Что останавливает направленное движение электронов в проводнике

Подумайте, что останавливает направленное движение электронов в проводнике.

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,708
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

• Обратная связь
• Правила сайта

Законы постоянного тока

«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: немного раздражает, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не добудешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.

Электрический ток

В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.

Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.

Поток. И то и другое представляет собой направленное движение частиц. Из чего состоит вода? Из молекул. Когда эти молекулы движутся в одном направлении, то они образуют поток воды, который течет, например, по трубам.

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:

• наличие свободных заряженных частиц;
• наличие электрического поля;
• наличие замкнутой электрической цепи.

Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение.

Напряжение

Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.

Напряжение — скалярная (не имеющая направления) физическая величина, значение которой равно работе тока на участке цепи, совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую.

Единица измерения U — В (Вольт) = \(\frac\)

Электрический ток — результат «труда» множества частиц. Они любят работать – не ленятся перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится. Так запоминаем связь напряжения (U) с работой (A).

Услышав слова из известной песни Димы Билана «Это ты, это я, между нами молния, С электрическим разрядом 220 Вольт…» любой физик (и электрик) приобретает новую пару седых волосинок. Такое напряжение очень опасно для человека. Однако, 220 Вольт — это то самое напряжение в наших розетках!

Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. Пример подключения представлен на рисунке:

Сила тока

Это еще одна немаловажная характеристика электрического тока.

Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени .

Единица измерения I — А (ампер) = \(\frac\).

Представим, что внутри проводника «бежит» в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше общий заряд частиц, пробегающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше будет значение силы тока. Это поможет вам запомнить зависимость силы тока (I) от электрического заряда (q).

Если сила тока в цепи не изменяется, то величина заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, прямо пропорциональна времени его протекания. В этой зависимости сила тока выступит в роли коэффициента пропорциональности.

Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:

Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Давайте разберемся, как можно определить направление тока в цепи на примере.

Задача. На рисунке изображена электрическая цепь с источником тока и сопротивлением R. Определите направление тока в данной цепи (по часовой стрелке/против часовой стрелки).

Решение:

Обратите внимание, «большая» пластина реостата расположена справа (именно она и направляет ток), а «маленькая» слева. Положительно заряженные частицы двигаются от катода к аноду (от положительно заряженной пластинки к отрицательно заряженной), а направление тока всегда совпадает с направлением положительно заряженных частиц. Значит, ток в цепи направлен по часовой стрелке.

Ответ: по часовой стрелке

Электрическое сопротивление

Оно является электрической характеристикой проводника.

Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.

Единица измерения R — Ом.

Удельное сопротивление проводника (p) можно посмотреть в специальной таблице в справочнике или в интернете. Для каждого материала будет свое значение. Мы приведем для примера лишь фрагмент такой таблицы.

Таблица удельных сопротивлений (p) некоторых проводников

Металл	Удельное сопротивление, Ом * \(мм^2\)/ м
Серебро	0,0016
Медь	0,017
Золото	0,023
Алюминий	0,028
Вольфрам	0,055
Железо	0,1

Сопротивление — это внешнее свойство, зависящее от количества присутствующего материала, от геометрических характеристик проводника и от самого материала, из которого сделан проводник.

Удельное сопротивление — это внутреннее свойство проводника, которое не зависит от его размера, а зависит от химического состава вещества и температуры.

Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан.

Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается. В экзаменационных задачах случаи с изменением удельного сопротивления не рассматриваются, а вот в олимпиадных задачах такое встретить можно.

Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется?

Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.

Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.

Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.

Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток имеет определенное направление — от катода к аноду. Электрический заряд условно в нашем примере аналогичен массе воды, а напряжение — напору воды из крана.

Зависимость силы тока от сопротивления участка цепи и напряжения на его концах

Установить зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах можно экспериментально. Меняя значение поданного на концы проводника тока, убедимся в том, что сила тока растет вместе с напряжением. Интересно, что такая зависимость для различных сопротивлений сохраняет свой вид. Это прямая пропорциональность.

Причем угол наклона графика для большего сопротивления меньше.

Аналогично, проводя измерение силы тока при изменении сопротивления проводника, поддержим постоянное напряжение на его концах. Опытным путем установим, что такая зависимость является обратной пропорциональной.

Объединив эти зависимости в одну, получим один из основных законов, описывающих явление постоянного электрического тока.

Закон Ома

Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется законом Ома:

Для упрощенного понимания закона Ома можно использовать данный треугольник. Чтобы вспомнить формулу для нахождения той или иной величины, нужно ее закрыть рукой. Если оставшиеся открытыми величины стоят бок о бок, то они перемножаются друг с другом (U=IR). А если одна величина стоит выше другой, то в таком случае мы делим их друг на друга (I=U/R или R=U/I)

Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.

Разберем задачу из контрольно-измерительных материалов ЕГЭ (номер 12).

Ниже на рисунке приведена схема электрической цепи, в которой провода можно считать идеальными. Определите сопротивление резистора, если показания амперметра 0,2 А, а вольтметра — 8 В.

Решение:
Вольтметр подключен параллельно резистору. Следовательно, он показывает напряжение на резисторе U.

Амперметр подключен последовательно. Следовательно, он показывает силу тока I на всей цепи.

Чтобы найти сопротивление на резисторе, воспользуемся законом Ома:
I=\(\frac\), где R — сопротивление резистора.

Выразим R и подставим значения:
R=\(\frac\)
R=\(\frac\)=40 (Ом)

Ответ: 40

В общем случае, когда заряд меняется со временем, рассматривают силу тока как производную заряда от времени. По сути сила тока показывает скорость изменения заряда со временем.

Учитывая понятие производной функции, получим геометрический смысл зависимости силы тока от времени. Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за данное время, можно определить как площадь фигуры, ограниченной графиком зависимости скорости от времени.

Электрический ток так и остался бы весьма интересным физическим явлением, занимающим умы физиков, если бы не нашлось ему столь широкого применения, поскольку ток может выполнить работу.

Работа и мощность электрического тока

Вернемся к понятию работы. Мы говорили, что при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):

Если мы выразим заряд из формулы силы тока q = It, то получим формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работы тока):

Единица измерения А — Дж (Джоуль).

В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт*ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт (1000 Вт) в течение 1 часа. Учитывая, что 1 ч = 3600 с, получим:

1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж

Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.

Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.

Единица измерения P — Вт (Ватт).

Средняя мощность тока равна:

Теперь мы знаем все про мощность и работу тока, а значит, нужно отработать это на практике. Тем более что такие задачи встречаются в ЕГЭ (номер 12).

Задача.
Какую работу совершит электрический ток в электродвигателе вентилятора за 20 мин., если сила тока в цепи 0,2 А, а напряжение 12 В?

Решение.

Вспомним формулу для работы тока A=U*I*t , где U=12 В — напряжение в электродвигателе, I=0,2 A — сила тока, t=20 мин.=1200 с. — время.

Все данные нам уже известны, поэтому можем подставить их в формулу для работы тока и получить ответ.

Ответ: 2880 Дж

Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Можете заглянуть в любую инструкцию к утюгу или стиральной машине. Там вы увидите, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке.

Закон Джоуля — Ленца

Теперь свяжем работу тока и теплоту, которая выделяется на проводнике за некоторое время t.

Почему так происходит?

Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца :

Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:

Единица измерения Q — Дж (Джоуль).

В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке.

Так, проволоку из нихрома (сплав никеля с хромом) применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ (резисторах, например). Нихром относится к классу сплавов с высоким электрическим сопротивлением, что определяет его применение в качестве электрических нагревателей. Этот сплав используется также в печах обжига и сушки и различных аппаратах теплового воздействия, например, в фенах, паяльниках или обогревателях.

Кто первый ввел понятие «электрический ток» в науку? Ответ: Андре-Мари Ампер.

Еще немного про электричество…

• Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
• Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
• Бенджамин Франклин (да-да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод. Также он является человеком, который вывел закон сохранения электрического заряда.
• В древности люди считали, что, если молния ударила в курган, значит, там зарыто сокровище.

Термины

Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.

Фактчек

• Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: \(I = \frac\).
• Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: \(U = \frac\).
• Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: \(R = \frac\).
• Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: \(P = \frac\).
• Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: \(I = \frac\).
• Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I 2 Rt.
• Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.

Проверь себя

Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:

1. электрическое поле
2. электрический ток
3. электрическая мощность
4. работа тока

Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:

1. зависит от температуры
2. не зависит от температуры
3. зависит от силы протекающего через проводник тока
4. не зависит от напряжения

Задание 3.
Формула для расчета силы тока:

Задание 4.
Что такое мощность электрического тока?

1. работа за единицу времени
2. отношение заряда к единице времени
3. произведение силы тока на сопротивление
4. тепло, выделяемое на резисторе

Задание 5.
В чем причина электрического сопротивления?

1. во взаимодействии зарядов одинакового знака
2. в отсутствии взаимодействия между зарядами
3. во взаимодействии зарядов разного знака
4. в передаче тепла

Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.

Что такое электрический ток?

Э лектрическим током называют направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов — пишут в учебнике по физике Пёрышкин А.В. и Краукликс В.В.

Казалось бы, всё просто и понятно, но если постараться осмыслить это определение, то возникнут дополнительные вопросы (как выглядит электрический заряд? куда он направлен? кто направляет? и как бы углядеть этот процесс в целом?), на которые мы сразу внятных ответов не найдём. Более того, в процессе поиска в тех же самых классических учебниках, мы встретим множество оговорок, которые прямо влияют на изменение процесса протекания электрического тока. Ток бывает переменный и постоянный, в металлах и вакууме, в электролите и газе и т.д. Чем дальше мы будем углубляться в этом вопросе, тем больше мы будем “уходить” от первоначально поставленного вопроса (что такое электрический ток?), поэтому давайте не спешить с “погружением” в теоретическую физику электричества и постараемся, не спеша, обрести понимание электрического тока, отталкиваясь от того, что нам уже известно.

А известно нам то, что если засунуть пальцы в розетку, то нас тряханёт так, что запомним на всю жизнь (в случае если выживем). Почему же так происходит? Прежде чем дать ответ на этот вопрос, нужно вспомнить анатомию, и из чего мы состоим (кратко: мы состоим из органов => тканей => молекул => атомов, где постоянно двигаются (вращаются) электроны, которые и “скрепляют” наши атомы вместе, что б наше физ. тело не развалилось). Далее нужно вспомнить, из чего состоят провода, по которым “направленно движется” электрический ток. А состоят они обычно из алюминия или меди, которые в свою очередь тоже состоят из атомов и электронов, которые также удерживают (скрепляют) металл, чтобы он не развалился. По сути, в этом плане, человеческое тело не отличается от металла, там и там мельчайшей неделимой структурой является электрон. Именно электрон является носителем электрического заряда, о котором говорится в первоначальном определении электрического тока, и одновременно, связующим звеном между атомами. Как именно электрон это делает, можно почитать в статье, как соединены атомы .

Итак, электроны. Как же их привести в “направленное движение”?. Ведь, по сути, они и так двигаются, но только по своим орбитам, а нам нужно, чтоб они двигались вдоль проводника. Нужна какая-то сила или причина, чтобы это произошло. И такая сила есть! Она так и называется – электродвижущая сила (ЭДС). ЭДС – это сторонний источник (к примеру батарейка или генератор) который подсоединяется к нашему проводнику и создаёт там напряжение, которое заставляет электроны “срываться” со своих орбит, и перескакивать на орбиты других атомов. И так по цепочке вплоть до конечного получателя. Получается, что и в каждом проводе (к примеру от утюга или смартфона) уже есть эл. ток, и в человеческом теле тоже есть эл. ток, но только он не приведён в движение (там и там электроны). И если на человека подать напряжение (пальцы в розетку), то в теле начнётся процесс перемещения электронов с тех мест, где они должны быть, на те места, где они быть не должны. Человека начинает трясти, и если этот процесс не остановить, человеческое тело погибнет. Осталось только разобраться, как именно напряжение заставляет электроны направленно двигаться, пропихивая их вдоль проводника.

Напряжение и разность потенциалов.

