Что такое ток в физике определение. Как читать схемы

Что называют силой тока? Такой вопрос не раз и не два возникал у нас в процессе обсуждения различных вопросов. Поэтому мы решили разобраться с ним более подробно, и постараемся сделать это максимально доступным языком без огромного количества формул и непонятных терминов.

Итак, что называется электрическим током? Это направленный поток заряженных частиц. Но что это за частицы, с чего это вдруг они двигаются, и куда? Это все не очень понятно. Поэтому давайте разберемся в этом вопросе подробнее.

• Начнем с вопроса про заряженные частицы, которые, по сути, являются носителями электрического тока . В разных веществах они разные. Например, что представляет собой электрический ток в металлах? Это электроны. В газах — электроны и ионы; в полупроводниках – дырки; а в электролитах — это катионы и анионы.

• Эти частицы имеют определенный заряд. Он может быть положительным или отрицательным. Определение положительного и отрицательного заряда дано условно. Частицы, имеющие одинаковый заряд, отталкиваются, а разноименный — притягиваются.

• Исходя из этого, получается логичным, что движение будет происходить от положительного полюса к отрицательному. И чем большее количество заряженных частиц имеется на одном заряженном полюсе, тем большее их количество будет перемещаться к полюсу с другим знаком.
• Но все это глубокая теория, поэтому давайте возьмем конкретный пример. Допустим, у нас имеется розетка, к которой не подключено ни одного прибора. Есть ли там ток?
• Для ответа на этот вопрос нам необходимо знать, что такое напряжение и ток. Дабы это было понятнее, давайте разберем это на примере трубы с водой. Если говорить упрощенно, то труба - это наш провод. Сечение этой трубы - это напряжение электрической сети, а скорость потока — это и есть наш электрический ток.
• Возвращаемся к нашей розетке. Если проводить аналогию с трубой, то розетка без подключенных к ней электроприборов, это труба, закрытая вентилем. То есть электрического тока там нет.

• Но зато там есть напряжение. И если в трубе, для того чтоб появился поток, необходимо открыть вентиль, то чтобы создать электрический ток в проводнике, надо подключить нагрузку. Сделать это можно путем включения вилки в розетку.
• Конечно, это весьма упрощенное представление вопроса, и некоторые профессионалы будут меня хаять и указывать на неточности. Но оно дает представление о том, что называют электрическим током.

Постоянный и переменный ток

Следующим вопросом, в котором мы предлагаем разобраться – это: что такое переменный ток и постоянный ток. Ведь многие не совсем правильно понимают эти понятия.

Постоянным называется ток, который в течение времени не изменяет своей величине и направлению. Достаточно часто к постоянному еще относят пульсирующий ток, но давайте обо всем по порядку.

• Постоянный ток характеризуется тем, что одинаковое количество электрических зарядов постоянно сменяет друг друга в одном направлении. Направление — это от одного полюса, к другому.
• Получается, что проводник всегда имеет либо положительный, либо отрицательный заряд. И в течение времени это неизменно.

Обратите внимание! При определении направления постоянного тока, могут быть несогласности. Если ток образуется движением положительно заряженных частиц, то его направление соответствует движению частиц. Если же ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то его направление принято считать противоположным движению частиц.

• Но под понятие, что такое постоянный ток достаточно часто относят и так называемый пульсирующий ток. От постоянного он отличается только тем, что его значение в течение времени изменяется, но при этом он не меняет своего знака.
• Допустим, мы имеем ток в 5А. Для постоянного тока эта величина будет неизменной в течении всего периода времени. Для пульсирующего тока, в один отрезок времени она будет 5, в другой 4, а в третий 4,5. Но при этом он ни в коем случае не снижается ниже нуля, и не меняет своего знака.

• Такой пульсирующий ток очень распространен при преобразовании переменного тока в постоянный. Именно такой пульсирующий ток выдает ваш инвертор или диодный мост в электронике.
• Одним из главных преимуществ постоянного тока является то, что его можно накапливать. Сделать это можно своими руками, при помощи аккумуляторных батарей или конденсаторов.

Переменный ток

Чтобы понять, что такое переменный ток, нам необходимо представить себе синусоиду. Именно эта плоская кривая лучше всего характеризует изменение постоянного тока, и является стандартом.

Обратите внимание! Наглядно увидеть, что такое переменный и постоянный ток, можно на примере обычной лампочки. Особенно хорошо это видно на некачественных диодных лампах, но присмотревшись, можно увидеть и на обычной лампе накаливания. При работе на постоянном токе они горят ровным светом, а при работе на переменном токе едва заметно мерцают.

Что такое мощность и плотность тока?

Ну вот, мы выяснили, что такое ток постоянный, а что такое переменный. Но у вас наверняка осталось еще масса вопросов. Их-то мы и постараемся рассмотреть в этом разделе нашей статьи.

Из этого видео Вы подробнее сможете узнать о том, что же такое мощность.

• И первым из этих вопросов будет: что такое напряжение электрического тока? Напряжением называется разность потенциалов между двумя точками.

