Эта работа посвящена теоретическим исследованиям электрического тока. Работа написана на предельно простом языке для общего понимания.
© Ñèçîâ Âëàäèìèð Ïåòðîâè÷
Êîíòàêò ñ àâòîðîì: sizov_v@bru2.uralkaly
Ñîâðåìåííîå ïðåäñòàâëåíèå ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà.
Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ñ÷èòàåòñÿ, ÷òî ýëåêòðè÷åñêèé òîê ýòî íàïðàâëåííîå äâèæåíèå çàðÿæåííûõ ÷àñòèö – òî åñòü äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ.  ëþáîì ó÷åáíèêå îïèñàíî êëàññè÷åñêîå ïîíÿòèå ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà, ïðèâîäèòü åãî íå èìååò ñìûñëà.  ýòî ïîíÿòèå íå óêëàäûâàþòñÿ íåêîòîðûå ýëåêòðè÷åñêèå ÿâëåíèÿ è ïðèìåðû.
1. Íå èìååò ðåøåíèÿ ñ òî÷êè çðåíèÿ êëàññè÷åñêîãî îïðåäåëåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ñëåäóþùàÿ çàäà÷à. Òîê ïðîõîäÿ ÷åðåç ñâèíöîâûé ïðåäîõðàíèòåëü ïåðåæèãàåò åãî. Íàéòè ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ â ïðåäîõðàíèòåëå. Íàì äàíî: ìàòåðèàë èç êîòîðîãî ñäåëàí ïðåäîõðàíèòåëü – ñâèíåö.  ñïðàâî÷íèêàõ ìû ìîæåì ïîñìîòðåòü òåìïåðàòóðó ïëàâëåíèÿ ñâèíöà Òïë çíàåì êîìíàòíóþ òåìïåðàòóðó ïðè êîòîðîé íàõîäèòñÿ ïðåäîõðàíèòåëü Òêîì. Ðàçíèöà ýòèõ òåìïåðàòóð è åñòü èñêîìàÿ òåìïåðàòóðà íà êîòîðóþ íàäî íàãðåòü ïðåäîõðàíèòåëü
Òèñê.
Òèñê=Òïë-Òêîì
Q = ÒèñêmC+ m (Äæ)
Ãäå: m- ìàññà ïðåäîõðàíèòåëÿ
C- óäåëüíàÿ òåïëî¸ìêîñòü ñâèíöà
- ïëàâëåíèå ñâèíöà
Ñîîòâåòñòâåííî òó æå ðàáîòó Q1=Q ñîâåðøàþò è ýëåêòðîíû íåñóùèå ýëåêòðè÷åñêèé òîê.
Q1=mýV2k/2
Ãäå: mý- ìàññà ýëåêòðîíà.
V- ñêîðîñòü ýëåêòðîíà.
k- êîëè÷åñòâî ýëåêòðîíîâ.
Çíàÿ ÷òî ïî êëàññè÷åñêîìó îïðåäåëåíèþ òîêà â ïðîöåññå ó÷àñòâóåò òîëüêî îäèí ýëåêòðîí îò êàæäîãî àòîìà, òî k-êîëè÷åñòâî àòîìîâ ñâèíöà â ïðåäîõðàíèòåëå. Ïðè ðåøåíèè ýòîé çàäà÷è V ïîëó÷àåòñÿ ïðîñòî çàïðåäåëüíàÿ. Ó÷èòûâàÿ òî, ÷òî ýëåêòðîíû äâèæóòñÿ ïî êàñàòåëüíîé ê ÿäðó àòîìà, à íå ïîïàäàþò â íåãî ïåðïåíäèêóëÿðíî. Ìîæíî ñäåëàòü ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî âñ¸ òàêè ýëåêòðè÷åñêèé òîê ýòî íå äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ, à ÷òî òî äðóãîå.
2. ßâëåíèå ïüåçîýôôåêòà òðóäíî îáúÿñíèòü ñ òî÷êè çðåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà. Íåâîçìîæíî îáúÿñíèòü êàê ñ ìåõàíè÷åñêîå âîçäåéñòâèå íà îáúåêò âûçûâàåò ýëåêòðè÷åñêèé òîê. È îáðàòíûé ïðîöåññ, ýëåêòðè÷åñêèé òîê äåôîðìèðóåò îáúåêò.