По сути, напряжение – это явление, которым косвенно научился пользоваться человек, до конца не понимая его природу. Человек уловил, что каждая материя стремится к устойчивости (гармонии). И если эту гармонию разрушить, то на восстановлении этой гармонии можно “прокатиться” или “нагреть руки” (т.е. использовать с пользой для себя). В напряжении, гармонией будет является кол-во электронов в определённой области. И если в какой-либо области, электронов станет много, то они при первой же возможности “побегут” туда, где их мало. Такую искусственную ситуацию создаёт обычная батарейка :

Батарейка “специально” создаёт избыток электронов в одной своей части, и их дефицит в другой. И электроны вынуждено “бегут” по проводнику, что нам и нужно. И чем выше будет создан этот искусственный дисбаланс (разность потенциалов), тем мощнее побегут электроны. Такова суть напряжения.

Обратите внимание, что на картинке электроны бегут от минуса к плюсу, хотя в классической физике принято считать наоборот =)

Не будем углубляться, что такое Анод и Катод, а вот что такое “плюс” и “минус” надо разобраться т.к. к нашему первоначальному определения эл. тока иногда добавляют соответствующую фразу: Эл. ток – это направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов от плюса к минусу.

Плюс и минус это полюса. А что такое полюс? Полюса бывают же и у нашей Земли, и у магнита, а в батарейке что это? А это просто концы батарейки (клеммы) для условного обозначения. Вот так, казалось бы, просто? Да, просто, если опустить следующий вопрос: Почему электроны бегут от минуса к плюсу, а в некоторых случаях наоборот?. Увы, но классическая физика внятного ответа на этот вопрос дать не может. Ближе к концу, мы попробуем разобраться в этом вопросе самостоятельно…

Постоянный и переменный ток.

Итак, всё, о чём писалось выше, касалось только постоянного тока. Т.е. движение электронов было однонаправленным и не на миг не прерывалось. Переменный же ток имеет всю ту же природу, но только меняет своё направление 50 раз за 1 секунду.

Т.е. электроны бегут то вперёд, то обратно, то вперёд, то обратно. И так 50 раз за 1 секунду, если мы говорим о бытовой розетке. Как же розетке удаётся так ими руководить? А дело в том, что источник (спрятанный за розеткой) меняет полюса местами 50 раз в секунду, соответственно и электроны меняют своё направление 50 раз в секунду. Вот и вся принципиальная разница между постоянным и переменным током.

Ну и что же тогда получается… когда все электроны истратятся, электрический ток кончится как исчерпаемый ресурс? Или они безконечные? Нет, электроны никуда не тратятся и не испаряются. Нужно помнить, что, как и в постоянном, так и в переменном токе эл. цепь всегда замкнута. И у розетки, и у батарейки есть “вход” и “выход”. В случае постоянного тока, электроны бегают по кругу, многократно проходя через свой “родной” первоначальный атом, стремясь устранить дисбаланс, который мы постоянно искусственно создаём. А в случае переменного тока, электроны не успевают далеко убежать и возвращаются на свои “родненькие” атомы т.к. источник меняет полюса местами.

Электроны никто не съедает. Это не бензин, который перерабатывается и превращается в выхлопной газ. Тогда как мы получаем энергию от электричества если мы ничего не тратим?! А нужно вспомнить первоначальное определение эл. тока, что эл. ток – это движение электрических зарядов, а не электронов. А электрон – это носитель заряда. Ну и какой же количественный заряд имеет 1 электрон? 1 электрон имеет отрицательный заряд равный – 1.6 x 10 -19 Кл. (Кл – Кулон). Стоп, как что-то, что имеет определённую энергию, которая тратится на какую-либо полезную работу может иметь отрицательный заряд?! А вот так и может, т.к. это условность, которую ввели физики/теоретики, чтоб хоть как-то обозначить отношения ядра атома и электронов, которые мотаются вокруг него. Помните неведомый закон природы, что все стремится к гармонии (равновесию)? Так физики тут обозначили это равновесие указав, что протоны ядра атома имеют положительный заряд, а электроны, мотающиеся вокруг этого ядра, имеют отрицательный заряд. Баланс? Баланс. Но всё равно, как-то запутанно. Сложно в голове представить, что такое электрон (т.к. он проявляет себя не только как материя, но и как волна), а тут ещё он отрицательно заряженный…

Чувствуете, что чем дальше мы пытаемся вникнуть в суть природы явления эл. тока, тем больше мы сталкиваемся с новыми явлениями, вещами и терминологией, которые всё только усложняют и превращают в бессмыслицу? Это явный показатель того, что внятного и точно понимания природы эл. тока у современного научного мира нет. Человек методом проб и ошибок нашёл способ поставить это явление себе на службу, но как внятно это объяснить…загвоздочка…

Поэтому я предлагаю взглянуть на этот вопрос с другой позиции, более современной, внятной и я б даже сказал революционной.

Принципиально новый взгляд.

Как нынешняя физика требует большого труда, чтоб разобраться что такое эл. ток, так и принципиально новый взгляд потребует отбросить “шоры”, навешанные современной наукой, чтобы суметь “увидеть” протекающие процессы, на которые мы ранее не обращали внимание.

И в первую очередь, внимание стоит обратить на то, что в некоторых вопросах научный мир всё же вынужденно и открыто сдаётся, т.к. он не может предположить, в чём причина того или иного явления. Например, в вопросе “почему галактики двигаются и вращаются?” научный мир обозначил эту неведомую силу как “тёмная материя”, т.е. неизвестно что (тёмная материя) двигает галактики, что составляет 90% материи большого космоса. Но что именно представляет из себя тёмная материя, современный научный мир не знает даже приблизительно.

Как водится, начнём издалека.

Всё наше пространство неоднородно. Т.е. свойства и качества пространства меняются в зависимости от того, где мы находимся в этом пространстве. Глупо отрицать это. Простой пример с открытием глаз под водой подтверждает это. Те предметы, которые мы увидим под водой, буду отличиться от того, если бы мы их увидели в воздушной среде. Более того, анализ радиоволн от отдалённых галактик, сделанный доктором Джорджем Нодландом и доктором Джоном Ралстоном, подтвердили это в научном мире. Так вот, внутри этих неоднородностей пространства, могут формироваться звёзды и планеты.

Принципиально новый подход говорит, что вся наша Вселенная состоит из 7-ми первичных материй, которые взаимодействуя между собой образуют всё физ. вещество нашей Вселенной. Последовательно сливаясь между собой, каждая новая гибридная материя образует новое вещество внутри предыдущего гибридного вещества:

Так, внутри неоднородности, образовалась наша планета Земля. Это понимание очень важно для последующего понимания, что такое электрон и что такое эл.ток.