• Сразу возникает вопрос, а что такое потенциал? Сейчас меня вновь будут хаять профессионалы, но скажем так: это избыток заряженных частиц. То есть, имеется одна точка, в которой избыток заряженных частиц — и есть вторая точка, где этих заряженных частиц или больше, или меньше. Вот эта разница и называется напряжением. Измеряется она в вольтах (В).

• В качестве примера возьмем обычную розетку. Все вы наверняка знаете, что ее напряжение составляет 220В. В розетке у нас имеется два провода, и напряжение в 220В обозначает, что потенциал одного провода больше чем потенциал второго провода как раз на эти 220В.
• Понимание понятия напряжения нам необходимо для того, чтоб понять, что такое мощность электрического тока. Хотя с профессиональной точки зрения, это высказывание не совсем верное. Электрический ток не обладает мощностью, но является ее производной.

• Дабы понять этот момент, давайте вновь вернемся к нашей аналогии с водяной трубой. Как вы помните сечение этой трубы - это напряжение, а скорость потока в трубе - это ток. Так вот: мощность — это то количество воды, которое протекает через эту трубу.
• Логично предположить, что при равных сечениях, то есть напряжениях — чем сильнее поток, то есть электрический ток, тем больший поток воды переместиться через трубу. Соответственно, тем большая мощность передастся потребителю.
• Но если в аналогии с водой мы через трубу определенного сечения можем передать строго определенное количество воды, так как вода не сжимается, то с электрическим током все не так. Через любой проводник мы теоретически можем передать любой ток. Но практически, проводник небольшого сечения при высокой плотности тока просто перегорит.

• В связи с этим, нам необходимо разобраться с тем, что такое плотность тока. Грубо говоря — это то количество электронов, которое перемещается через определенное сечение проводника за единицу времени.
• Это число должно быть оптимальным. Ведь если мы возьмем проводник большого сечения, и будем передавать через него небольшой ток, то цена такой электроустановки будет велика. В то же время, если мы возьмем проводник небольшого сечения, то из-за высокой плотности тока он будет перегреваться и быстро перегорит.
• В связи с этим, в ПУЭ есть соответствующий раздел, который позволяет выбрать проводники исходя из экономической плотности тока.

• Но вернемся к понятию, что такое мощность тока? Как мы поняли по нашей аналогии, при одинаковом сечении трубы передаваемая мощность зависит только от силы тока. Но если сечение нашей трубы увеличить, то есть увеличить напряжение, в этом случае, при одинаковых значениях скорости потока, будут передаваться совершенно разные объемы воды. То же самое и в электрике.

• Чем выше напряжение, тем меньший ток необходим для передачи одинаковой мощности. Именно поэтому, для передачи на большие расстояния больших мощностей используют высоковольтные линии электропередач.

Ведь линия сечением провода в 120 мм 2 на напряжение в 330кВ, способна передать в разы большую мощность в сравнении с линией такого же сечения, но напряжением в 35кВ. Хотя то, что называется силой тока, в них будет одинаковой.

Способы передачи электрического тока

Что такое ток и напряжение мы разобрались. Пришла пора разобраться со способами распределения электрического тока. Это позволит в дальнейшем более уверено чувствовать себя в общении с электроприборами.

Как мы уже говорили, ток может быть переменным и постоянным. В промышленности, и у вас в розетках используется переменный ток. Он более распространен, так как его легче передавать по проводам. Дело в том, что изменять напряжение постоянного тока достаточно сложно и дорогостояще, а изменять напряжение переменного тока можно при помощи обыкновенных трансформаторов.

Обратите внимание! Ни один трансформатор переменного тока не будет работать на постоянном токе. Так как свойства, которые он использует, присущи только переменному току.

• Но это совсем не обозначает, что постоянный ток нигде не используется. Он обладает другим полезным свойством, которое не присуще переменному. Его можно накапливать и хранить.
• В связи с этим, постоянный ток используют во всех портативных электроприборах, в железнодорожном транспорте, а также на некоторых промышленных объектах где необходимо сохранить работоспособность даже после полного прекращения электроснабжения.

• Самым распространенным способом хранения электрической энергии, являются аккумуляторные батареи. Они обладают специальными химическими свойствами, позволяющими накапливать, а затем при необходимости отдавать постоянный ток.
• Каждый аккумулятор обладает строго ограниченным объемом накапливаемой энергии. Ее называют емкостью батареи, и отчасти она определяется пусковым током аккумулятора.
• Что такое пусковой ток аккумулятора? Это то количество энергии, которое аккумулятор способен отдать в самый первоначальный момент подключения нагрузки. Дело в том, что в зависимости от физико-химических свойств, аккумуляторы отличаются по способу отдачи накопленной энергии.

• Одни могут отдать сразу и много. Из-за этого они, понятное дело, быстро разрядятся. А вторые отдают долго, но по чуть-чуть. Кроме того, важным аспектом аккумулятора является возможность поддержания напряжения.
• Дело в том, что как говорит инструкция, у одних аккумуляторов по мере отдачи емкости, плавно снижается и их напряжение. А другие аккумуляторы способны отдать практически всю емкость с одинаковым напряжением. Исходя из этих основных свойств, и выбирают эти хранилища для электроэнергии.
• Для передачи постоянного тока, во всех случаях используется два провода. Это положительная и отрицательная жила. Красного и синего цвета.

