Berezka7km.ru

Березка 7км
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Тепловое движение электронов в активном сопротивлении носит хаотический характер. Под его влиянием возникают уравнительные токи, возвращающие сопротивление в нейтральное состояние. Чем выше температура и больше величина сопротивления, тем больше напряжение шумов на сопротивлении, так как с увеличением температуры возрастают скорости электронов и увеличивается мгновенное отклонение от нейтрального состояния, а с увеличением сопротивления уменьшаются уравнительные токи, возвращающие сопротивление в нейтральное состояние.  [1]

Тепловое движение электронов в резисторе носит хаотический характер. Под его влиянием возникают уравнительные токи, возвращающие резистор в нейтральное состояние. Чем выше температура и больше величина сопротивления, тем больше напряжение шумов на резисторе, так как с повышением температуры возрастают скорости электронов и увеличивается мгновенное отклонение от нейтрального состояния, а с увеличением сопротивления уменьшаются уравнительные токи, возвращающие резистор в нейтральное состояние.  [2]

Тепловое движение электронов , являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.  [3]

Тепловое движение электронов , летящих к сеткам и аноду, обусловливает малые беспорядочные изменения их траекторий, что приводит к флуктуа-циям токораспределения. При наличии динатронного эффекта из-за хаотичности процесса вторичной эмиссии флуктуации токораспределения усиливаются.  [4]

Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.  [5]

Почему тепловое движение электронов не может привести к возникновению электрического тока.  [6]

Энергия теплового движения электронов в металле недостаточна для того, чтобы они могли самопроизвольно выйти из металлической решетки.  [7]

Направление теплового движения электронов в проводниках хаотично.  [8]

Вследствие теплового движения электронов рассеянный поток не будет уже монохроматическим, а приобретает допле-ровскую форму распределения по спектру с полушириной 6Ajj ( 17), определяемой темп-рой электронов Тэ. Возможности наблюдения / затруднены чрезвычайной малостью а. Они становятся, по-видимому, реальными лишь при условии применения кватпповых генераторов, позволяющих получить достаточно большие значения / 0 и, вместе с тем, высокую степень монохроматичности потока. А), первичное излучение легко отфильтровывается. Экспериментальная проверка его еще не завершена.  [9]

Вследствие теплового движения электронов в каждом резисторе возникает напряжение шума, полоса частот которого простирается от низких до высоких частот. Шум называется белым, если спектральная плотность мощности шума dPJdf не зависит от частоты. Это условие в первом приближении выполняется для шума резисторов.  [11]

Хаотичность теплового движения электронов в катоде лампы приводит к тому, что в каждый момент времени количество электронов, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциальногобарь-ера, и находящихся близко от этой границы, оказывается различным. В результате возникают флуктуации тока эмиссии — дробовой эффект.  [12]

Учет теплового движения электронов среды приводит к пространственной дисперсии диэлектрической проницаемости. Было показано, что во многих случаях влияние пространственной дисперсии незначительно, но оно становится заметным, например, для релятивистской плазмы.  [13]

Средняя скорость теплового движения электронов равна нулю, поскольку в любых двух противоположных направлениях за данный промежуток времени проходит одинаковое число электронов с одинаковыми по величине, но противоположными по знаку скоростями. При наличии внешнего электрического поля все электроны проводимости совершают также регулярное движение в одном и том же направлении ( противоположном направлению поля, так как заряд электронов отрицателен), которое ( движение) накладывается на их хаотическое движение. Вследствие этого движение электронов оказывается не вполне хаотическим, а средняя скорость движения электронов не равной нулю, что и является причиной появления электрического тока.  [14]

Чем больше скорость теплового движения электронов , тем меньшее время они взаимодействуют с примесными ионами и тем меньше искривляются траектории движения электронов.  [15]

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца

Оборудование: компьютер, проектор, экран, презентация к уроку, источник тока, амперметр, вольтметр, низковольтная лампа на подставке, ключ, соединительные провода, три провода из разного металла, настольная лампа.

Тип урока: Изучение нового материала.

Ход урока

І. Организационный момент

– Здравствуйте, ребята! Я рада вас сегодня видеть на нашем уроке! Посмотрите друг на друга. Улыбнитесь, пошлите друг другу положительные эмоции и начнём урок!