Можно сказать, что процессы протекающие на уровне галактик, звёзд и планет – это процессы макропространства, а процессы протекающие на уровне атома – это процессы микропространства.

Теперь представим ситуацию на уровне микропространства, что у нас слилось 6 первичный материй, а 7-ая не может, т.к. ей не хватает совсем чуть-чуть деформации самого микропростнаства. Но само пространство (микро и макро) никогда не находится в статическом положении. Всегда есть (хоть и небольшие) колебания. И как только это колебание достигает нашей деформации, оно кратковременно накладывается на нашу деформацию. На короткое время возникают условия, при которых все семь первичных материй в состоянии слиться и образовать гибридную форму. Начинается процесс синтеза, появляется материальное облако, которое начинает уплотняться, но процесс уплотнения не успевает завершиться. Именно это материальное облако и называют электроном! Получается, что электрон – это крайне неустойчивая материя, которая постоянно балансирует на грани синтеза и распада.

Тогда как же он двигается вокруг атома? А он вообще не двигается в физически плотной среде, и в первую очередь потому, что электрон не является в полном смысле физически плотной материей, а есть, ни что иное, как крайне неустойчивое граничное состояние этой материи. Электрон просто материализуется и распадается в разных участках орбиты атома, следуя “воле” волнам, которые несут так недостающую деформацию для слияния 7-ми первичных материй.

Раз электроны не двигаются вокруг ядра атома, значит они и не бегают вдоль проводника, как мы это указывали в первоначальном определении. Тут нужно вспомнить, что проводник (металл) имеет кристаллическую структуру (атомы жестко и упорядоченно “сцеплены”), и если в проводнике создать горизонтальный перепад мерности (неоднородность), то все материи, формирующие электроны в физ. мире буду “сноситься” в одну сторону, а вторая сторона потребует действий, чтоб как-то компенсировать недостаток материй. Именно процесс восстановления баланса нехватки первичных материй и электронов и будет называться электрическим током.

Тут требуется пояснить, что каждая материя имеет свой собственный уровень мерности т.е. свои свойства и качества, которые она может проявить только в определённых условиях (пространстве). И если она туда не попадёт, то никак себя и не проявит. Материя стремится занять положение, где свойства и качества самой материи, будут тожественны свойствам и качествам пространства. Именно этим объясняется стремление материи к устойчивости, о котором говорилось выше.

Горизонтальный перепад мерности создаёт условия, при которых, положительные ионы должны двигаться против перепада, в то время, как отрицательные ионы—вдоль этого перепада мерности. Положительные ионы вынуждены двигаться «против течения», в то время как отрицательные «по течению». В результате этого скорость движения, а следовательно энергия положительных ионов уменьшается, а отрицательных ионов — увеличивается. Ускоренные подобным образом отрицательные ионы, при столкновении с кристаллической решёткой, теряют избыточные электроны, становясь нейтральными атомами. Кристаллическая решётка, при этом, приобретает дополнительные электроны. И, если теперь, соединить между собой эти две пластины с разными уровнями собственной мерности посредством провода из совместимого с ними материала, то в последнем (проводе) возникнет, так называемый, постоянный электрический ток — направленное движение электронов от плюса к минусу, где плюс—пластина, имеющая больший уровень собственной мерности, а минус — пластина имеющая меньший уровень собственной мерности. И если продолжить данный анализ, то перепад потенциалов между пластинами есть ни что иное, как перепад уровней собственной мерности кристаллических решёток этих пластин.

Сложно “въехать” в понятие эл.тока. А уж принципиально новый взгляд освоить и того сложнее. Чем больше изучаешь новую позицию, тем больше накапливается вопросов. Поэтому, если ваше любопытство ещё не остыло, отправляю вас к источнику столь замечательного и полезного труда “Неоднородная Вселенная” Н.В. Левашова, который распространяется в интернете абсолютно безплатно. Сам автор гораздо более детальнее и яснее изложит свою позицию.

• Log in or register to post comments

Особенности преподавания терминологии и постановки проблематики электрического тока Текст научной статьи по специальности «Физика»

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК / ОПЫТ ТОЛМЕНА-СТЮАРТА / ЭЛЕКТРОНЫ ПРОВОДИМОСТИ / СВОБОДНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ В МЕТАЛЛАХ / КЛАССИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДРУДЕ / КВАНТОВАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ЗОММЕРФЕЛЬДА / ЗОННАЯ ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА / ELECTRIC CURRENT / TOLMENA-STEWART»S EXPERIENCE / CONDUCTIVITY ELECTRONS / FREE ELECTRONS IN METALS / CLASSICAL

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Кочетков Андрей Викторович, Федотов Петр Викторович

В статье авторы анализируют общепринятое определение электрического тока . Авторы утверждают, что более адекватно, исходя из имеющихся опытных данных, другое определение электрического тока . Принятое сейчас определение электрического тока , как направленное движение электронов допустимо только для постоянного тока, т.к. направление движения электронов не меняется. Для переменных токов, когда направление движение зарядов меняется каждый полупериод, такое определение не удачно. Это касается токов высокой частоты и сверхвысокой частоты (СВЧ). Медленное движение зарядов, определяемое из опытов по гальванике, убеждают, что за полупериод колебаний тока, электроны успевают пройти очень малое расстояние, например при СВЧ частотах расстояние, пройденное зарядом за полупериод, составляет порядка нескольких нанометров. В этом случае необходимо говорить не о направленном, а о возвратно поступательном движении зарядов. Тем не менее, «ток идет». Необходимо говорить не о направленном движении зарядов, а о направленном движении энергии вдоль цепи. Необходимо признать, что электрическим током является направленное движение энергии возбуждения электронов. Предложенный подход не противоречит ни одному имеющемуся эксперименту, в т.ч. и эксперименту Толмена-Стюарта, а имеет некоторые достоинства квантовой зонной теории электричества , сохраняя при этом классическую простоту и наглядность.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Кочетков Андрей Викторович, Федотов Петр Викторович

Электричество. Пример использования научных подходов в профессиональном образовании
Развитие теории кинетической составляющей процесса распространения электрического тока по проводнику
Принципы теплообразования под действием электрического тока
Токи и преоны
Физические опыты с напряженно-деформированными электропроводными телами
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Features of teaching terminology and statement of a perspective of electric current