Переменный ток

А вот с переменным током все намного сложнее. Он может передаваться по одному, двум, трем или четырем проводам. Чтоб объяснить это, нам необходимо разобраться с вопросом: что такое трехфазный ток?

• Переменный ток у нас вырабатывается генератором. Обычно почти все их них имеют трёхфазную структуру. Это значит, что генератор имеет три вывода и в каждый из этих выводов выдается электрический ток, отличающийся от предыдущих на угол в 120⁰.

• Дабы это понять, давайте вспомним нашу синусоиду, которая является образцом для описания переменного тока, и согласно законам которой он изменяется. Возьмем три фазы – «А», «В» и «С», и возьмем определенную точку во времени. В этой точке синусоида фазы «А» находится в нулевой точке, синусоида фазы «В» находится в крайней положительной точке, а синусоида фазы «С» — в крайней отрицательной точке.
• Каждую последующую единицу времени переменный ток в этих фазах будет изменяться, но синхронно. То есть, через определенное время, в фазе «А» будет отрицательный максимум. В фазе «В» будет ноль, а в фазе «С» — положительный максимум. А еще через некоторое время, они вновь сменятся.

• В итоге получается, что каждая из этих фаз имеет собственный потенциал, отличный от потенциала соседней фазы. Поэтому между ними обязательно должно быть что-то, что не проводит электрический ток.
• Такая разность потенциалов между двумя фазами называется линейным напряжением. Кроме того, они имеют разность потенциалов относительно земли – это напряжение называется фазным.
• И вот, если линейное напряжение между этими фазами составляет 380В, то фазное напряжение равно 220В. Оно отличается на значение в √3. Это правило действует всегда и для любых напряжений.

• Исходя из этого, если нам необходимо напряжение в 220В, то можно взять один фазный провод, и провод, жестко подключенный к земле. И у нас получится однофазная сеть 220В. Если нам необходима сеть 380В, то мы можем взять только 2 любые фазы, и подключить какой-то нагревательный прибор как на видео.

Но в большинстве случаев, используются все три фазы. Все мощные потребители подключаются именно к трехфазной сети.

Вывод

Что такое индукционный ток, емкостной ток, пусковой ток, ток холостого хода, токи обратной последовательности, блуждающие токи и многое другое, мы просто не можем рассмотреть в рамках одной статьи.

Ведь вопрос электрического тока достаточно объемен, и для его рассмотрения создана целая наука электротехника. Но мы очень надеемся, что смогли объяснить доступным языком основные аспекты данного вопроса, и теперь электрический ток не будет для вас чем-то страшным и непонятным.

Электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. В твердых телах это движение электронов (отрицательно заряженных частиц) в жидких и газообразных телах это движение ионов (положительно заряженных частиц). Более того ток бывает постоянным и переменным, и у них совсем разное движение электрических зарядов. Чтобы хорошо понять и усвоить тему движение тока в проводниках пожалуй сначала нужно более подробно разобраться с основами электрофизики. Именно с этого я и начну.

Итак, как вообще происходит движение электрического тока? Известно, что вещества состоят из атомов. Это элементарные частицы вещества. Строение атома напоминает нашу солнечную систему, где в центре расположено ядро атома. Оно состоит из плотно прижатых друг к другу протонов (положительных электрических частиц) и нейтронов (электрически нейтральных частиц). Вокруг этого ядра с огромной скоростью по своим орбитам вращаются электроны (более мелкие частицы, имеющие отрицательный заряд). У разных веществ количество электронов и орбит, по которым они вращаются, может быть различным. Атомы твердых веществ имеют так называемую кристаллическую решетку. Это структура вещества, по которой в определенной порядке располагаются атомы относительно друг друга.

А где же тут может возникнуть электрический ток? Оказывается, что у некоторых веществ (проводников тока) электроны, что наиболее удалены от своего ядра, могут отрываться от атома и переходить на соседний атом. Это движение электронов называется свободным. Просто электроны перемещаются внутри вещества от одного атома к другому. Но вот если к этому веществу (электрическому проводнику) подключить внешнее электромагнитное поле, тем самым создав электрическую цепь, то все свободные электроны начнут двигаться в одном направлении. Именно это и есть движение электрического тока внутри проводника.

Теперь давайте разберемся с тем, что собой представляет постоянный и переменный ток. Итак, постоянный ток всегда движется только в одном направлении. Как говорилось в самом начале - в твердых телах движутся электроны, а в жидких и газообразных движутся ионы. Электроны, это отрицательно заряженные частицы. Следовательно, в твердых телах электрический ток течет от минуса к плюсу источника питания (перемещаются электроны по электрической цепи). В жидкостях и газах ток движется сразу в двух направлениях, а точнее, одновременно, электроны текут к плюсу, а ионы (отдельные атомы, что не связаны между собой кристаллической решеткой, они каждый сам по себе) текут к минусу источника питания.