Слайд 2

Эпиграф:

Науки все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой томись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет.

Учитель: Эти слова по праву можно отнести к разделу «Электрические явления». Было сделано немало открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще вокруг нас осталось не исследованным! Хочется надеяться, что сегодняшний урок разбудит у вас, восьмиклассников, жажду новых познаний и стремление использовать открытые эффекты и закономерности на практике.

У вас на столе лежат оценочные листки (приложение 1), куда вы будете вносить оценки за все ваши действия, а в конце выставите итоговую оценку за урок. Подпишите их пожалуйста.

II. Мотивация

Мы с вами на прошлом уроке познакомились с двумя новыми величинами электричества: это работа и мощность. Сегодня придём к новому названию одной из величин.

На данном этапе учитель предлагает учащимся самостоятельно сформулировать цель урока.

На столе стоит электрическая лампа, учитель включает её.

Учитель: Ребята попробуйте это объяснить с точки зрения физики. Почему лампочка горит? Почему это происходит?

Учащиеся: Основная часть лампы – спираль из тонкой вольфрамовой проволоки, она нагревается до 3000 °С, при такой температуре достигает белого накала и светится ярким светом и даёт тепло.

Какое действие тока мы здесь с вами наблюдаем?

Разомкнув ключ потрогать лампочку.

Что произошло с лампочкой? (Нагрелась)

Какое действие электрического тока вы наблюдаете?

Если лампочка долго горит, можно ли её выкрутить голыми руками? Почему?

(Световое и Тепловое)

Здесь мы наблюдаем тепловое действие электрического тока.

Учитель: Тепловое действие тока находит очень широкое применение в быту и промышленности. Как вы думаете, как в быту используется тепловое действие тока?

Учащиеся: Электронагревательные приборы: утюги, кипятильники, электрические чайники, нагреватели, электроплиты, фены и т.д.

Учитель: В промышленности также широко используют тепловое действие электрического тока в паяльниках, сварочных аппаратах.

На столе у меня стоят разные электрические приборы, которыми вы пользуетесь в повседневной жизни,

Что это за приборы? Для чего они нужны? Что ими делают?

Паяльник и утюг нельзя трогать рукой, можно обжечься, а феном мы сушим голову и не испытываем ожога. Почему?

Учитель: А теперь попытаемся сформулировать тему нашего урока. (Ребята рассуждают)

Слайд 2

Итак, мы имеем дело с тепловым действием тока, следовательно, тема сегодняшнего урока «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля–Ленца». Записываем тему урока в тетрадь.

Каких целей мы должны сегодня достичь?

Слайд 3

Цели урока:

  • объяснить явление нагревания проводников электрическим током;
  • установить зависимость выделяющейся при этом тепловой энергии от параметров электрической цепи;
  • сформулировать закон Джоуля – Ленца;
  • формировать умение применять этот закон для решения физических задач.
Читайте так же:
Использование теплового действия электрического тока в устройстве теплиц инкубаторов

ІІІ. Актуализация опорных знаний

Слайд 4

Вспомним изученный ранее материал:

  • Что называют электрическим током? (Упорядоченное движение заряженных частиц)
  • Что представляет собой электрический ток в металлах? (Электрический ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов)
  • Какие действия тока вам известны? (Тепловое, электрическое, магнитное, химическое)
  • Какие три величины связывают закон Ома? (I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.).
  • Как формулируется закон Ома? (Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)
  • Чему равна работа электрического тока на участке цепи? (равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого протекал ток А = U*I*t )
  • Что такое мощность электрического тока? (физическая величина характеризующая быстроту совершения работы электрическим током)
  • Что такое электрическое сопротивление? (физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике)
  • От каких величин зависит сопротивление? (длины проводника, площади поперечного сечения, рода вещества) Рассмотреть как зависит сопротивление от длины проводника, площади поперечного сечения.
  • При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока? (При последовательном соединении)
  • Закон сохранения и превращения энергии. (Во всех явления, происходящих в природе, энергия не возникает ни откуда и не исчезает бесследно. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.)

Все, что стоит на столе – это потребители электрического тока.