3.  ïðîìûøëåííîì ïðîèçâîäñòâå èñïîëüçóåòñÿ ýëåêòðîñâàðêà. Ïðè íà÷àëå ñâàðêè â ìîìåíò êîíòàêòà ýëåêòðîäà ñî ñâàðèâàåìûì ïðåäìåòîì, êîãäà ýëåêòðè÷åñêàÿ äóãà åù¸ íå çàæãëàñü. Ïî ñâàðî÷íûì êàáåëÿì òå÷¸ò ìàêñèìàëüíûé ýëåêòðè÷åñêèé òîê. Òàê âîò â ýòîò êîðîòêèé ìîìåíò êàáåëè íà÷èíàþò äâèãàòüñÿ-ä¸ðãàòüñÿ. Îáúÿñíèòü ýòî ÿâëåíèå ñ òî÷êè çðåíèÿ êëàññè÷åñêîé òåîðèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà òàêæå íåâîçìîæíî.
4. Êðîìå òîãî íåâîçìîæíî îáúÿñíèòü ÿâëåíèå ñòàòè÷åñêîãî ýëåêòðè÷åñòâà. Ïðè íàòèðàíèè øåðñòè ÿíòàð¸ì è ÿíòàðü è øåðñòü ÿâëÿþòñÿ äèýëåêòðèêàìè.
Òåîðåòè÷åñêîå ïðåäïîëîæåíèå.
Âîçìîæíî ýëåêòðè÷åñêèé òîê ýòî íå óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ, à óïîðÿäî÷åííîå äâèæåíèå ÿäåð àòîìîâ âåùåñòâà êîòîðîå ïðîâîäèò ýëåêòðè÷åñêèé òîê.
Ïîïûòàåìñÿ îáîñíîâàòü ýòî ïðåäïîëîæåíèå.
Ïóñòü ýëåêòðè÷åñêèé òîê ýòî óïîðÿäî÷åííîå êîëåáàíèå ÿäåð àòîìîâ ïðîâîäíèêà.
ßäðî àòîìà ïðè âîçäåéñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà
Ïðè îòñóòñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÿäðî ïîêîèòñÿ â öåíòðå àòîìà, à ïðè âîçäåéñòâèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà íà÷èíàåò âðàùàòüñÿ. Ïðè÷¸ì åñëè òîê òå÷¸ò ïî ïðîâîäíèêó îò âàñ, òî ÿäðî âðàùàåòñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, à ïðè òå÷åíèè òîêà íà âàñ, ïðîòèâ ÷àñîâîé.
Ýòà ãèïîòåçà ëåãêî îáúÿñíÿåò òàêîå ÿâëåíèå êàê ìàãíåòèçì. Ðàññìîòðèì ñõåìàòè÷íî ñàìûé ïðîñòîé ñòåðæíåâîé ìàãíèò.
Ïðåäïîëîæèì äëÿ ïðîñòîòû, ÷òî ñòåðæíåâîé ìàãíèò èìååò îäèí âèòîê ïðîâîäà.  ïðàâîì ïðîâîäå òîê èä¸ò îò íàñ, à â ëåâîì ïðîâîäå íà íàñ. Ñîîòâåòñòâåííî ïðàâîå ÿäðî àòîìà ïðîâîäíèêà áóäåò âðàùàòüñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, à ëåâîå ÿäðî ïðîâîäíèêà ïðîòèâ ÷àñîâîé. Âî âñåõ àòîìàõ ñòåðæíåâîãî ìàãíèòà ÿäðà ñìåñòÿòñÿ â âåðõ. Ñîîòâåòñòâåííî â âåðõó áóäåò S â íèçó N. Ïðè ïðîïàäàíèè ýëåêòðè÷åñêîãî òîêà ÿäðà âíîâü çàéìóò ñâî¸ ïîëîæåíèå. Ñîîòâåòñòâåííî îáðàòíûé ïðîöåññ. Ïðè âíåñåíèè ïîñòîÿííîãî ìàãíèòà â êàòóøêó àòîìû ÿäåð ïðîâîäíèêà íà÷èíàþò ðàñêðó÷èâàòüñÿ â çàâèñèìîñòè îò ïîëÿðíîñòè ìàãíèòà â òó èëè èíóþ ñòîðîíó. Ýòó ãèïîòåçó ïîäòâåðæäàåò è äðóãîé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé îïûò.