Учеными же было принято официально считать, что движение происходит от плюса к минусу (наоборот, чем это происходит в действительности). Так что, с научной точки зрения правильно говорить, что электрический ток движется от плюса к минусу, а с реальной точки зрения (электрофизическая природа) правильнее полагать, что ток течет от минуса к плюсу (в твердых телах). Наверное это сделано для какого-то удобства.

Теперь, что касается переменного электрического тока. Тут уже немного все сложнее. Если в случае постоянного тока движение заряженных частиц имеет только одно направление (физически электроны со знаком минус текут к плюсу), то при переменном токе направление движения периодически меняется на противоположное. Вы наверное слышали, что в обычной городской электросети переменное напряжение величиной 220 вольт и стандартной частотой 50 герц. Так вот эти 50 герц говорят о том, что электрический ток за одну секунду успевает 50 раз пройти полный цикл, имеющий синусоидальную форму. Фактически за одну секунду направление тока меняется аж 100 раз (за один цикл меняется два раза).

P.S. Направление тока в электрических схемах имеет важное значение. Во многих случаях если схема рассчитана на одно направление тока, а вы случайно его поменяете на противоположный или вместо постоянного тока подключите переменный, то скорее всего устройство просто выйдет из строя. Многие полупроводники, что работают в схемах, при обратном направлении тока могут пробиваться и сгорать. Так что при подключении электрического питания направление тока должно быть вами строго соблюдаться.

«Электрический ток это упорядоченное движение заряженных частиц, которые называются ЭЛЕКТРОНЫ». Электроны, что же это такое? Не будем вдаваться в подробности школьного учебника по физике и химии. Попробую рассказать простыми словами и на простом примере - Это НЕ сложно Электрон присутствует в любом металле, алюминии, железе, меди во всем из чего сделаны металлические ложки, кружки и провода есть электроны. Электрон - это отрицательно заряженная частица имеющая знак (-) минуc. Электроны, двигаются с огромной скоростью, считай мгновенно и при этом хаотично. Двигаясь в разных направлениях, они сталкиваются друг с другом и с другими частицами которые так же присутствуют в металлах и от этого хаотичного движения электронов, тебе нет никакой пользы. Для того чтобы заработал утюг, загорелась лампочка нужно заставить электроны двигаться в электрических проводах строго в одну сторону, задать им направление. Как это сделать? Да очень просто! Нужно подключить к проводу источник питания, например обычную батарейку. У батарейки имеется плюс и минус, приложив плюс к одному концу провода, а минус к другому мы получим направленное движение электронов. Электроны будут двигаться в проводе строго в одном направлении от плюса к минусу, при этом в проводе возникнет электрический ток.

Работа электрического тока

Конечно, ты понимаешь, что так просто замыкать проводом плюс и минус батарейки нельзя? Батарейка разрядится, провод нагреется и пользы от этого нет никакой, но если провод разорвать и в место разрыва подключить лампочку, то у тебя получится свой источник света, лампочка засветится, т.е электрический ток начал работать для тебя. Загоревшаяся электрическая лампочка как раз подтверждает определение - (работа электрического тока).

Именно за счет работы электрического тока горит лампочка, работает телевизор, микроволновка и т.д.. Если не будет упорядоченного движения электронов то и работать эти электрические устройства не будут.

Если случится обрыв в электрическом проводе, или будет выключен выключатель или произойдет что-то другое, препятствующее движению электрического тока, упорядоченное движение электронов прекратится и вместе с этим прекратится работа электрического тока.

Воздействие электрического тока на организм человека

Хочу обратить твое внимание на то, что человек так же может являться проводником электрического тока. И если подключить человека к электросети (сунуть пальцы в розетку) через тело человека потечет электрический ток.

При подключении электрического тока к электролампочке она просто засветится, с человеком могут произойти очень неприятные последствия. Электрический ток, выше определенного номинала, может нанести человеку такие повреждения как ожег, нарушение дыхания, ритма сердцебиения и смерть. Электрический ток не имеет цвета, звука и запаха, поэтому обращаться с электрическим током нужно очень осторожно, но и слишком бояться его до заикания и холодного пота тоже не следует. Просто нужно знать его физические свойства и соблюдать технику безопасности.

Подключим к пальчиковой батарейке светодиод, и если полярность окажется соблюдена правильно, то он засветится. В каком направлении установится ток? В наше время всем известно, что от плюса к минусу. А внутри батарейки, стало быть, от минуса к плюсу - ток ведь в этой замкнутой электрической цепи постоянный.

За направление тока в цепи принято считать направление движения положительно заряженных частиц, но ведь в металлах то движутся электроны, а они, мы знаем, заряжены отрицательно. Значит в реальности понятие «направление тока» - это условность. Давайте разберемся, почему в то время как электроны текут по цепи от минуса к плюсу, все вокруг говорят, что ток идет от плюса к минусу . Для чего такая несуразность?

Ответ кроется в истории становления электротехники. Когда Франклин разрабатывал свою теорию электричества, он рассматривал его движение подобно движению жидкости, которая как-бы перетекает от одного тела к другому. Где электрической жидкости больше - оттуда она течет в ту сторону, где ее меньше.