Слайд 5

Потребители электрического тока

Какой прибор не вписывается в общий ряд? Уберите лишний.

Чем ты руководствовался, делая выбор?

Какое действие электрического тока проявляется в выбранных приборах? (Тепловое)

Во всех приборах есть нагревательный элемент. А у дрели щётки, они ни чего не нагревают.

IV. Изучение нового материала

Давайте потрем ладошки. Что мы совершаем, когда трём ладошками? (работу). Что мы чувствуем? (тепло). Почему они нагреваются?

Остановимся на тепловом действии электрического тока. Электрический ток нагревает проводник. Объясняется нагревание тем, что свободные электроны в металлах или ионы в растворах солей, щелочей, кислот, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами или атомами вещества проводника и передают им свою энергию. В неподвижных металлических проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам, но уже путем теплопередачи.

Можно сказать, что количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока.

Слайд 6

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику.

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение электронов.

Провод – это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам, заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника, и следовательно его температура.

А это и значит что, проводник нагревается.

В неподвижных металлических проводниках вся работа электрического тока идёт на увеличение внутренней энергии.

Слайд 7

Переход работы тока в теплоту

  • Электроны направленно движутся
  • Сталкиваются с ионами
  • Передают им часть энергии
  • Ионы колеблются быстрее
  • Увеличивается внутренняя энергия проводника
  • Выделяется теплота
  • По закону сохранения и превращения энергии A=Q
Слайд 8
Вывод закона Джоуля – Ленца

Q = IUt , U = IR – закон Ома, Q = I*I*R*t, Q = I²Rt

Q = IUt , I = U/R – закон Ома, Q = U*t*U/R

Q =U 2 t
R

где Q – выделившееся количество теплоты в Джоулях, R – сопротивление в Омах, I – сила тока в Амперах, t – время в секундах.

Единица измерения работы в СИ: Джоуль.

Слайд 9
Исследование зависимости количества выделяемой теплоты от параметров цепи

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи?

Гипотеза 1. Количество теплоты зависит от силы тока в цепи

Гипотеза 2. Количество теплоты зависит от сопротивления проводника

Соблюдайте технику безопасности!

Для дальнейшей работы нам нужно поделиться на три группы: две группы экспериментаторов и группа теоретиков.

Деление на группы.

Обращаемся к теме урока и формулируем проблему: Что же нам интересно узнать по теме урока?

Слайд 10
Задания для теоретиков

Группа теоретиков будет на примере решения задач получать зависимость выделяемой теплоты от силы тока в цепи и сопротивления.

При прохождении по спирали электрического чайника ток совершает работу. Вся работа идет на нагревание проводника.

  • Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 мин., если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3А?
  • Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 5 минут, если сопротивление спирали 100 Ом, а сила тока в цепи 3А?
  • Какое количество теплоты выделяется электрическим чайником за 10 минут, если сопротивление спирали 200 Ом, а сила тока в цепи 3 А?
Задания для экспериментаторов

По каким признакам можем судить, где теплоты выделяется больше, а где меньше? На ощупь(?!), термометром(?), по накалу лампы.

Наша задача: исследовать зависимость количества выделяемой теплоты от параметров цепи.

От чего может зависеть выделяемая теплота в электрической цепи? Я готова выслушать ваши предположения, ребята.

А видна ли эта зависимость теоретически? Да, Q=A, A=IUt, Q =RI 2 t

Группы экспериментаторов могут приступать к выполнению своих исследований.

Не забывайте о соблюдении техники безопасности!

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из нескольких последовательно соединенных проводников различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая).

По формуле Q = I 2 Rt, если R = pL/S, сделать вывод как нагреваются проводники, если длина проводника L и площадь поперечного сечения S одинаковы.

1 группа: От силы тока в цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь состоящая из источника тока, лампы, ключа, реостата, амперметра, (соединительные провода).

Замкнули цепь и изменяли сопротивление, что наблюдаем?

Что произошло с силой тока?

Как накал лампы зависит от силы тока?

(Чем больше сила тока, тем ярче горит лампочка, а значит больше тепла она выделяет.)

Вывод: количество теплоты зависит от силы тока.

2 группа: От сопротивления цепи.

