Электричество течёт по проводам?

Человечество использует электричество в промышленных масштабах около 150 лет. Тем не менее, его природа всё ещё далека от полного понимания.

И это справедливо не только для простых людей, но и для учёных. Во всяком случае, короткого и всеобъемлющего определения данного явления так и не появилось. Вот пара цитат.

«Определять чётко, что такое электричество, в настоящее время не следует… И если сделать вывод, то сегодня мы чёткого определения понятия электричеству дать не можем.» (Копылов И.П.) ^[1],[2]

Если Вы не знаете профессора Копылова, то вот цитата другого исследователя, о котором Вы наверняка слышали, и который знал про электричество значительно больше, чем многие знают и сегодня.

«День за днем я задавался вопросом, что же такое электричество, и не находил ответа. С тех пор прошло восемьдесят лет, и я по-прежнему задаю себе тот же вопрос, но не в состоянии ответить на него.» (Никола Тесла) ^[3]

Общераспространённое представление об электрическом токе

Многие считают электричество и электрический ток одним и тем же, хотя это разные понятия. Также многие уверены, что электричество — это некий поток электронов, движущийся по проводам от источника питания (электростанция, генератор, батарейка, аккумулятор и т.п.) к электроприбору и приводящий его в работу. Почти как бензин в топливопроводе машины.

Но вот несколько причин, по которым данное представление не может быть верным (помимо того, что ток идёт не от «+», а от «-«).

• Скорость движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1,5 мм2 (стандарт для бытовой системы освещения) составляет… 0,05 мм/с. ^[4] На этом отрезке умещается более 100 тысяч атомов. Если представить их цепочкой бильярдных шариков, то они будут располагаться с дистанцией между ними примерно равным самим шарикам. Если бы энергия передавалась простым физическим столкновением электронов, им бы потребовалось некоторое время на передачу по цепочке импульса к движению. При такой скорости, после нажатия клавиши выключателя на стене, лампочка на потолке загорелась бы отнюдь не мгновенно.
• В отличии от батареек, в наших электросетях переменный ток. Это означает, что он постоянно меняет своё направление. Так что электроны в проводе вообще никуда не движутся. Они просто колеблются туда-сюда практически на одном месте. В России это происходит 50 раз в секунду.
• Проводов, идущих без разрывов от электростанции до наших домов, не существует в природе. На этом пути стоит множество подстанций с трансформаторами, в которых нет прямого контакта проводов. Электроны там физически не в состоянии перескочить с одной катушки на другую.
• Сегодня представление об электроне, как некой физической частице, в принципе находится под вопросом. Наука пересматривает традиционную модель атома с орбитами электронов. Квантовые физики говорят о вероятностном электронным облаке вокруг ядра, где электрон «размазан» по всему объёму.

Из всего этого можно сделать вывод, что не сами электроны приводят в действие электроприборы. Так что же, а главное каким образом течёт по нашим проводам?

Официальное определение электрического тока

Для начала посмотрим, как электрический ток объясняется в энциклопедиях. Вот первые два предложения из его определения в «Физической энциклопедии»:

«Электрический ток – направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т.п.). Количественно электрический ток характеризуется вектором плотности электрического тока…» ^[5]

Далее идут разъяснения, которые простому человеку будут мало понятны. Нам надо просто запомнить, что для электрического тока не обязательно нужны именно электроны. Электроны – это лишь один из возможных носителей, передающих заряды. И именно эти заряды являются электрическим током.

Теперь посмотрим более доступное для понимания определение в Википедии:

«Электрический ток или электроток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.» ^[6]

Тут надо обратить внимание на то, что скорость движения передаваемой энергии превышает скорость движения самих носителей заряда, достигая практически скорости света.

Из всего этого следует, что электрический ток – это вовсе не движение электронов по проводу. Более того, скорость его передачи не связана со скоростью и направлением движения электронов.

Электрический ток и электричество

Да и сам электрический ток и электричество — это разные понятия. Вот определение электричества из Большой Советской Энциклопедии:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов — электростатического поля; см. Электростатика). Движущиеся заряды (Электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме, т. о., является составной частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения. ^[7]

Т.е., электричество — это нечто большее, чем просто электрический ток, который является лишь одним из его проявлений.

А далее — самое интересное. Оказывается, электрическая энергия (не путать с электрическим током) вообще не передаётся внутри провода. Но чтобы это понять, ознакомимся немного с природой электричества.

Электричество и электромагнитные волны

В середине XIX века британский физик Джеймс Клерк Максвелл проанализировал все известные на тот момент формулы, описывающие явления электричества и магнетизма. Сегодня они свелись всего к четырём уравнениям. Но одно из них противоречило остальным. Чтобы привести его в соответствие, Максвелл чисто математическим путём добавил в него ещё одно слагаемое, перекликающееся с частью другого уравнения.

Так появилось математическое описание взаимодействия меняющихся в пространстве электромагнитных полей. Через несколько лет оно было подтверждено уже экспериментально другими физиками. Сегодня мы называем это явление электромагнитными волнами.

Длинна этих волн измеряется в сантиметрах или метрах, а частота колебания – в герцах (в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который был в числе подтвердивших выводы Максвелла экспериментальным путём). В зависимости от частоты колебания, электромагнитные волны охватывают весь спектр излучений от низкочастотных и радиоволн до гамма-излучения.