Франклин поэтому и назвал тела с избытком электрической жидкости (условно!) положительно электризованными, а тела с недостатком электрической жидкости - отрицательно электризованными. Отсюда и пошло представление о движении . Положительный заряд перетекает, словно через систему сообщающихся сосудов, от одного заряженного тела к другому.

Позже французский исследователь Шарль Дюфе в своих экспериментах с установил, что заряжаются не только натираемые тела, но и натирающие, причем при контакте заряды обеих тел нейтрализуется. Получалось, что есть на самом деле два отдельных вида электрического заряда, которые при взаимодействии друг друга нейтрализуют. Эту теорию двух электричеств развил современник Франклина Роберт Симмер, который на себе убедился в том, что в теории Франклина что-то не до конца правильно.

Шотландский физик Роберт Симмер носил по две пары чулок: утепленные шерстяные и сверху еще вторые шелковые. Когда он снимал с ноги оба чулка сразу, а затем выдергивал один чулок из другого, то наблюдал такую картину: шерстяной и шелковый чулки раздуваются, принимая как бы форму его ноги и резко слипаются друг с другом. При этом чулки из одинакового материла, как шерстяные и шелковые, отталкивались друг от друга.

Если же Симмер держал в одной руке два шелковых, а в другой - два шерстяных чулка, то когда он сближал руки, отталкивание чулков из одинакового материала и притяжение чулков из разного материала приводило к интересному взаимодействию между ними: разнородные чулки словно набрасывались друг на друга и сплетались в клубок.

Наблюдения за поведением собственных чулков привели Роберта Симмера к выводу, что в каждом теле имеется не одна, а две электрические жидкости – положительная и отрицательная, которые содержатся в теле в одинаковых количествах. При натирании двух тел какая-то из них может перейти из одного тела в другое, тогда в одном теле окажется избыток одной из жидкостей, а в другом – ее недостаток. Оба тела станут наэлектризованными противоположными по знаку электричествами.

Тем не менее, электростатические явления успешно можно было объяснить как при помощи гипотезы Франклина, так и при помощи гипотезы двух электричеств Симмера. Эти теории некоторое время конкурировали между собой. Когда же в 1779 году Алессандро Вольта создал свой вольтов столб, после чего был исследован электролиз, ученые пришли к однозначному выводу, что действительно в растворах и жидкостях движутся два противоположных потока носителей заряда - положительные и отрицательные. Дуалистическая теория электрического тока, хотя и не была понятна всем, все же восторжествовала.

Наконец, в 1820 году, выступая перед Парижской академией наук, Ампер предлагает выбрать в качестве основного направления тока одно из направлений движения заряда. Ему было удобно сделать так, поскольку Ампер исследовал взаимодействия токов между собой и токов с магнитами. И чтобы каждый раз во время сообщения не упоминать, что в двух направлениях по одному проводнику движутся два потока противоположного заряда.

Ампер предложил просто принять за направление тока направление движения положительного электричества, и все время говорить о направлении тока, имея ввиду движение положительного заряда . С тех пор предложенное Ампером положение о направлении тока принято повсеместно, и используется до сих пор.

Когда Максвелл разрабатывал свою теорию электромагнетизма, и решил применять правило правого винта для удобства определения направления вектора магнитной индукции, он также придерживался этого положения: направление тока - это направление движения положительного заряда.

Фарадей в свою очередь отмечал, что направление тока условно, это просто удобное средство для ученых, чтобы однозначно определять направление тока. Ленц, вводя свое Правило Ленца (смотрите - ), также оперировал термином «направление тока», имея ввиду движение положительного электричества. Это просто удобно.

И даже после того как Томсон в 1897 году открыл электрон, условность направления тока все равно сохранилась. Даже если в проводнике или в вакууме реально движутся только электроны, все равно за направление тока принимается противоположное направление - от плюса к минусу.

Спустя уже более века с момента открытия электрона, несмотря на представления еще Фарадея об ионах, даже с появлением электронных ламп и транзисторов, хотя и появились трудности в описаниях, все равно привычное положение дел сохраняется. Так просто удобнее оперировать с токами, ориентироваться в их магнитных полях, и никаких реальных трудностей это, похоже, ни у кого не вызывает.

В школе, не помню уже в котором классе мне объяснили, что ток течёт от + к - . Т.е. если между выводами батарейки (были такие – КБС) вставить лампочку, то ток пройдёт по плюсовой клемме батарейки, затем через лампочку, она загорится и по минусовой клемме уйдёт в батарейку. Через пару лет учитель физики объяснил, что направление тока от + к - условно. Фактически ток – это движение электрических зарядов, из коих двигаться по проводу могут только свободные электроны. Т.е. ток течёт от – к + .

Необходимым условием появления тока является замкнутость цепи. В то время я уже осваивал 6П3С, подключённую к аноду выходной лампы вещательного приёмника, и в этом постулате нисколько не сомневался. Особенно после пары ударов этим током.

Дни бегут, складываются в года. Пошли первые проявления старческого маразма и видимо от этого что-то засомневался я в приобретённых школьных знаниях.