The standard definition of electric current isn’t true. More adequately, proceeding from available skilled data, other definition of electric current . The definition of electric current as the directed movement of electrons accepted now is admissible only for a direct current since direction of the movement of electrons doesn’t change. For alternating currents when direction movement of charges changes each half-cycle, such definition isn’t successful. It concerns currents of high frequency and ultrahigh frequency (microwave oven). The slow movement of charges defined from experiments on a galvanics convince that for a half-cycle of fluctuations of current, electrons manage to pass very small distance, for example at microwave oven frequencies distance passed by a charge for a half-cycle makes about several nanometers. In this case it is necessary to speak not about directed, and about vozvratno progress of charges. Nevertheless, «current goes». It is necessary to speak not about the directed movement of charges, and about the directed movement of energy along a chain. It is necessary to recognize that electric current is the directed movement of energy of excitement of electrons. The offered approach doesn’t contradict any available experiment, including and Tolmena-Stewart’s experiment, and has some advantages of quantum zonal theory of electricity, keeping thus classical simplicity and presentation.

Текст научной работы на тему «Особенности преподавания терминологии и постановки проблематики электрического тока»

Интернет-журнал «Науковедение» ISSN 2223-5167 http ://naukovedenie.ru/ Том 7, №4 (2015) http ://naukovedenie. ru/index.php?p=vol7-4 URL статьи: http://naukovedenie.ru/PDF/78PVN415.pdf DOI: 10.15862/78PVN415 (http://dx.doi.org/10.15862/78PVN415)

Кочетков Андрей Викторович

ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

Россия, г. Пермь1 Профессор Доктор технических наук E-mail: soni.81@mail.ru

Федотов Петр Викторович

ООО «Научно-технический центр технического регулирования»

Россия, г. Саратов Инженер E-mail: klk50@mail.ru

Особенности преподавания терминологии и постановки проблематики электрического тока

1 410022, г. Саратов, ул. Азина, д. 38 «В», кв. 4

Аннотация. В статье авторы анализируют общепринятое определение электрического тока. Авторы утверждают, что более адекватно, исходя из имеющихся опытных данных, другое определение электрического тока. Принятое сейчас определение электрического тока, как направленное движение электронов допустимо только для постоянного тока, т.к. направление движения электронов не меняется. Для переменных токов, когда направление движение зарядов меняется каждый полупериод, такое определение не удачно. Это касается токов высокой частоты и сверхвысокой частоты (СВЧ). Медленное движение зарядов, определяемое из опытов по гальванике, убеждают, что за полупериод колебаний тока, электроны успевают пройти очень малое расстояние, например при СВЧ частотах расстояние, пройденное зарядом за полупериод, составляет порядка нескольких нанометров. В этом случае необходимо говорить не о направленном, а о возвратно поступательном движении зарядов. Тем не менее, «ток идет». Необходимо говорить не о направленном движении зарядов, а о направленном движении энергии вдоль цепи.

Необходимо признать, что электрическим током является направленное движение энергии возбуждения электронов. Предложенный подход не противоречит ни одному имеющемуся эксперименту, в т.ч. и эксперименту Толмена-Стюарта, а имеет некоторые достоинства квантовой зонной теории электричества, сохраняя при этом классическую простоту и наглядность.

Ключевые слова: электрический ток; опыт Толмена-Стюарта; электроны проводимости; свободные электроны в металлах; классическая электронная теория Друде; квантовая электронная теория Зоммерфельда; зонная теория электричества.

Ссылка для цитирования этой статьи:

Кочетков А.В., Федотов П.В. Особенности преподавания терминологии и постановки проблематики электрического тока // Интернет-журнал «НАУКОВЕДЕНИЕ» Том 7, №4 (2015) http://naukovedenie.ru/PDF/78PVN415.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/78?^415

Кажется, что ответ на вопрос «что такое электрический ток?» знают все. По крайней мере, во всех учебниках по электричеству написано что-то подобное: «Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц» [1, с. 174].

Такое определение кажется убедительным и, главное, достаточным.

Но это только на первый взгляд. При внимательном рассмотрении этого явления возникает два вопроса. Во-первых, как движутся заряженные частицы при переменном токе? Второй вопрос, каким образом направленное движение заряженных частиц трансформируется в разнообразные виды энергии, в т.ч. и в механическую энергию движения электроприводов?

Если внимательно рассмотреть эти вопросы, то оказывается, что современная электродинамика не в состоянии ответить на эти вопросы.

Рассмотрим сначала движение заряженных частиц (электронов) в металлическом проводе при переменном токе.

Уже при низких частотах характер движения электронов противоречит принятому определению. Так, при частоте всего в 50 Гц электроны движутся 1/100 с в прямом направлении, а следующие 1/100 с в обратном. Воспользовавшись значениями скорости движения электронов в проводнике v~6*10-5 м^ [2], получим, что при токе промышленной частоты электроны качаются около положения равновесия с амплитудой 6*10-7 м или 0,6 мкм. Ни о каком «направленном движении» электронов речи быть не может. Но, в тоже время ток «течет» и потребители, расположенные за тысячи км от источника генерации, получают энергию для собственных нужд. Это только при промышленной частоте в 50 Гц. При частоте в 1 МГц амплитуда колебаний составляет всего 3*10-11 м или 0,3 ангстрема, что даже меньше размеров атома.

Т.о. необходимо новое определение, что такое электрический ток. Электрический ток -это передача вдоль проводника энергии электрического поля. Энергия электрического тока -это энергия колебаний заряженных частиц. При электрическом токе основное значение имеет не самодвижение электронов, а движение энергии их колебаний. Именно эта энергия и заставляет вращаться валы электромоторов, а вовсе не какое то «направленное движение» электронов. Другими словами можно сказать: электрический ток — это способ передачи энергии с использованием проводников.

Направленное (поступательное) движение имеет значение только в гальванике. При гальванических процессах происходит передача электронов в окислительно-восстановительных химических реакциях и сама по себе энергия не имеет решающего значения, главное это количество отнятых и отданных электронов. Именно поэтому во всех гальванических процессах применяется только постоянный ток. А вот при сварке существенное значение имеет не количество перемещенных зарядов, а энергия, необходимая для расплавления металла, поэтому применяется как постоянный, так и переменный ток.