Карточки с заданием: электрическая цепь, состоящая из 3 последовательно соединенных проводников, одинаковой длины и площади поперечного сечения и различным сопротивлением (медная, стальная, никелиновая), источника тока, ключа, (соединительные провода).

(Были взяты 3 проводника одинаковой длины и площади поперечного сечения, но из разного вещества (медная, стальная, никелиновая). Все проводники соединены между собой последовательно. Следовательно, сила тока на всех участках цепи одинаковая. Но при включении в цепь все 3 проводника выделили разное количество теплоты.(При отключении цепи с помощью электронного термометра убедились, что температура проводников разная, Больше нагрелся проводник (никелиновый) с большим удельным сопротивлением, меньше всего нагрелся медный проводник, с меньшим удельным сопротивлением ). Медные провода поэтому используют для проводки, ещё алюминиевые, они дешевле.

Читайте так же:
Работа тепловоза под контактным проводом

Вывод: чем больше удельное сопротивление проводника, тем сильнее он нагревается.

Слайд 11

Вывод: количество теплоты зависит от того, из какого вещества изготовлен проводник, т. е. от удельного сопротивления проводника. Точнее – от электрического сопротивления проводника (R).

Вещество

Удельное сопротивление
Ом мм 2 /м

Электрический ток тепловое движение электронов в проводнике

Необходимость перехода к квантовой теории электрического тока

Самой мистической величиной в физике является электрический ток. Скорость движения направленных зарядов меньше, чем скорость черепахи, но электрический ток везде поспевает вовремя. Даже включив рубильник на расстоянии в тысячи километров от потребителя, мы мгновенно получим электрический ток на другом конце. В классической электродинамике ток имеет направление, но при этом описывается не векторной, а скалярной величиной.

Ещё более мистическим в классической электродинамике является переменный ток. Если судить по единственному, официально признанному физическому определению электрического тока, он вообще не может никуда дойти, поскольку средняя скорость его носителей равна нулю, т.е. вся энергосистема России не имеет права на существование, поскольку тока она (по существующим теоретическим представлениям) тока она передать не может. Это происходит потому, что до сих пор в электродинамике не перешли от классических представлений к квантовым, и не вывели квантового определения электрического тока. Это явная ошибка теории электродинамики.

Если быть логичными, то ошибки теории нужно исправлять не там, где хочется, а там, где они возникли, даже если ошибки возникли в самом начале. Чрезмерная почтительность к уже признанным теориям и возведение их в ранг абсолютно правильных сужает пространство для поиска истины. Очевидно, что нужно ещё раз провести анализ уже сделанных экспериментов по открытию электрического тока.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились исключительно с целью доказать, что ток в проводниках переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам достаточно примитивным – как поток электронного газа в границах проводника, примерно как поток воды в шланге. То, что механизм тока может быть более сложным, и то, что природа может быть более разнообразной, физиками даже не рассматривался.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе электрического тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863 — 1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов — опыт К. Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Al, Cu) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения ( Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897г. английским физиком Д. Томсоном (1856 — 1940) электроны.

Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л. Мандельштаму (1879 — 1944) и Н.Д. Папалекси (1880 — 1947). Эти опыты в 1916 году были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 — 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 — 1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд примерно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно — кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

которая для Т= К равна м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока.

Выбрав максимальную допустимую плотность тока, например для медных проводов , получим, что при концентрации носителей тока средняя скорость упорядоченного движения электронов равна м/с. Следовательно, , т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающих электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменять скоростью теплового движения ». [2]

По результатам опыта К. Рикке можно было сделать два предположения:

1. Первое — что ток переносится электронами.

2. Второе — что ток переносится стационарным электрическим полем проводника. В этом случае также не было бы следов переноса вещества.

Однако было сделано только одно предположение – то, что ток переносится электронами.

Второй эксперимент, давший начало современному представлению об электрическом токе, был поставлен физически не корректно. При резком торможении катушки с проводом электроны действительно смещаются, и возникает ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле проводника также возникало.

Читайте так же:
Комплект теплоотражательной одежды ток 200

Если носителями тока являются электроны, то это означает, что при постоянном токе электроны от электростанции до потребителя дойдут лет через сто, а при переменном токе – никогда.

