Все мы, мой друг, воспринимаем силу тока (I, A) как количество электрического заряда (q, Кл), прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени (Т, с):
I = q/Т, Кл/с или А (Ампер).

Вы правы, коллега. Причём, в соответствии с первым правилом Кирхгофа, сила тока в неразветвленной цепи должна быть одинаковой на всех ее участках. Значит, электрические заряды в этой цепи должны быть равномерно распределены по всей длине проводника. 

Именно так, мой друг. Требуется, чтобы через любое поперечное сечение проводника на неразветвлённом участке цепи проходило в единицу времени одинаковое количество электрических зарядов. Исходя из этого, можно предположить два варианта движения электрических зарядов в проводнике:

Первый вариант – сила тока зависит от количества свободных зарядов, принимающих участие в движении. Следовательно, при малом токе участие в движении должны принимать не все имеющиеся в проводнике свободные заряды. Тогда возникает вопрос, почему одни заряды принимают участие в движении, а другие нет? Чем первые отличаются от вторых? 

Второй вариант – в движении  участвуют все имеющиеся в проводнике свободные заряды, а сила тока прямопропорциональна скорости их движения (больше скорость – больше и сила тока). Однако, нам известно, что реальный дрейф электрических зарядов в проводнике не превышает нескольких сантиметров в секунду. 

Коллега, имеется ещё один весьма неудобный вопрос: какой путь преодолевает электрический заряд, проходя через поперечное сечение проводника, если сила тока минимальна или, наоборот, максимальна?

Вот именно, мой друг, неудобных вопросов много. К примеру, считается, что в кинетическую энергию заряженной частицы превращается не потенциальная энергия внешнего поля, а якобы часть собственной энергии частицы, т.е. уменьшается энергия связи между протоном и электроном. Эта концепция сразу же увлекла «физико-математиков» и мы теперь убеждаем детей ещё в школе, что электричество в проводниках переносится только свободными электронами.

Для переноса электричества, дескать, непременно требуется движение частиц с ненулевым зарядом, т.е. перенос электричества без переноса вещества – не бывает!

Коллега, разве бывают токи без переноса вещества?

Ещё как бывают, мой друг! Ведь Максвелл отнюдь не шутил. «Токами обычного вида» он называл перемещение заряженных частиц. Но он говорил ещё и о «токах смещения», т.е. о переносе электричества без переноса вещества и тепловых потерь. Правда, он не дал разъяснений, как такое возможно – но ток смещения входил в его уравнения на равных с обычным током.
 

Простые и понятные ответы на эти вопросы можно получить, если надуманный процесс линейного движения зарядов заменить обычным колебательным процессом. Тогда сила тока будет равна произведению количества электрического заряда на частоту его колебаний или (что совершенно одинаково) – отношению количества электрического заряда на период его колебаний. 
 

Математически это определение соответствует общепринятому, но физический смысл уже совершенно иной. Теперь сила тока зависит не только от количества электрического заряда, но и от частоты (или периода) его колебаний. То есть, – от длины волны, которая, кстати, и определяет искомый «путь» электрического заряда при его «прохождении» через поперечное сечение проводника.

Коллега, для начала давайте выясним, куда направлен электрический ток. Если это движение электронов, то есть частиц, заряженных отрицательно, то по логике электроны должны течь оттуда, где их много (избыток), туда, где их мало (недостаток). Но там, где избыток электронов, должен быть знак «минус», а где их недостаток, – «плюс». Однако мы считаем, что электрический ток направлен, наоборот, от «плюса» к «минусу».

Разобраться в этом нам поможет энергия электрического поля (W, Дж). Если эту энергию отнести к единице электрического заряда (1 Кл), то получим электрический потенциал (U, В), который мы обычно называем напряжением:
U = W/q, Дж/Кл или В (Вольт).

Электрический потенциал – величина скалярная, но его градиент является векторной величиной и называется напряженностью электрического поля:
E = – grad U, Дж/(Кл*м) или В/м.

Направление вектора напряжённости электрического поля, как раз, и указывает нам направление электрического тока, точнее – направление растяжения диполей в проводнике.

Справка: Диполь (от ди... и греч. pólos – полюс) электрический, совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Основной характеристикой электрического диполя является его дипольный момент – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный произведению заряда е на расстояние l между зарядами: р = el. Дипольный момент определяет электрическое поле диполя на большом расстоянии R от него (R значительно больше l), а также воздействие на диполь внешнего электрического поля.