Еще характернее пример с электродвигателями. Даже в двигателях «постоянного тока» ток в обмотках переключается коллекторами либо вентилями, но в любом случае в обмотках всех без исключения электродвигателей направление тока переменное.

Есть и другой способ рассмотреть тот же самый случай. Воспользуемся интернет-ресурсом КГУ [2]. В нем говорится, что скорость электронов v ~ 6*10-5 м^ рассчитана для провода сечением 1 мм2 и с током 1 А. Предположим, что длина провода цепи 1 м, тогда можно подсчитать энергию всех электронов, проводящих ток.

Сопротивление участка цепи, состоящего из 1 м медного провода сечением 1 мм2, равно 0,018 Ом. По закону Ома, напряжение на концах провода 0,018 В.

Электрическая мощность определяется по известной формуле и равна 0,018 Вт. За одну секунду выделяется энергия 0,018 Дж или 11*1014 эВ.

Подсчитаем энергию движения переносчиков электричества.

Объем меди в проводнике длиной 1 м и сечением 1 мм2, равен 10-6 м3= 1 см3. При удельном весе меди равном 8,96 г/см3, вес провода составляет 8,96 г. Молярная масса меди -63,5 грамм/моль, значит, в образце содержится 0,141 г*атома меди или 0,85*1023 атомов меди. С учетом двухвалентности меди, свободных электронов, переносящих электрический ток на выделенном участке цепи, будет примерно 1,7*1023 электронов. Суммарный заряд «свободных» электронов 2,72*104 Кл. По известной формуле переноса зарядов в электростатическом поле можно рассчитать напряжение поля, необходимое для получения указанной выше энергии (0,011*1017 эВ). Простым делением энергии на полный заряд получим 4,04*1010 В.

Обратно, зная полный заряд переносимый электрическим током (2,72*104 Кл) и напряжение поля (0,018 В), получим энергию переноса, она будет равна 489,6 Дж.

Попробуем еще один способ расчета энергии. Если скорость электронов в проводнике V ~ 6*10-5 м/с, а масса электрона 9,1*10-31 кг, то отсюда следует, что совокупная кинетическая энергия всех свободных электронов в проводнике 278*10-18 Дж.

В результате простых расчетов получили три значения энергии «свободных» электронов в образце меди при условии протекания тока. Причем эти значения различаются не в разы, а на порядки.

Такие различия невозможно объяснить тем, что не учтены какие-то несущественные второстепенные факты. Отметим, что все использованные формулы верные, каждая из них многократно подтверждена всеми имеющимися опытами. Но, сведенные в одно место, а именно при попытке объяснить электрический ток направленным движением электронов, дают полный диссонанс.

Правда, формулы расчета кинетической энергии и энергии частиц в электрическом поле априори считаются равными и используются в физике ускорителей для расчета скорости электронов в ускоряющем поле. В случае электрического тока они различаются на четырнадцать порядков. Не говоря уже об энергии, полученной по формуле Джоуля-Ленца, которая отличается от наименьшей энергии, полученной из формул для ускорителей еще на шесть порядков.

При этом никаких других материальных носителей энергии электрического тока не предполагается, значит, именно электроны являются носителями электрического тока.

Такие разногласия не могут быть объяснены второстепенными факторами, значит ошибка в принципе.

Все несуразности могут быть сняты, если принять гипотезу, что электрический ток -это не поступательное движение электронов, а поступательное движение энергии электронов. Отсюда следует возможная формулировка — электрический ток — это передача энергии возбуждения электронов. Причем совершенно не обязательно, чтобы электроны покидали пределы своего атома, достаточно, чтобы они колебались в пределах атома, при этом энергия колебаний должна иметь возможность передаваться соседним атомам.

Основополагающим экспериментом, якобы подтверждающим движение электронов в проводнике, как основой электрического тока считается эксперимент Толмена и Стюарта, проведенный в 1916 г.

Разберем этот опыт подробно. Описание эксперимента опубликовано в журнале Physical Review [3]. Там же дается физическое обоснование и методика проведения эксперимента.

Разбор статьи ставит больше вопросов, чем дает ответов. Теоретическое обоснование содержит утверждение, что в процессе эксперимента проверяется соответствие результатов формуле (формула 11 в тексте статьи):

где Q — заряд, перемещаемый под действием механических сил при торможении проводника; т — масса электрона; к — подвижность электронов, V — скорость проводника с которой крутится катушка перед остановкой; Я — сопротивление электрической цепи; Г -механические силы, действующие на электроны в момент остановки.

Т.е. основным объектом проверки якобы являлось количество электричества (заряд), которое проходило через измерительный прибор. Но в качестве измерительного прибора использовался гальванометр. Надо понимать, что ни один гальванометр не измеряет количество электричества, все гальванометры измеряют только ток, текущий через цепь, содержащую гаальванометр. Вначале принимается на веру гипотеза, что электрический ток -это есть движение зарядов, а затем постулат движения зарядов якобы подтверждается тем, что в цепи существует электрический ток.

Легко видеть, что если согласно первой части данной статьи электрический ток — это передача возмущения колебательного движения зарядов, которые, на самом деле, никуда не движутся, то опыт Толмена-Стюарта полностью подтверждает и эту точку зрения.

В этом случае интерпретация опыта следующая: резкая остановка проводника возбуждает колебательные движения зарядов в катушке, а возмущения от этих колебаний передаются во внешнюю цепь и воспринимаются гальванометром как электрический ток.

Второе. При обсуждении опыта Толмена-Стюарта принимается априори, что при резком торможении проводника по инерции движутся только электроны, а ядра атомов, которые имеют в массу инерции несколько тысяч раз больше электронов2 спокойно стоят на месте и в процессе создания электрического тока участия не принимают.

Последнее. При описании опыта Толмена-Стюарта не указывается, а какого рода ток, на самом деле, получался: переменный или постоянный? Можно подумать, что постоянный, т.к. легко представить, что электроны, никак не связанные с атомами при резкой остановке, продолжали свой путь по инерции.