Вот имеем источник тока и замкнутую цепь с нагрузкой. Выбежал, неважно с какой клеммы, розовощёкий, уверенный в своих силах ток и помчался к нагрузке. Поборолся с ней, так как просто так отдаваться она не хотела и сопротивлялась, но ток сделал своё дело, правда отдал нагрузке часть своей энергии и потный и слегка бледный прибежал на вторую клемму источника.

Вроде бы реальная картина, закон сохранения энергии выполняется, только на проверку – фантастика! Проверка очень простая: вставим в цепь до нагрузки и после оной по амперметру. И что они показывают? А то, что величина тока до и после соития с нагрузкой ОДИНАКОВА!

Может ток наш врун и дела с нагрузкой не имел, поэтому амперметры и показывают одинаковый ток? Так нет же, если в качестве нагрузки была электролампочка, то мы видели свет. Трата энергии несомненно была! Но как же быть с тем, что вытекающий ток равен втекающему?

Чудны дела твои, господи!

Опыт N 2.

К каждой клемме источника присоединяем по проводку и попробуем определить знак потенциала на их концах. Поскольку ток это движение электронов, то вследствие емкости проводка и разности потенциалов между клеммой и проводом электроны побегут в провод и на его конце, подключенного к отрицательной клемме, мы обнаружим отрицательные заряды.

Из этого же определения тока следует, что на конце проводника, подключённого к положительной клемме, никаких зарядов не будет. Однако они там обнаруживаются. Причём положительные.

Стоп! Положительные по проводу не бегают! Откуда же они там взялись?

«А просто - говорят знающие люди - Источник отдал в провод часть электронов и недостачу восполнил, забрав такое же количество из другого провода. Поскольку в этом проводе образовалась нехватка электронов, то он «зарядился» положительно. Источник тока – это насос, перекачивающий электроны».

Вроде нормальное объяснение.

Стоп. Во-первых, количество свободных электронов не бесконечно, например, для медного проводника один свободный электрон приходится примерно на полтора-два миллиона атомов (1), а величина тока при КЗ о-го-го! Во-вторых, если к проводкам подключена нагрузка, а источник тока, по сути, является насосом (почему его тогда называют источником?), то энергия вытекающего тока должна быть больше энергии втекающего, так как что-то должно же рассеяться на нагрузке. А токи в проводниках равны по величине. (Второй раз о Создателе всуе не упоминаем).

Так как же течёт ток???

Что от плюса к минусу, что от минуса к плюсу – одна и та же проблема…

Чтобы как-то разобраться в ней логично начать с определений. В общепринятом понимании ток рассматривается как движение электрических зарядов. Это движение вызывается электродвижущей силой источника тока или разностью потенциалов при движении электрических зарядов по проводнику с заряженного объекта на незаряженный. Но нас интересует не движение зарядов, а то, как они переносят энергию.

Здесь общеприняты две модели. В первой электроны (носители зарядов) рассматриваются как «шарики», разгоняемые эдс или разностью потенциалов. Т.е., чем сильнее мы их разгоняем, тем больше энергии они приобретают. При встрече с нагрузкой «шарики» тормозятся, отдают ей часть энергии и естественно количество «шариков», проходящих в единицу времени через сечение проводника уменьшается. Во второй модели заряд является энергетическим образованием. Проходя через нагрузку, часть зарядов передаёт ей энергию и исчезает. В результате, величина токов в ветвях цепи неодинакова.

Противоречие между опытом и законом сохранения энергии остаётся. Либо в «консерватории» что-то надо подправить, либо мы чего-то недопонимаем.

Тем радиолюбителям, у которых эти логичные рассуждения вызывают протест, напомню, по крайней мере, два известных им факта.

1. Величина КСВ в начале фидера меньше, чем на входе нагрузки, им питаемой.

2. Амплитуда стоячих волн тока в LW или в вибраторе, запитанном посредине, длинной несколько λ, уменьшается от точки запитки к концу провода.

Известно объяснение этих фактов: потери током своей энергии при движении зарядов по проводнику.

Обратим внимание на нестыковки некоторых известных положений.

1. Скорость свободных электронов по проводнику не совпадает со скоростью распространения в нём тока.

2. Школьный электроскоп можно зарядить положительными зарядами. Если рядом с ним поставить незаряженный электроскоп и соединить их проводником, то в нём возникает кратковременный зарядный ток второго электроскопа. Т.е. по проводнику перетекли ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЕ заряды. Что является их носителем?

3. Если в цепи постоянного тока включить два источника встречно, то каждый из них будет нагрузкой для другого, а ток в цепи будет иметь разностную величину. При переменном токе в случае его встречи с волновой неоднородностью цепи возникает отраженная токовая волна. Эта волна тока двигается навстречу основной и токи не противодействуют друг другу . Словно не замечают друг друга.

Следует честно признать, что мы не знаем, что такое электрический ток!

В общепринятой теории электрического тока указывается, что прежде тока в проводе распространяется электрическое поле, без которого движение зарядов немыслимо. Т.е. в приведенном Опыте N 2 по одному из проводников распространяется поле положительного потенциала, а по другому – отрицательного.