Коллега, нельзя ли это показать более наглядно, чтобы было понятно и школьнику.

Для наглядности, мой друг, представим диполь, как пружину, середина которой капитально закреплена. Захватим один из концов (к примеру, правый конец) этой пружины и начнём его оттягивать, пока тот не выскользнет из захвата и не вернётся в исходное положение. Вновь осуществляем захват этого конца и оттягиваем. И вновь выскальзывание и возврат к месту захвата. В результате получаем периодические колебания правой половины пружины и, чем надёжнее захват, тем больше растягивается пружина до момента «выскальзывания», тем больше длина волны или меньше частота колебаний.

Теперь эту аналогию применим к проводнику, к которому за счёт внешнего электрического поля приложена разность потенциалов. Находящиеся в проводнике диполи ориентируются по направлению напряжённости внешнего поля и под его воздействием растягиваются, накапливая потенциальную энергию. Через определённый период времени (период колебаний) соответствующие концы диполей «выскальзывают из захвата» и возвращаются в прежнее состояние. Запасённая диполем потенциальная энергия переходит в кинетическую, но электрическое поле вновь «подхватывает» и растягивает эти диполи.

В результате получаем периодические колебания диполей. Эти колебания передаются дальше по проводнику. Интенсивность растяжения диполей (равносильно электрическому заряду) определяется величиной напряжённости электрического поля, а надёжность захвата – электрическим сопротивлением (по аналогии - длиной волны).

Вывод: Частота колебаний диполей прямопропорциональна напряжённости электрического поля и обратнопропорциональна электрическому сопротивлению токопроводящей среды (практически – Закон Ома).

Теперь ясно, что в проводнике под воздействием внешнего электрического поля идёт периодический процесс накопления диполями потенциальной энергии, которая затем переходит в кинетическую энергию. Далее процесс повторяется, но электрическое сопротивление проводника приводит к уменьшению энергии внешнего поля (появлению теплоты в проводнике). Процесс изменения энергии мы называем работой. Значит, при прохождении электрического тока в проводнике, внешнее поле совершает работу, в результате которой проводник нагревается.

Однако, коллега, дрейф электрических зарядов всё же существует. Какова же причина этого дрейфа?

Вы правы, мой друг. Дрейф существует и зависит от прошедшего в проводнике тока. Это подтверждает процесс электролиза, при котором Фарадеем в 1833–34 годах установлена связь между количеством электричества, прошедшего через электролит, и количеством вещества, выделившегося на электродах.

Причиной этого дрейфа является всё та же объёмная плотность потенциальной энергии поля или просто ДАВЛЕНИЕ (точнее – разность давлений). Ведь мы знаем, что из области повышенного давления в область пониженного давления устремлено всё сущее, в том числе и частицы вещества. Наряду с этим, разность давлений объясняет также и броуновское движение, эффекты Казимира и Ущеренко, прецессию орбиты Меркурия и даже Природу гравитации.

Хорошо, коллега. Тогда, как можно объяснить «ток смещения»?

Ток смещения, мой друг, мы обычно рассматриваем между двумя токопроводящими пластинами, между которыми находится хороший диэлектрик. Такое устройство мы называем конденсатором. Теперь вернёмся к аналогии с пружиной. Напряжённость внешнего поля оттягивает один из концов пружины, запасая в ней потенциальную энергию.

Если сопротивление диэлектрика достаточно велико, то конец пружины не может выскользнуть из захвата даже при максимально запасённой потенциальной энергии. В этом случае мы получим устойчивый электрический заряд конденсатора (разность потенциалов максимальна, а электрический ток равен нулю). Но, если мы изменим направление вектора напряжённости на 180 градусов, то первоначально выбранный нами конец пружины вернётся в исходное положение и даже сожмётся, а противоположный – наоборот, будет оттянут. Период изменения направления вектора напряжённости является периодом колебаний пружины, т.е. между пластинами теперь течёт «ток смещения».

Если же напряжённость поля справится с сопротивлением диэлектрика, то растягиваемый конец пружины вырвется из захвата и вернётся в исходное положение, но затем вновь будет захвачен. То есть, начнутся собственные колебания пружины, которые передадутся дальше по диэлектрику. Это означает протекание по нему уже «обычного» электрического тока (произошёл «пробой» диэлектрика). Диэлектрик превратится в проводник.

 

На главную