При выводе механизма электрического тока описании не был учтён важнейший фактор – скорость электрического тока. Именно скорость не позволяет электронам быть носителем электрического тока. Внешнее электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света, и только оно может быть переносчиком электрического тока. Это очевидно, и в некоторых исследованиях это признаётся.

«Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма — это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе.

Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис.1)? Ведь магнитная сила — вся действующая сила. Она не очень — то смахивает на "релятивистскую поправку". Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.

Итак, равно примерно . Вполне пренебрежимая "поправка". Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет от "нормальной" электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что "нормальные" электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса из — за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы.

Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, — это единственный остающийся член, он становится преобладающим.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), и открыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит ». [1]

Это признание не только того, что физики не понимают природу физических процессов, ответственных за магнетизм, но и того, что их не интересует познание самих физических процессов.

Число (10.000.000.000.000.000.000.000.000) показывает несоответствие реальной и требуемой скорости электронов. Предполагать, что такое расхождение теории и эксперимента допустимо, могут только люди с очень большой фантазией.

Очевидно, что физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

Квантовый механизм электрического тока можно посмотреть на этом сайте в разделе единая теория электродинамики.

Необходимость перехода к квантовой теории электрического тока

Самой мистической величиной в физике является электрический ток. Скорость движения направленных зарядов меньше, чем скорость черепахи, но электрический ток везде поспевает вовремя. Даже включив рубильник на расстоянии в тысячи километров от потребителя, мы мгновенно получим электрический ток на другом конце. В классической электродинамике ток имеет направление, но при этом описывается не векторной, а скалярной величиной.

Ещё более мистическим в классической электродинамике является переменный ток. Если судить по единственному, официально признанному физическому определению электрического тока, он вообще не может никуда дойти, поскольку средняя скорость его носителей равна нулю, т.е. вся энергосистема России не имеет права на существование, поскольку тока она (по существующим теоретическим представлениям) тока она передать не может. Это происходит потому, что до сих пор в электродинамике не перешли от классических представлений к квантовым, и не вывели квантового определения электрического тока. Это явная ошибка теории электродинамики.

Если быть логичными, то ошибки теории нужно исправлять не там, где хочется, а там, где они возникли, даже если ошибки возникли в самом начале. Чрезмерная почтительность к уже признанным теориям и возведение их в ранг абсолютно правильных сужает пространство для поиска истины. Очевидно, что нужно ещё раз провести анализ уже сделанных экспериментов по открытию электрического тока.

Результаты физических экспериментов, которые, как считается, открыли электрический ток, были с самого начала истолкованы односторонне. Эксперименты проводились исключительно с целью доказать, что ток в проводниках переносится свободными электронами. Других вариантов не рассматривалось. Механизм электрического тока представляется физикам достаточно примитивным – как поток электронного газа в границах проводника, примерно как поток воды в шланге. То, что механизм тока может быть более сложным, и то, что природа может быть более разнообразной, физиками даже не рассматривался.

«Носителями тока в металлах являются свободные электроны, т.е. электроны, слабо связанные с ионами кристаллической решетки металла. Это представление о природе электрического тока в металлах основывается на электронной теории проводимости металлов, созданной немецким физиком П. Друде (1863 — 1906) и разработанной впоследствии нидерландским физиком Х. Лоренцем, а также на ряде классических опытов, подтверждающих положения электронной теории.

Первый из таких опытов — опыт К. Рикке (1901), в котором в течение года электрический ток пропускался через три последовательно соединенных с тщательно отшлифованными торцами металлических цилиндра (Сu, Al, Cu) одинакового радиуса. Несмотря на то, что общий заряд, прошедший через эти цилиндры, достигал огромного значения ( Кл), никаких, даже микроскопических, следов переноса вещества не обнаружилось. Это явилось экспериментальным доказательством того, что ионы в металлах не участвуют в переносе электричества, а перенос заряда в металлах осуществляется частицами, которые являются общими для всех металлов. Такими частицами могли быть открытые в 1897г. английским физиком Д. Томсоном (1856 — 1940) электроны.