На самом деле все не так. Ток был импульсный. В описании экспериментальной установки Толмен и Стюарт, специально оговаривали, что катушка, на которой была намотана проволока, которая и подвергалась ускорению и торможению изготовлена из дерева (березы). Первоначально каркас катушки изготовлялся из алюминия, но при этом получались паразитные токи, которые смазывали результаты экспериментов. Авторы эксперимента не указывают причины паразитных токов, но их легко угадать. Источником паразитных токов являлась электромагнитная индукция токов, возбуждаемых в алюминиевом каркасе.

2 Масса ядра меди 63,65 а.е., или в 117498 раз тяжелее электрона (прим. авт.).

Но если все токи были постоянными, то никаких паразитных токов бы не возбуждалось3. Авторы эксперимента указывали, что остановка раскрученной катушки с проводом осуществлялась за доли секунды, а электрический ток наблюдался в течение примерно 10 с. Речь не шла об однократном коротком импульсе, а именно о пакете импульсов тока. На присутствие импульсного ток указывает и наличие специальной катушки в цепи, существование которой обычно упускают в современной литературе, при описании схемы опыта Толмена-Стюарта. Приводим рисунок из статьи Толмена-Стюарта (см. рис. 1). На рисунке указаны: вращающаяся катушка (испытательная), гальванометр и дополнительная катушка (Б), включенная последовательно с испытательной катушкой.

Рис. 1. Схема эксперимента Толмена-Стюарта из оригинала статьи [3]

В современной терминологии такие катушки называют дросселем, и служат они именно для сглаживания пульсирующего тока. Получается, что в опытах Толмена-Стюарта возбуждались носители тока, и это возбуждение выражалось и улавливалось в виде электрического тока, но никаких сведений, о том, что при электрическом токе наблюдалось направленное поступательное движение электронов не имеется. Т.о., что такое электрический ток — вопрос остается открытым.

Нельзя обойти и вопрос омического сопротивления проводников. В Берклеевском курсе физики автор второго тома подробно останавливается на этом вопросе. Рассматривая природу сопротивления электрическому току и причины действия закона Ома, автор пишет: «Рассмотрим газ, состоящий из нейтральных атомов, положительных ионов и отрицательных ионов, с плотностью близкой к плотности при нормальных условиях, т.е. около 1019 атомов/см3. предположим, что преобладают нейтральные атомы, а положительные и отрицательные ионы рассеяны между ними. Расстояние между частицами, будь то нейтральные или заряженные, много больше радиусов атомов или ионов, поэтому большую часть времени ионы не находятся в состоянии столкновения» [4, с. 130].

Что можно сказать по поводу представленной теории? Она адекватно описывает проводимость ионизированных газов. На это указывает плотность упаковки атомов, соответствующее числу Лошмидта КЬ = 2,68*1019 атомов/см3. Но число Лошмидта соответствует числу атомов идеального газа при н.у. Но никак не плотности атомов в твердых телах или металлах. Элементарные расчеты показывают, что плотность упаковки атомов, как приведено выше 0,85*1023 атомов/см3. Что в 10000 раз плотнее, чем в теории, представленной Э. Парселом. Это означает, что атомы практически полностью занимают то пространство, в котором должны свободно двигаться электроны проводимости. В такой ситуации впору говорить не о том, что электроны летают между атомами и ионами, изредка испытывая столкновения, а о том, что они с трудом протискиваются между плотно упакованными атомами и ионами.

3 Электромагнитная индукция возбуждает ток во вторичной цепи только при наличии переменных токов в первичной цепи. В данном случае роль первичной цепи играл корпус катушки (из алюминия), а роль вторичной цепи играла обмотка из медного провода (прим. авт.).

Есть еще более сильное возражение против т.н. «свободных электронов». В гипотезе о том, что электрический ток образуют «свободные электроны», почему-то опускается из вида тот момент, что т.н. «свободные электроны» — это валентные электроны, которые и удерживают ядра атомов в кристаллической решетке. Получается парадокс, что свободные электроны удерживают атомы в кристаллах, а сами при этом совершенно ни к чему не привязаны и могут свободно перемещаться по всему объему металла, образуя «электронный газ». В таком случае, попробуйте удержать тело газом, тогда легко понять, что крепление из газа изготовить не удастся.

Тем не менее свойства твердых тел и состоят в том, что атомы образуют кристаллы, в которых ядра атомов располагаются в узлах, на строго определенных расстояниях друг от друга, и удерживают атомы в кристалле именно валентные электроны. По теории в учебнике, «электронный газ» не оказывает никакого давления на ядра атомов, а как бы существует сам по себе. Но если электроны осуществляют связь атомов в кристалле, то и сами они являются крепко привязанными к атомам. Т.е., концепция электронного газа, образуемого свободными электронами, т.н. классическая электронная модель, предложенная Паулем Друде [5, а 108] в 1900 г., не выдерживает никакой критики. Классическая модель оказалась плодотворной в некотором смысле, так она достаточно неплохо, на качественном уровне объясняет некоторые эффекты. Но явно противоречит некоторым экспериментам, например, опытным данным по теплопроводности металлов. Поэтому в 1928 г. Зоммерфельд предложил квантовую электронную теорию проводников. «В большинстве случаев модель Зоммерфельда представляет собой просто модель классического электронного газа Друде с единственным отличием: распределение электронов по скоростям описывается статистикой Ферми-Дирака, а не Максвелла-Больцмана» [6, а 45].

Для того, чтобы заменить классический электронный газ на квантово-механический, необходимо внести в процесс обучения абстрактно-математические методы квантовой механики. Т.е., квантовая модель теряет главное достоинства модели Друде — простоту и наглядность. Хотя и сохраняет главный недостаток — кинетическую теорию свободных электронов. Следующим шагом по пути отхода от наглядности послужила зонная теория, основанная на теории коллективных колебаний в кристаллах Борна-Кармана [7, а 296]. В этой теории полностью отказались от кинетики и свободных электронов, но т.о., теория полностью утратила свою наглядность. Именно зонная теория оказалась самой плодотворной для практики.

Но, т.к., она полностью утратила наглядность, то преподавание этой теории ведется на математически-абстрактном уровне: «подставим — получим». При этом математический аппарат, применяемый в зонной теории один из самых сложных, поэтому в технических ВУЗах ограничиваются преподаванием классической теории Друде, несмотря на все её недостатки.

На самом деле электроны не летают между ионами металла, а в основном находятся в связанном состоянии, и только иногда под действием электромагнитного поля могут за короткое время перескочить из потенциальной ямы одного атома в потенциальную яму другого. Учитывая обычные скорости электронов в атоме порядка 106 м/с и расстояния между атомами в твердых телах порядка 10-9 м можно утверждать, что на переход от одного атома к другому у электрона уходит время порядка 10-15 с.

Соотношения между временем привязанности к атому ко времени свободного перелета к другому атому можно получить, сравнивая скорости электронов, обычные для атомной физики, порядка 106. 107 м/с и средние скорости, полученные при протекании гальванических процессов, порядка 10-5.10-4 м/с, на 10.11 порядков меньшие.

Подавляющую часть времени электрон проводит в связанном состоянии, и только очень редко, но очень быстро, перескакивает с одного атома к другому.

Представленная теория имеет наглядные представления, является классической, но в тоже время теория коллективных колебаний является ее неотъемлемой частью.

Выше сказано, что основными постулатами электронной теории предлагаемой авторами являются наличие в металлах связанных с атомами кристаллической решетки электронов. Тем самым осуществляется уход от кинетики «свободных электронов».

Второе, это возможность передачи энергии колебаний электронов между атомами, т.е. должен существовать эффект коллективных колебаний электронов в кристалле. Предлагаемая теория, сохраняя простоту и наглядность представлений, оставаясь полностью классической, приобретает достоинства коллективной электронной теории, составляющей рациональное зерно зонной теории.

В тоже время, движение электронов вдоль проводника под действием разности потенциалов подтверждается опытами по гальванике. Исходя из вышеизложенного, следует признать, что такое явление играет существенную роль только в гальванике. В остальных же случаях, и особенно при переменных токах высокой частоты значение имеет только передача энергии возбуждения колебательных движений электронов.

1. Классическая электронная теория Друде страдает полной неадекватностью представлений электрического тока в виде направленного движения электронного газа «свободных электронов». При этом допускает вопиющие несовпадения с опытными данными, полученными из экспериментов.

2. Квантовые электронные теории Гейзенберга, особенно зонная теория, допускают меньше отклонений от опытных данных, и в тоже время страдают абстрактно-математическим уклоном.

3. В технических ВУЗах ограничиваются преподаванием классической электронной теории, в виду наглядности и простоты. В отличие от квантовой теории, теория Друде не требует специальной математической подготовки.

4. Предлагаемая авторами статьи электронная теория сохраняет наглядность, т.к. основана на классических представлениях, при этом имеет достоинства зонной теории.

5. Суть предложений авторов содержится в двух постулатах. Первое: валентные электроны в атоме являются не свободными (как в теории Друде и Зоммерфельда), а связанными с ионами кристаллической решетки. Второе: колебания электронов в атомах кристаллов проводников могут свободно передаваться от одного атома к другому.

6. Отсюда следует главный вывод: электрический ток — это не направленное перемещение электронов, а передача энергии колебаний электронов вдоль проводника.

7. Направленное движение электронов при условии разности потенциалов на концах провода существует, но играет существенную роль только при гальванических процессах. В остальных случаях движение электронов в теле металла несущественно, и играет самую незаметную роль.

1. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Изд. 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. Т. III. Электричество. 656 с.

2. Электронный ресурс http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=a rticle&id=203.

3. R.C. Tolman, T.D. Stewart (1917). «The electromotive force produced by the acceleration of metals». Physical Review 8 (2): pp. 97-116.

4. Парселл Э. Берклеевский курс физики. Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1972. 445 с.

5. Терлецкий ЯП., Рыбаков Ю.П. Электродинамика. — М.: Высшая школа, 1990, 352 с.

6. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. В двух томах. Т. 1. — М.: Мир, 1979. 399 с.

7. Борн М. Атомная физика. — М.: Мир, 1965. 479 с.

Рецензент: Кокодеева Наталия Евсегнеевна, доктор технических наук, профессор, ФГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.».

Kochetkov Andrej Viktorovich

Perm national research polytechnical university

Russia, Perm E-mail: soni.81@mail.ru

Fedotov Petr Viktorovich

JSC Research Center of Technical Regulation

Russia, Perm E-mail: klk50@mail.ru

Features of teaching terminology and statement of a perspective of electric current

Abstract. The standard definition of electric current isn’t true. More adequately, proceeding from available skilled data, other definition of electric current. The definition of electric current as the directed movement of electrons accepted now is admissible only for a direct current since direction of the movement of electrons doesn’t change. For alternating currents when direction movement of charges changes each half-cycle, such definition isn’t successful. It concerns currents of high frequency and ultrahigh frequency (microwave oven). The slow movement of charges defined from experiments on a galvanics convince that for a half-cycle of fluctuations of current, electrons manage to pass very small distance, for example at microwave oven frequencies distance passed by a charge for a half-cycle makes about several nanometers. In this case it is necessary to speak not about directed, and about vozvratno progress of charges. Nevertheless, «current goes». It is necessary to speak not about the directed movement of charges, and about the directed movement of energy along a chain.

It is necessary to recognize that electric current is the directed movement of energy of excitement of electrons. The offered approach doesn’t contradict any available experiment, including and Tolmena-Stewart’s experiment, and has some advantages of quantum zonal theory of electricity, keeping thus classical simplicity and presentation.

Keywords: electric current; Tolmena-Stewart’s experience; conductivity electrons; free electrons in metals; the classical.

1. Sivuhin D.V. Obshhij kurs fiziki. Izd. 4-e, stereotipnoe. — M.: Fizmatlit; Izd-vo MFTI, 2004. T. III. Jelektrichestvo. 656 s.

2. Jelektronnyj resurs http://physics.kgsu.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=203.

3. R.C. Tolman, T.D. Stewart (1917). «The electromotive force produced by the acceleration of metals». Physical Review 8 (2): pp. 97-116.

4. Parsell Je. Berkleevskij kurs fiziki. Jelektrichestvo i magnetizm. — M.: Nauka, 1972. 445 s.

5. Terleckij Ja.P., Rybakov Ju.P. Jelektrodinamika. — M.: Vysshaja shkola, 1990, 352 s.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

6. Ashkroft N., Mermin N. Fizika tverdogo tela. V dvuh tomah. T. 1. — M.: Mir, 1979. 399 s.

7. Born M. Atomnaja fizika. — M.: Mir, 1965. 479 s.