Åñëè íà ôåððîìàãíèòíûé ñòåðæåíü íàìîòàòü íàïðèìåð 100 âèòêîâ ïðîâîäà, ïîòîì ýòîò æå ñàìûé ïðîâîä ïåðåãíóòü è íàìîòàòü â äðóãóþ ñòîðîíó òå æå 100 âèò êîâ ýòîãî æå ñàìîãî ïðîâîäà, òî ñîïðîòèâëåíèå òàêîé èíäóêòèâíîñòè áóäåò áåñêîíå÷íûì ïî ïåðåìåííîìó òîêó.
Ñîîòâåòñòâåííî ÿäðî â ïðàâîì ïðîâîäíèêå áóäåò âðàùàòüñÿ ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå, à â ëåâîì ïðîâîäíèêå òî æå ïî ÷àñîâîé ñòðåëêå è ñìåùåíèÿ ÿäåð àòîìîâ â ñòåðæíåâîì ìàãíèòå íå ïðîèçîéä¸ò.
Ýòó ãèïîòåçó ìîæåò ïîäòâåðäèòü äðóãîé áîëåå ñëîæíûé ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé îïûò.
Âîçüì¸ì îáûêíîâåííûé ñîëåíîèä. Ïîäâåñèì åãî íà íèòè â òàêîå ïîëîæåíèå, ÷òî åñëè íà íåãî ïîäàòü òîê, ñ óñëîâèåì, ÷òî âîçíèêøåå â ñîëåíîèäå ìàãíèòíîå ïîëå áóäåò ïåðïåíäèêóëÿðíî ìàãíèòíîìó ïîëþ çåìëè. Ýòî äåëàåòñÿ äëÿ òîãî, ÷òîáû ìàãíèòíîå ïîëå çåìëè íå âëèÿëî íà ïðîâåäåíèå îïûòà. Òàêèì îáðàçîì ìû ìîæåì ðàñêà÷àòü ýòîò ñîëåíîèä äî ïðàêòè÷åñêè ëþáîé àìïëèòóäû. Ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå ïîäàâàåìîå íà ñîëåíîèä åñòåñòâåííî äîëæíî ñîâïàäàòü ñ ÷àñòîòîé êà÷àíèÿ ñîëåíîèäà. Ýòîò îïûò ïðèâåä¸í íà ðèñóíêå íèæå.
Ðàñêà÷èâàíèå ñîëåíîèäà ïðîèñõîäèò èç-çà òîãî, ÷òî, ïðè ïîäà÷å íà íåãî òîêà âñå ÿäðà àòîìîâ ñîëåíîèäà îäíîâðåìåííî íà÷èíàþò äâèãàòüñÿ â îäíó ñòîðîíó, ñîîòâåòñòâåííî âîçíèêàåò èìïóëüñ, è ñîëåíîèä êà÷í¸òñÿ â òó æå ñòîðîíó, êóäà è áóäåò íàïðàâëåíî äâèæåíèå ýòèõ ÿäåð.
Ïðè ïåðâîì èìïóëüñå êîãäà ñîëåíîèä ìàêñèìàëüíî îòêëîíèòñÿ, íà÷í¸ò äâèãàòüñÿ â îáðàòíóþ ñòîðîíó è â ìîìåíò åãî ïðîõîæäåíèÿ òî÷êè ïîêîÿ ñëåäóåò îòêëþ÷èòü òîê. ßäðà àòîìîâ âîçâðàòÿòñÿ íà ñâî¸ ïðåæíåå ìåñòî èâ ñîëåíîèäå âíîâü âîçíèêíåò èìïóëüñ òîëüêî â îáðàòíóþ ñòîðîíó. Ñðàçó ïîñëå ïðîõîæäåíèÿ ñîëåíîèäîì òî÷êè ïîêîÿ ñëåäóåò îïÿòü ïîäàòü íà íåãî òîê òîëüêî îáðàòíîé ïîëÿðíîñòè, à ïðè ïðîõîæäåíèè ñîëåíîèäîì òî÷êè ïîêîÿ â îáðàòíîì íàïðàâëåíèè ýòîò òîê îòêëþ÷èòü.
Òàêèì îáðàçîì ñîëåíîèä ìîæíî ðàñêà÷àòü äî ëþáîé àìïëèòóäû.
