Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному
Главная   >>   Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Электричество - от простого к сложному. Часть 2.

Английский физик Майкл Фарадей предложил иной подход. Он ввел в физику понятие ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ. Что позволило, как тогда полагали, полностью отказаться от "дальнодействия" в физике. Согласно Фарадею, заряды НЕ взаимодействуют друг на друга непосредственно. Каждый из них создает в пространстве электрическое поле, величина которого (или НАПРЯЖЕННОСТЬ) убывает по мере удаления от заряда. Действие этого заряда передается в пространстве от точки к точке посредством электрического поля. Эта точка зрения известна, как ТЕОРИЯ БЛИЗКОДЕЙСТВИЯ.

Современная электрофизика базируется именно на этой теории. Но заметим, что к настоящему времени имеются очень тонкие экспериментальные факты, которые работают на возрождение теории дальнодействия. Однако говорить о них мы пока не будем... Наука об электричестве делится на электростатику и электродинамику. Первая изучает взаимодействие электрических зарядов посредством чисто ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ полей.

Вторая (электродинамика) - это наука о взаимодействии ДВИЖУЩИХСЯ электрических зарядов с ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ полем, точнее, электромагнитные эффекты, возникающие при ДВИЖЕНИИ любых электрических зарядов в металлах или вакууме. Именно здесь мы встречаемся с явлением протекания ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА в замкнутой цепи.

Что же представляет собой электрический ток в металлах? Поскольку ядра у атомов металлов массивные, они остаются в узлах кристаллической решетки, а электроны (как очень подвижные и "легкие") свободно движутся в объеме кристалла. Это относится к периферийным электронам, которые очень слабо связаны электрическими силами с .далеким. атомным ядром. А поэтому до- статочно небольшой добавочной энергии, чтобы они покинули свой атом и стали мигрировать внутри кристаллической решетки.

Как только электрон покидает атом, тот немедленно становится ПОЛОЖИТЕЛЬНО заряженным. И какой-либо свободный электрон из числа тех, что свободно движутся внутри кристалла, немедленно занимает "вакансию". Атом вновь становится нейтральным, но ненадолго...

Заметим, что электроны внутри кристалла движутся беспорядочно, и скорость их довольно велика. Она зависит в значительной степени от температуры кристалла. При комнатной температуре средняя скорость электронов составляет несколько метров в секунду.

Много это или мало? Если принять во внимание размеры электрона и соотнести их с величиной перемещения, совершаемого им в течение секунды, то это соотношение впечатляет, например, внутри обыкновенного кинескопа, скорость электрона достигает ДЕСЯТКОВ ТЫСЯЧ КИЛОМЕТРОВ В СЕКУНДУ! Но это в вакууме. Теперь для наглядности представим себе отрезок проволоки, например, медной (рис.1).

Здесь свободные электроны изображены в виде кружочков, снабженных стрелками. Эти стрелки, представляющие собой вектора, иллюстрируют тот факт, что средняя скорость свободных электронов при данной температуре, примерно одинакова, чего нельзя сказать о направлении их (электронов) движения.

Оно имеет неупорядоченный, хаотический  характер. Это означает, что за некоторую единицу времени, например, за одну СЕКУНДУ, количество электронов, которые пересекают плоскость сечения проволоки (обозначенную, как 2) в направлении СПРАВА НАЛЕВО и тех, что за это же время пересекают это сечение СЛЕВА НАПРАВО одинаково!

В этом случае вполне справедлив следующий вывод: несмотря на то что значительное количество свободных электронов непрерывно совершает движение внутри кристаллической структуры металла, никакого тока НЕТ! А теперь внесем в представленную выше картину некоторое изменение (рис.2).

У КАЖДОГО свободного электрона появилась некоторая дополнительная составляющая средней скорости, что обозначено на рис.2 пунктирными стрелками. По своей абсолютной величине эти стрелки (вектора) в ДЕСЯТКИ раз меньше векторов средней хаотической скорости. Но ВСЕ они действуют согласованно, в ОДНОМ и том же направлении. Поскольку действует правило сложения векторов, то средние скорости электронов, которые движутся слева направо, будут больше, чем средние скорости электронов, которые движутся справа налево! А поскольку в этом случае НЕТ равенства между количеством электронов, которые проходят через плоскость сечения в противоположных направлениях, то мы вправе утверждать, что в этом случае ПОЯВЛЯЕТСЯ электрический ТОК! На идеализированных рис.1 и 2 (чтобы не загромождать картину) изображено только по ШЕСТЬ электронов.

Будем помнить, что электрический ток может иметь ДВА совершенно различных механизма. В самом деле, представим себе, что, например, в условиях открытого космоса какой-либо металлический предмет, получивший в силу каких-либо сторонних причин некоторый электрический заряд (скажем, отрицательный) приближается к другому металлическому предмету, у которого или избыточного заряда вообще нет, или он противоположен по знаку. Кроме того, пусть первый предмет имеет конструкцию, подобную представленной на рис.3.

Тогда в момент соприкосновения предметов 1 и 2 избыточный заряд электронов распределится между ними таким образом, что концентрации уравняются. Но поскольку электроны от 1 перетекут в 2 через стержень, в который встроен АМПЕРМЕТР, то, естественно, последний зафиксирует прохождение электрического тока. Величина этого тока будет иметь НЕ постоянный, а экспоненциальный характер, как показано на рис.4. Вот пример того, что электрический ток может протекать в НЕЗАМКНУТОЙ ЦЕПИ.

Кстати сказать, начальная величина тока может достигать огромных значений, например, при ударе молнии в металлический предмет. Совсем иной механизм явления имеет место в ЗАМКНУТОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ. Электротехника и электроника базируются именно на функционировании ЗАМКНУТЫХ электрических цепей.