Есть предположение, что сами заряды являются безинерциальными (2). Можно предположить, что они являются энергетическими «сгустками» продольного электрического поля и поэтому в виде токовых волн могут распространяться от клеммы источника тока со скоростью поля в данной среде. Если проводники замкнуть на нагрузку, то каждая токовая волна отдаст ей часть своей энергии, а величина тока во «входящей» и «исходящей» ветвях цепи будет равна сумме величин токов истекающего из данной клеммы и истекшего с другой клеммы и прошедшего через нагрузку. Амперметры покажут одинаковый ток! Таким образом, закон сохранения энергии при равенстве токов во входящей и исходящей ветвях нагрузки СОХРАНЯЕТСЯ! А источник тока соответствует своему названию: ТОК ИСТЕКАЕТ ИЗ ОБЕИХ КЛЕММ!

Фантастика? Ничуть. Есть практические подтверждения этого предположения, хотя сами заряды гипотетичны.

Рассмотрим некоторые процессы в длинных фидерных линиях. Чтобы «примирить» скорость свободных электронов с фактической скоростью распространения энергии в линии, предположили, что энергия переносится ТЕМ-волной. Чтобы такая волна образовалась, в начале линии необходимо согласно Пойтингу, чтобы вектор магнитного поля был перпендикулярен плоскости, проходящей через два провода линии, а вектор электрического поля лежал в этой плоскости и был направлен от одного провода к другому. Первое условие выполняется при разном направлении токов в соседних проводах. Вариант «электронного насоса» успешно с этим справляется. А вот второе условие требует наличие в соседних проводах РАЗНОПОЛЯРНЫХ ЗАРЯДОВ!

Выполнить это условие «насос» не в состоянии. А вот безинерциальные заряды – вполне. Достаточно вспомнить, что направление движение тока принято условно. Если движение положительных зарядов от клеммы источника к нагрузке принимается за направление тока от клеммы, то движение отрицательных зарядов от клеммы к нагрузке принимается за направление тока к клемме. Т.е. при истечении тока с обеих клемм выполняются оба условия образования ТЕМ-волны. УСЛОВНОСТЬ НАПРАВЛЕНИЯ ТОКА СОЗДАЁТ ИЛЛЮЗИЮ ВЫТЕКАНИЯ ТОКА ИЗ ОДНОЙ КЛЕММЫ И ВТЕКАНИЯ ЕГО В ДРУГУЮ!

Не счесть, сколько заблуждений породила эта иллюзия. Но об этом позже.

Ещё один пример, подтверждающий предположение об истечении тока с обеих клемм – линия, замкнутая на конце, или более реальный пример – петлевая, рамочная антенна. Как известно из практики на конце линии или ровно посредине периметра рамки образуется пучность тока, величина которой без учёта потерь в линии или антенне равна удвоенной величине падающей волны тока. Попробуйте объяснить происхождение этой пучности тока без его истечения с обеих клемм? Не получится!

Всё изложенное не является моей выдумкой. Всё это в виде отдельных фрагментов приводится в учебниках. Например, понятие токовых волн встречается у Белоцерковского Б.Г. (3) в XI разделе. А Д.П.Линде (4) на стр. 17 приводит рисунок, иллюстрирующий эти самые токовые волны с движением в них положительных и отрицательных зарядов. Только авторы учебников не любят акцентировать внимание на нестыковках отдельных положений теории электрического тока и, рисуя радужную картину общего познания мироздания, скрывают от неокрепшего ума мысль, что Наука знает, что она ещё больше не знает!

Подведём итог. Скорее всего, носителями энергии кроме электронов и ионов являются энергетические образования, родственные электрическому полю. Переменный ток в виде токовых волн вытекает из обеих клемм источника и не нуждается в отличие от постоянного в гальванической замкнутости цепи. Постоянный ток можно представить как переменный с очень большим периодом колебания. Особенности тока, малозаметные при постоянном токе, весьма рельефны при переменном. Особенно с ростом его частоты.

Как только в руках радиолюбителей оказались моделировщики, они сразу бросились проверять с их помощью известные классические антенны и их системы. И некоторые результаты вызвали шок!

Например, оказалось, что во входном сопротивлении полуволнового вибратора, питаемого в разрыв полотна, при сдвиге точки питания из центра появляется реактивность. Откуда? Ведь вибратор имеет резонансную длину! А резонанс – он и в Африке резонанс! Именно он, как уверены многие, обеспечивает эффективную работу антенны!

Это заблуждение проистекает из модели тока, вытекающего с одной клеммы источника и втекающего в другую, что предполагает замкнутость цепи. Если же цепь гальванически не замкнута, то роль «замыкателя» отводится конденсатору, точнее – токам смещения «протекающим» в нём. На этой основе родилось убеждение, что антенн без противовеса не бывает. Ищите и обрящете! И если вы не видите «суслика», то он всё равно обязательно существует!

Например, И.В.Гончаренко (5) утверждает, что полуволновой вибратор, запитанный с конца, не работает без хотя бы маленького противовеса. В крайнем случае, противовесом выступает один из проводов линии питания. А если фидера нет и антенна питается напрямую? Всё равно «суслик» обязан быть!