Ýòîò ýôôåêò î÷åíü õîðîøî ñëûøåí. Åñëè ñîëåíîèä óñòàíîâèòü âåðòèêàëüíî è ïîäàòü íà íåãî ïåðåìåííûé ýëåêòðè÷åñêèé òîê, òî âû óñëûøèòå ãóäåíèå. Òî åñò ñîëåíîèä êîëåáëåòñÿ â âåðõ â íèç. Êîëåáëåòñÿ îí ñ òîé ÷àñòîòîé ñ êàêîé ïîäà¸òñÿ íà íåãî ïåðåìåííîå íàïðÿæåíèå. Ïî ñóòè èíæåíåðíàÿ çàäà÷à ñâîäèòñÿ ê òîìó, ÷òîáû çàñòàâèòü ñîëåíîèä êîëåáàòüñÿ íå â âåõ â íèç íà îäíîì ìåñòå, à ÷òîáû îí êîëåáàëñÿ â âåðõ â âåðõ â âåðõ.
Ìîæíî ïðèâåñòè åù¸ îäèí ïðèìåð èç øêîëüíîé ó÷åáíîé ïðîãðàììû. Èçâåñòíûé âñåì îïûò ïî ïðèòÿãèâàíèþ è îòòàëêèâàíèþ ìåæäó ñîáîé ïðîâîäíèêîâ. Îïûò çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, åñëè ïî äâóì ïàðàëëåëüíûì ïðîâîäíèêàì ïðîïóñòèòü òîê â îäíîì íàïðàâëåíèè, òî ïðîâîäíèêè áóäóò ïðèòÿãèâàòüñÿ ìåæäó ñîáîé. À åñëè òîê ïî íèì èä¸ò â ðàçíûõ íàïðàâëåíèÿõ, òî îíè îòòàëêèâàþòñÿ ìåæäó ñîáîé. Âåñü ôîêóñ çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ïðîâîäíèêè äîëæíû îáÿçàòåëüíî ïèòàòüñÿ îò îäíîãî èñòî÷íèêà òîêà, èíà÷å îïûò íå óäà¸òñÿ, èëè óäà¸òñÿ ÷àñòè÷íî.
Ýòà òåîðèÿ ïîäòâåðæäàåòñÿ è äðóãèì îïûòîì, áîëåå ñëîæíûì. Âîçüì¸ì ïîëíîòåëûé ìåòàëëè÷åñêèé øàð èç ôåððîìàãíåòèêà. Íàìîòàåì íà íåãî äâå ïåðïåíäèêóëÿðíûå îáìîòêè À è Â. Íà ýòè îáìîòêè ïîäàäèì ðàçëè÷íûå ïåðåìåííûå íàïðÿæåíèÿ ñäâèíóòûå äðóã îòíîñèòåëüíî äðóãà íà 90 ãðàäóñîâ. Ïðè÷¸ì, åñëè íàïðÿæåíèå íà îáìîòêó À áóäåò ñèíóñîèäàëüíûì, òî åñòü ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå èìïóëüñû îäèíàêîâûå. Òî íàïðÿæåíèå íà îáìîòêó  áóäåò èìåòü áîëüøóþ ïîëîæèòåëüíóþ ñîñòàâëÿþùóþ, à îòðèöàòåëüíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ áóäåò ðàâíà ïîëó ïåðèîäó îáìîòêè À. Ðèñóíîê íàìîòêè íà øàð ïðèâåä¸í íèæå.  ýòîì ñëó÷àå ìîæíî èçìåíÿòü âåñ øàðà íå ìåíÿÿ åãî ìàññû.
Âñå ÿäðà àòîìîâ øàðà áóäóò äâèãàòüñÿ â ýòîì øàðå íå òîëüêî â âåðõ â íèç, à â ïëîñêîñòè ïî ôèãóðå Ëèñòàæó. Êîòîðàÿ ïðèâåäåíà íèæå.
À çíà÷èò â ñàìîì øàðå ïîÿâèòñÿ ñèëà íàïðàâëåííàÿ â âåðõ. È ñàì øàð ëèáî ïîòåðÿåò âåñ ëèáî íà÷í¸ò äâèãàòüñÿ ñ óñêîðåíèåì â òóæå ñòîðîíó.