Для доказательства этого предположения необходимо было определить знак и величину удельного заряда носителей (отношение заряда носителя к его массе). Идея подобных опытов заключалась в следующем: если в металле имеются подвижные, слабо связанные с решеткой носители тока, то при резком торможении проводника эти частицы должны по инерции смещаться вперед, как смещаются вперед пассажиры, стоящие в вагоне при его торможении. Результатом смещения зарядов должен быть импульс тока; по направлению тока можно определить знак носителей тока, а, зная размеры и сопротивление проводника, можно вычислить удельный заряд носителей.

Идея этих опытов (1913) и их качественное воплощение принадлежат российским физикам С.Л. Мандельштаму (1879 — 1944) и Н.Д. Папалекси (1880 — 1947). Эти опыты в 1916 году были усовершенствованы и проведены американским физиком Р. Толменом (1881 — 1948) и ранее шотландским физиком Б.Стюартом (1828 — 1887). Ими экспериментально доказано, что носители тока в металлах имеют отрицательный заряд, а их удельный заряд примерно одинаков для всех исследованных металлов. По значению удельного заряда носителей электрического тока и по определенному ранее Р. Милликеном элементарному электрическому заряду была определена их масса. Оказалось, что значения удельного заряда и массы носителей тока и электронов, движущихся в вакууме, совпадали. Таким образом, было окончательно доказано, что носителями электрического тока в металлах являются свободные электроны.

Читайте так же:
Выключатель теплого пола поменять

Существование свободных электронов в металлах можно объяснить следующим образом: при образовании кристаллической решетки металла (в результате сближения изолированных атомов) валентные электроны, сравнительно слабо связанные с атомными ядрами, отрываются от атомов металла, становятся «свободными» и могут перемещаться по всему объему. Таким образом, в узлах кристаллической решетки располагаются ионы металла, а между ними хаотически движутся свободные электроны, образуя своеобразный электронный газ, обладающий, согласно электронной теории металлов, свойствами идеального газа.

Электроны проводимости при своем движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой.

По теории Друде — Лоренца, электроны обладают такой же энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного газа. Поэтому, применяя выводы молекулярно — кинетической теории, можно найти среднюю скорость теплового движения электронов

которая для Т= К равна м/с. Тепловое движение электронов, являясь хаотическим, не может привести к возникновению тока.

При наложении внешнего электрического поля на металлический проводник, кроме теплового движения электронов возникает их упорядоченное движение, т.е. возникает электрический ток. Средняя скорость упорядоченного движения электронов можно оценить согласно формуле для плотности тока.

Выбрав максимальную допустимую плотность тока, например для медных проводов , получим, что при концентрации носителей тока средняя скорость упорядоченного движения электронов равна м/с. Следовательно, , т.е. даже при очень больших плотностях тока средняя скорость упорядоченного движения электронов, обусловливающих электрический ток, значительно меньше скорости их теплового движения. Поэтому при вычислениях результирующую скорость можно заменять скоростью теплового движения ». [2]

По результатам опыта К. Рикке можно было сделать два предположения:

1. Первое — что ток переносится электронами.

2. Второе — что ток переносится стационарным электрическим полем проводника. В этом случае также не было бы следов переноса вещества.

Однако было сделано только одно предположение – то, что ток переносится электронами.

Второй эксперимент, давший начало современному представлению об электрическом токе, был поставлен физически не корректно. При резком торможении катушки с проводом электроны действительно смещаются, и возникает ток, возбуждаемый силами инерции, но этот эксперимент не доказал, что носителями электрического тока являются именно электроны, ведь в этом эксперименте магнитное поле проводника также возникало.

Если носителями тока являются электроны, то это означает, что при постоянном токе электроны от электростанции до потребителя дойдут лет через сто, а при переменном токе – никогда.

При выводе механизма электрического тока описании не был учтён важнейший фактор – скорость электрического тока. Именно скорость не позволяет электронам быть носителем электрического тока. Внешнее электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света, и только оно может быть переносчиком электрического тока. Это очевидно, и в некоторых исследованиях это признаётся.

«Мы бы еще хотели подчеркнуть, что явление магнетизма — это на самом деле чисто релятивистский эффект. В только что рассмотренном случае двух зарядов, движущихся параллельно друг к другу, можно было бы ожидать, что понадобится сделать релятивистские поправки к их движению порядка . Эти поправки должны отвечать магнитной силе.