У J-антенны противовесом считается четвертьволновой шлейф. У антенны RX3AKT – внешняя поверхность кабеля, из которого выполнен шлейф. Ну, а больше всего в ступор вводит Антенна Фукса, в которой автор всеми известными способами «отвязал» вибратор от источника питания.

Ещё более парадоксальная ситуация сложилась с GP. Казалось бы, всё понятно, вот вертикальный излучатель, а вот противовесы, собирающие токи смещения. Но любопытные радиолюбители, играя с моделировщиком, обнаружили (хотя это было известно и ранее, например, при описании работы квадрата в источниках доммановской эры), что соосно расположенные противовесы практически не излучают, следовательно, и не принимают!

Ну, лень нам изучать основы электротехники! Конденсатор – это устройство для накопления энергии! Не будем заморачиваться с тем, существует или нет ток смещения, отметим, что в этом устройстве по идее ни грамма энергии с одной обкладки через диэлектрик не переносится на другую обкладку. Не существует тока через конденсатор, существуют токи его заряда и разряда, которые текут на обкладку и с неё ПО ОДНОМУ и тому же проводу. И только для упрощения расчётов электрических цепей ток проводимости принимается равным по величине току смещения, «текущему» через конденсатор.

В предлагаемой модели тока эти нестыковки не возникают. Например:

Диполь со смещением точки запитки из центра

В короткую и длинную части вибратора из источника или из фидера втекают прямые (падающие) токовые волны. Достигнув концов, они отражаются и текут к точке питания, образуя в суперпозиции стоячие волны тока. Но в точку питания обратные (отраженные) волны приходят не одновременно. Поэтому величины стоячих волн тока на клеммах источника (фидера) в общем случае не равны и не совпадают по фазе. Следовательно, напряжение и ток на клеммах источника не синфазны, что является свойством реактивной нагрузки. Мера противодействия – гальваническая развязка вибратора от источника, линии питания.

GP

Та же картина, что и в диполе. Токи втекают в вибратор и противовесы. Стоячие волны тока образуют переменное электрическое поле между вибратором и противовесами. В случае неравенства их длин во входном сопротивлении появляется реактивность.

Полуволновой вибратор, питаемый с конца

Предположим, что питание вибратора осуществляется с помощью линии питания. Втекающий ток и отраженный от неподключённого конца вибратора образуют стоячую полуволну тока. Поскольку токи теряют часть энергии на излучение и преодоление активного сопротивления провода, ток в точке питания не равен нулю. В проводах фидера также образуются стоячие волны тока и напряжения. Поскольку вибратор излучает часть подведенной энергии, то энергия стоячих волн в проводах линии будет разной. В проводе линии, подключённом к вибратору, амплитуда тока стоячей волны будет меньше, а в неподключённом проводе линии будет больше. Для выравнивания токов в линии применяется два способа. Между антенной и линией ставится буферный накопитель энергии – резонатор в виде параллельного контура или четвертьволнового шлейфа. Второй способ – гальваническая развязка с помощью трансформатора. У Антенны Фукса применены оба способа.

Истекание тока с обеих клемм источника позволяет по-новому взглянуть на работу и самого источника. В любом проводе, подключённом к клемме, течёт ток. Если к «положительной» клемме, как правило, подключается один провод: антенна или центральная жила кабеля, то к другой подключён корпус радиостанции и провод заземления. Т.е. величины падающих волн токов в центральной жиле и оплётке кабеля в принципе не равны и следует принять меры по их выравниванию.

Как правило, колебательная система (КС) усилителя мощности радиостанции представляет собой параллельное включение индуктивности и емкости, концы которых подсоединены к соответствующим выходным клеммам. На каждом из них происходит сложение двух сил: электродвижущей силы, посылающего заряды в нагрузку, и силы притяжения зарядов на обкладках конденсатора. Эдс, конечно, сильнее. Но если не обеспечить приблизительное равенство величин исходящих токов с обоих концов контура, то количество зарядов на одной из обкладок вырастет, и сила их притяжения не позволит зарядам другой обкладки покинуть её. В этом случае КС выйдет из резонанса, а, в крайнем случае, откажется питать нагрузку. Интересный опыт описал Е.Кузнецов (RA 1AIT ) (6). Работая с Антенной Фукса мощностью до 5 Вт, он обнаружил, что при подключении антенны к роторным пластинам переменного конденсатора она переставала работать. При подключении же к статорным пластинам неоновая лампочка, поднесённая к корпусу конденсатора, ярко сияла. Т.е. емкости корпуса конденсатора было достаточно для размещения в ней количества зарядов равного количеству зарядов, ушедших в вибратор.

Понимая, что данная статья вызовет неоднозначную реакцию, закончу словами великого поэта: «О, сколько нам открытий чудных готовит просвещенья Дух. И опыт – сын ошибок трудных. И …»

Всем удачи. 73!

Литература.

А.А.Гришаев. Металлы: нестационарные химические связи и два механизма переноса электричества