Ýòî ÿâëåíèå íàáëþäàåòñÿ ïðè âêëþ÷åíèè ñèëîâîãî òðàíñôîðìàòîðà. Ïðè âêëþ÷åíèè òðàíñôîðìàòîð íà÷èíàåò ãóäåòü, òî åñòü êîëåáàòüñÿ â âåðõ è â íèç. Êîëåáàíèÿ ñèëîâîãî òðàíñôîðìàòîðà ìîæíî òàê æå îùóòèòü êîñíóâøèñü åãî ðóêîé. Âû ïî÷óâñòâóåòå åãî âèáðàöèþ. Ïðåäñòàâëåííûé âûøå îïûò ïðàêòè÷åñêè ïîâòîðÿåò ñèëîâîé òðàíñôîðìàòîð. Òîëüêî êîëåáàíèÿ øàðà íå ïðîèñõîäÿò â âåðõ â íèç íà îäíîì ìåñòå à êîëåáëþòñÿ â âåðõ â âåðõ â âåðõ. Ïîäîáíûé ïðîöåññ õîðîøî âèäíî ïðè êàòàíèè äåòåé íà ñêåéòáîðäå. Ðåá¸íîê ìîæåò íà÷àòü äâèæåíèå íå îòòàëêèâàÿñü íå îò ÷åãî, à ðåçêî ïåðåìåùàÿ ìàññó ñâîåãî òåëà â îäíó ñòîðîíó, è ïëàâíî âîçâðàùàÿ åãî â èñõîäíóþ òî÷êó. Ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò äâèæåíèå â çàäàííîì íàïðàâëåíèè. Çäåñü ïðàêòè÷åñêè ïðåäñòàâëåíà ìîäåëü ñêåéòáîðäèñòà, òîëüêî â ìèêðîìèðå.
Ïðîâåä¸ííûé ýêñïåðèìåíò ïîêàçûâàåò î÷åíü íèçêèé ÊÏÄ áåçîïîðíîãî äâèãàòåëÿ, âñåãî ïîðÿäêà 7%. Åñòü âîçìîæíîñòü ïîâûñèòü ÊÏÄ äâèãàòåëÿ èçìåíèâ íàïðÿæåíèÿ ïîäàâàåìûå íà îáìîòêè øàðà. Åñëè íà îáìîòêó À áóäåò ïîäàâàòüñÿ òî æå ïåðåìåííîå ñèíóñîèäàëüíîå íàïðÿæåíèå, òî íà îáìîòêó  áóäåò ïîäàâàòüñÿ ïèëîîáðàçíîñèíóñîèäàëüíîå íàïðÿæåíèå ïî ÷àñòîòå â äâà ðàçà ïðåâûøàþùåå ÷àñòîòó ïîäàâàåìóþ íà îáìîòêó À. Ïîÿñíÿþùèé ðèñóíîê íèæå.
×àñòîòà ïîäàâàåìàÿ íà îáìîòêó À.
×àñòîòà ïîäàâàåìàÿ íà îáìîòêó Â.
 ýòîì ñëó÷àå ÊÏÄ âîçðàñòàåò çíà÷èòåëüíî. À ÿäðî àòîìà áóäåò äâèãàòüñÿ ïî ôèãóðå Ëèñòàæó ïðèâåä¸ííîé íèæå
Åñëè ðàññìàòðèâàòü äâèæåíèå àòîìà ïî ôèãóðå Ëèñòàæó, òî äâèæåíèå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïî ñëåäóþùèì òî÷êàì ïîêàçàííûì íà ðèñóíêå âûøå À-Ñ-Â-À-Ä-Â-À. Ïðè÷¸ì íà îòðåçêàõ À-Ñ- è À-Ä- äâèæåíèå áåç óñêîðåíèÿ, òî íà îòðåçêå Â-À äâèæåíèå ñ óñêîðåíèåì. Ñîáèðàåòñÿ óñòàíîâêà äëÿ îïðåäåëåíèÿ ÊÏÄ.
Ýòî ÿâëåíèå ìîæíî èñïîëüçîâàòü äëÿ äîáû÷è ðåäêîçåìåëüíûõ è äðàãîöåííûõ ìåòàëëîâ, ïåðåìåùåíèÿ â ïðîñòðàíñòâå è ò.ä. è ò.ï.
Èñòî÷íèê: SciTecLibrary.ru