Но как быть с силой взаимодействия двух проводников в нашем опыте (рис.1)? Ведь магнитная сила — вся действующая сила. Она не очень — то смахивает на "релятивистскую поправку". Кроме того, если оценивать скорости электронов в проводе, то их средняя скорость вдоль провода составляет около 0,01 см/сек.

Итак, равно примерно . Вполне пренебрежимая "поправка". Но нет! Хоть в этом случае магнитная сила и составляет от "нормальной" электрической силы, действующей между движущимися электронами, вспомните, что "нормальные" электрические силы исчезли в результате почти идеального баланса из — за того, что количества протонов и электронов в проводах одинаковы.

Этот баланс намного более точен, чем , и тот малый релятивистский член, который мы называем магнитной силой, — это единственный остающийся член, он становится преобладающим.

Почти полное уничтожение электрических эффектов и позволило физикам изучить релятивистские эффекты (т.е. магнетизм), иоткрыть правильные уравнения (с точностью до ), даже не зная, что в них происходит». [1]

Это признание не только того, что физики не понимают природу физических процессов, ответственных за магнетизм, но и того, что их не интересует познание самих физических процессов.

Число (10.000.000.000.000.000.000.000.000) показывает несоответствие реальной и требуемой скорости электронов. Предполагать, что такое расхождение теории и эксперимента допустимо, могут только люди с очень большой фантазией.

Очевидно, что физического механизма электрического тока классическая электродинамика предложить не может, а квантовой теории электрического тока в ней нет.

Квантовый механизм электрического тока можно посмотреть на этом сайте в разделе единая теория электродинамики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фейнмановские лекции по физике. М., Изд. Мир, 1976.

2. Трофимова Т. И. Курс Физики. «Высшая школа». М.,1997.

Квантовая физическая модель

электрического тока.

Решение любой задачи начинается с её постановки. Для начала процесса решения нужно хотя бы осознание того факта, что проблема существует. В электродинамике сейчас нет квантового описания электрического тока, нет квантового описания магнитного поля проводника с током, нет квантового описания силы Ампера.

В этой работе предложен квантовый механизм электрического тока. Скорость квантового электрического тока равна скорости света, как в эксперименте. В квантовой теории электрического тока устранены многие противоречия между теорией и экспериментом, характерные для классической теории электрического тока.

Квантовая теория электрического тока выводится из классической. Для перехода к квантовой теории электрического тока, необходимо вспомнить ещё раз, что нам известно об электрическом токе на участке цепи – потребителе тока.

1. Для существования электрического тока к проводнику необходимо подвести энергию извне в виде электрического поля.

2. Электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью света и взаимодействует с уже находящимися в проводнике электронами материала проводника.

3. Это взаимодействие неизвестным сейчас образом образует магнитное поле проводника.

Классическая электродинамика предполагает, что в процессе электрического тока участвуют следующие физические величины:

1. Напряжение или разность потенциалов . Возникает в момент замыкания цепи. Характеристики этого вектора – направление вдоль проводника от плюса к минусу.

2. Электрический ток . Скалярная величина. Направления нет.

Возникает на участке цепи – потребителе тока после того, как на этот участок подаётся напряжение или разность потенциалов от внешнего источника. Существует за счёт энергии источника тока.

Читайте так же:
Ток потребления теплового извещателя

3. Магнитное поле . Направление – по правилу буравчика.

Расположение – вне проводника, в плоскости, перпендикулярной направлению разности потенциалов.

4. Радиус – вектор . В настоящее время безымянный, поскольку неизвестен тип взаимодействия, который он переносит.

Физический смыслрадиус – вектора : промежуточный вектор между вектором электрического тока и вектором магнитного поля. Переносит силовое взаимодействие. Из известных физических полей для него подходит только гравитационное поле .

Этот вектор меняет знак при изменении направления энергии. При потреблении электрической энергии его направление — от вектора электрического тока к вектору магнитного поля. При генерации электрической энергии его направление — от вектора магнитной индукции к вектору электрического тока.

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки.

Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

скорость тока в проводах Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

гроза новосибирск академгородок

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

адронный коллайдер

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector