску лампочки в одно и то же время, одинаковое. Однако количество энергии, выделяющейся на отдельных участках цепи, различно. В этом легко убедиться, если притронуться рукой к проводам, подводящим ток к ламлпочке,- они холодные, в то время как волосок лампочки раскален. Выделение различных количеств энергии на различных участках цепи вызывается тем, что на этих участках цепи существует различное напряжение.

Напряжение на данном участке цепи показывает, какое количество энергии будет выделиться на данном участке при прохождении по нему единицы количества электричества.

За единицу напряжения принимают такое напряжение, при котором на участке цепи выделяется 1 джоуль энергии (1 кг м=9,8 джоуля ), если по этому участку протекает 1 кулон электричества. Единицу напряжения называют вольт ом и сокращенно обозначают буквой в . Единица напряжения «вольт» названа так в честь итальянского ученого Вольта.

Если на каком-либо участке цепи напряжение равно 1 в , это значит, что при прохождении каждого кулона электричества по этому участку выделяется 1 джоуль энергии.

При измерении высоких напряжений применяют единицу, называемую киловольтом и обозначаемую сокращенно кв . Киловольт в тысячу раз больше вольта: 1 кв=1000 в . Для измерения небольших напряжений применяют милливольт (мв ) -единицу, в тысячу раз меньшую, чем вольт: 1 мв = 0,001 в .

Источник электрического тока, включенный в электрическую цель, расходует энергию на преодоление сопротивления цепи. Единицей сопротивления называют ом в честь немецкого ученого Ома, открывшего законы электрического тока; ом - электрическое сопротивление между двумя точками линейного проводника, в котором разность потенциалов в 1 в производит ток в 1 а . Электрическое сопротивление обозначается двумя буквами ом .

При измерении больших сопротивлений пользуются значительно большими единицами, чем ом : килоом (ком ) и мегом (мгом ). 1 ком =1000 ом , 1 мгом= 1 000 000 ом .

Свойства проводников в отношении их электрического сопротивления оценивают по удельному сопротивлению. Удельным сопротивлением называют сопротивление проводника длиной 1 м с поперечным сечением в 1 мм 2 . Удельное сопротивление измеряется тоже в омах.

Если в электрическую цепь, состоящую из лампочки и амперметра, включить один большой гальванический элемент, можно заметить, что по цепи идет очень слабый ток и нить лампочки не накаливается. Как только гальванический элемент заменим свежей батарейкой от карманного фонаря, ток в цепи увеличивается и нить лампочки ярко накаливается. Измерив напряжение на концах цепи при включении элемента и батарейки, увидим, что при включении батарейки напряжение значительно больше.

Отсюда следует, что сила тока в проводнике увеличивается с увеличением напряжения на концах проводника. Включив в цепь вместо одной две лампочки последовательно, увеличиваем сопротивление цепи в два раза. Теперь мы видим, что сила тока в цепи уменьшилась. Изучая зависимость силы тока от сопротивления и напряжения, немецкий ученый Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна сопротивлению проводника. Эта зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением носит название закона Ома, который является одним из основных законов электрического тока.

Закон Ома выражается следующей формулой:

Где I - ток в а ;

V — напряжение в в ;

R - сопротивление в ом .

Закон Ома распространяется не только на dc. цепь, но и на любой ее участок. Ток на любом участке электрической цепи равен напряжению на концах этого участка, деленному на его сопротивление.

Последовательное соединение в электрической цепи. В большинстве случаев электрическая цепь состоит из нескольких потребителей тока (рис. 5). Соединение потребителей тока, при котором конец одного проводника соединен с началом другого, конец другого - с началом третьего и т.д., называют последовательным.

Рис. 5

Так как сопротивление прямо пропорционально длине проводника, сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников, поскольку включение нескольких проводников увеличивает длину пути тока. Ток на отдельных участках цепи будет одинаковым. Поэтому падение напряжения на каждом участке будет пропорционально сопротивлению данного участка.

Параллельным соединением в электрической цепи называют такое соединение, когда начала всех проводников соединены в одной, а их концы - в другой точке (рис. 6). При параллельном соединении для прохождения электрического тока имеется несколько путей (рис. 6). Ток между параллельно соединенными потребителями распределяется обратно пропорционально сопротивлениям потребителей. Если отдельные потребители обладают одинаковым сопротивлением, ток у них будет одинаковый. Чем меньше сопротивление отдельного потребителя, тем больший ток пройдет через него.

Рис.6

Сумма токов отдельных участков в параллельной цепи равна полному току в точке разветвления цепи.

Если в последавательно соединенной цепи присоединение новых потребителей электрического тока увеличивает сопротивление цепи, при параллельном соединении оно уменьшается: подключенное новое сопротивление увеличивает общее сечение проводника, состоящее из суммы сечений проводников всех потребителей. А как известно, чем больше сечение проводника при постоянной его длине, тем меньше сопротивление.

Пренебрегая сопротивлением соединительных проводов, можно считать, что напряжение источника тока приложено к каждому потребителю параллельной цепи. Поэтому достоинством параллельного соединения является независимость работы каждого потребителя тока. Можно отключить любой потребитель, не прерывая прохождения тока по остальным. Изменив сопротивление одного из потребителей, изменим в его цепи ток. У остальных потребителей ток не изменится.

Рис. 7

Смешанное соединение в электрической цепи. Очень часто в электрических цепях встречается смешанное соединение. Смешанным соединением называют такое соединение, в котором имеется как последовательное, так и параллельное соединение потребителей электрического тока (рис. 7). Для определения сопротивления нескольких проводников, соединенных по смешанной схеме, находят сначала сопротивление параллельно или последовательно соединенных проводников, а затем заменяют их одним проводником с сопротивлением, равным найденному. Таким способом упрощают схему, приводя ее к одному проводнику, сопротивление которого равно общему сопротивлению сложной цепи.

Работа и мощность электрического тока. Электрический ток может производить работу. Способность тела производить работу называют энергией этого тела. Посредством электрических моторов ток приводит в движение электропоезда, станки. За счет энергии электрического тока совершается механическая работа. Если проводник, по которому проходит ток, нагревается, энергия тока превращается в теплоту. При различных проявлениях тока наблюдается превращение электрической энергии в другие виды энергии.

В замкнутой электрической цепи протекает ток, который представляет движение электрических зарядов. Для переноса зарядов в электрической цепи источник электрической энергии затрачивает определенное количество энергии или совершает работу, равную произведению напряжения цепи на перенесенное через цепь количество электричества.

Если по участку электрической цепи протекло Q кулонов электричества, а напряжение на нем равно V , то совершенная на данном участке цепи работа А будет равна:

А = QV дж.

При токе Ia в течение Т секунд через сечение проводника проходит IT = Q кулонов электричества. Следовательно, работа тока в Iа при напряжении V в течение Т секунд будет равна:

A = IVT.

Работу тока принято оценивать по его мощности. Мощность тока численно равна работе, которую производит ток в 1 сек . Следовательно, мощность тока будет равна:

джоулей в 1 сек.

Единицей измерения мощности служит ватт (вт ). Один ватт - мощность тока в 1 а при напряжении в 1 в . Следовательно, с увеличением тока и напряжения мощность увеличивается. Для определения мощности электрического тока необходимо напряжение в вольтах умножить на ток в амперах.

Наряду с ваттом для измерения мощности часто применяют киловатт (1 квт =1000 вт ), гектоватт (1 гвт=100 вт ), милливатт (1 мвт=0,001 вт ) и микроватт (1 мквт= 0,000 001 вт ).

Работу электрического тока можно определить, если его мощность умножить на время прохождения тока: мощность -это работа в 1 сек . За основную единицу работы принята ватт-секунда (вт сек ), т. е. работа тока мощностью 1 вт в течение 1 сек . Более крупными единицами являются ватт-час (1 вт ч=3600 вт сек ), гектоватт-час (1 гвт ч =100 вт ч ), киловатт-час (1 квт ч= 1000 вт ч ).

Закон Ленца-Джоуля. Русский академик Ленц и английский физик Джоуль, независимо друг от друга, установили, что в процессе прохождения электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока. Эту закономерность называют закомом Ленца - Джоуля и выражают формулой

Q = 0,24I 2 Rt ,

де Q - количество теплоты в кал ;

0,24 - коэффициент пропорциональности, обусловливающий, чтобы ток был выражен в а , напряжение в в , а сопротивление - в ом ;

I - ток в а ;

R - сопротивление проводника в ом ;

t - время, в течение которого ток протекал по проводнику, в сек .

Электрическая дуга. Если сблизить концы двух проводников, присоединенных к источнику электрического тока, между ними образуется искра. Разведя концы, вместо искры получим электрическую дугу, создающую сильный и ослепительный свет. Если к концам проводников присоединить угольные стержни, между ними также возникнет электрическая дуга. Возникновение дуги объясняется следующим образом.

С повышением температуры угольных стержней увеличивается скорость движения электронов, находящихся в угле. При сильном нагреве скорость движения свободных электронов возрастает настолько, что при раздвижении углей электроны из стержней вылетают в межэлектродное пространство. В результате действия вылетевших электронов на нейтральные атомы и интенсивного излучения света нагретыми концами электродов воздух между электродами перестает быть электрически нейтральным, т. е. между концами раздвинутых электродов создается газовый промежуток, хорошо проводящий электрический ток, и возникает электрический разряд.

Способность тока создавать электрическую дугу с успехом используют при сварке. Заменив один из угольных электродов свариваемым изделием, получим электрическую дугу, горящую между этим изделием и вторым угольным электродом. Однако в настоящее время наибольшее применение получил способ сварки металлическим электродом. В этом случае вместо угольного электрода применяют металлический. Сварочная дуга горит между свариваемым изделием и металлическим электродом. После расплавления металлического электрода он заменяется новым.

Короткое замыкание. Аварийный режим работы электрической цепи, когда вследствие уменьшения ее сопротивления ток в ней резко увеличивается против нормального, называют коротким замыканием. Короткое замыкание получается, если в электрическую цепь включается проводник или прибор и т.п. с очень небольшим сопротивлением по сравнению с сопротивлением цепи. Вследствие небольшого сопротивления по цепи пойдет ток, намного превышающий тот, на который рассчитана цепь. Такой ток вызовет выделение большого количества тепла, что приведет к обугливанию и сгоранию изоляции проводов, расплавлению материала проводов, порче электроизмерительных приборов, оплавлению контактов выключателей, ножей рубильников и т.п. Может быть поврежден даже источник электрического тока. Поэтому (ввиду опасных разрушительных последствий короткого замыкания необходимо соблюдать определенные условия при монтаже и эксплуатации электрических установок.

Для того чтобы избежать внезапного и опасного увеличения тока в электрической цепи при коротком замыкании, цепь защищают плавкими предохранителями. Предохранитель представляет собой легкоплавкую проволоку, включенную в цепь последовательно. При увеличении тока сверх определенной величины проволочка предохранителя нагревается и плавится, электрическая цепь автоматически разрывается и ток в ней прекращается. Плавкие вставки для разных сечений защищаемых проводов и для разных потребителей энергии берутся различные. Плавкие предохранители могут выполнить свою задачу при условии, что они правильно выбраны.

Рис. 8

По своей конструкции предохранители делят на пробочные (рис. 8,а), пластинчатые (рис. 8,б) и трубчатые (рис. 8,в), В пробочных предохранителях плавкая проволока помещается внутри фарфоровой пробки и укрепляется в ее основании, к которому подведены провода размыкаемой цепи. В пластинчатых предохранителях плавкая вставка с помощью наконечников и винтов укреплена на изолирующем основании. Провода размыкаемой цепи подводят к винтам. В трубчатых предохранителях плавкая часть помещена внутри легко-съемных фарфоровых трубок.

В цепях с большим током и напряжением плавкие предохранители применяют редко. В этих случаях устраивают другую автоматическую защиту.

Главная » Стены » Постоянный электрический ток. Электрический ток и электрическая цепь Определение понятия электрический ток