Выяснилось, что для передачи электромагнитных волн никакой среды (воздух, вода, металл) не требуется. Они передаются и в полном вакууме, как бы цепляясь друг за друга.

Электричество вокруг нас

Из вышесказанного, можно сделать два интересных вывода:

• Во-первых, электрическая составляющая есть во всех видах излучения, включая видимый нами свет.
• Во-вторых, для передачи энергии этой составляющей провода не являются обязательным условием. При желании, можно обойтись и без них. Но пока это будет сложнее.

Электричество не течёт внутри провода, как вода в шланге. И разрыв «шланга» не всегда означает прерывание передачи электричества. Ведь не сам поток электронов заставляет работать наши машины и приборы. Их приводит в действие энергия, которая передаётся электромагнитным полем, распространяющимся в пространстве вдоль провода.

Где передаётся энергия

Даже при проводной передаче электричества энергия передаётся вдоль провода, но не в нём самом. Вот фрагмент фильма «Основные физические понятия технической электродинамики» ^[8]:

«…энергия течёт в пространстве, окружающем провод, но не в самом проводе.»

В центре же проводника напряжённость поля (не путать с электрическим током и его напряжением) и вовсе равна нулю ^[9].

По мере проникновения вглубь проводника, амплитуда электромагнитных волн уменьшается. Это называется скин-эффектом ^[10]. В следствии этого, и плотность тока максимальна у поверхности проводника, в так называемом скин-слое. Его толщина определяется как материалом проводника, так и частотой тока. В медном проводнике при частоте 50 Гц толщина скин-слоя будет 9,34 мм, а при частоте 10 МГц — всего 0,021 мм ^[11]. Т.е., при частоте тока 10 МГц в проводе толщиной 2 мм будет фактически использоваться лишь поверхностный слой в две сотые миллиметра.

Скин-эффект работает при переменном и импульсном токах. При постоянном токе он не работает. Хотя и тут плотность тока неравномерна. Проводник нагревается током, но его центр отдаёт тепло хуже, чем поверхностные слои. Поэтому в центре температура выше. Соответственно, согласно закону Ома, и сопротивление в центре проводника выше, чем в его приповерхностном слое. А значит, и ток в центре проводника проходит труднее, чем у поверхности.

Из-за скин-эффекта при переменном токе надо учитывать не просто сечение проводника, а и его радиус. Если толщина скин-слоя меньше радиуса проводника, то тут будет важнее площадь сечения именно того слоя, а не всего проводника в целом. Поэтому, для больших радиусов и высокочастотных линий существуют полые провода ^[12], дающие больший диаметр без увеличения сечения и веса. Пустое пространство внутри таких проводов может использоваться и для устройства внутрипроводникового жидкостного охлаждения. Полые провода придуманы достаточно давно. Так, в СССР одна из заявок на патент устройства такого провода была подана ещё в 1928 году ^[13].

Заключение

Говоря об электричестве, следует разделять понятия электронов, зарядов, тока носителей этих зарядов, электро-магнитных волн и энергии. Все эти понятия тесно связаны между собой, но не одно и то же. Электричество — это совокупность взаимодействий всего вышеперечисленного, а не только электрический ток.

По проводам текут электрические заряды, что не равно току самих частиц, например, электронов. При переменном токе электроны вовсе никуда не текут, вибрируя на месте. А заряды текут, но не по всему сечению проводника, а в его поверхностном скин-слое. Но при постоянном токе электроны текут, причём по всему сечению проводника. Заряды приводятся в движение электромагнитным полем, для распространения которого наличие проводов (или любой другой среды) не является обязательным условием. Электромагнитные волны передаются и в вакууме. Поэтому, и разрыв провода в катушках трансформатора не является проблемой. Электрическая энергия и электрический ток — это не одно и то же. Энергия передаётся вдоль поверхности провода, но не в нём самом (в отличии от тока).

Полного и всеобъемлющего описания электричества на данный момент всё ещё не существует. Представление большинства людей об электричестве, как неком потоке электронов, текущих внутри непрерывного провода, как вода в шланге, и приводящем в движение наши приборы и машины, является заблуждением.

Сам же проводной способ передачи электричества экономически эффективен при использовании электромагнитных волн частотой 50-60 герц. И эту частоту нельзя увеличивать бесконечно. После определённого предела провод превратится в антенну, излучающую энергию во все стороны в виде радиоволн. В конечном итоге, лампочка на другом его конце просто не сможет гореть. Зато в будущем мы вполне сможем получать энергию для неё и вовсе без проводов. Электричество повсюду вокруг нас. Вспомните про солнечные панели, которые превращают в электрический ток электромагнитные волны оптического диапазона, излучаемые Солнцем

Примечания и ссылки:

1. Копылов Игорь Петрович (1928-2014), доктор технических наук, профессор, почетный профессор кафедры «Электромеханика» Московского энергетического института, Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР. Почётный академик Инженерной Академии РФ, почётный академик Академии Электротехнических Наук РФ.
2. Интервью И.П. Копылова, начиная с отметки 7:30.
3. Сейфер Марк, «Никола Тесла. Повелитель вселенной», издательство «Яуза», 2007 г., стр.14.
4. Физика металлов. Расчет скорости движения электронов в металлах.
5. «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 5, стр. 515.
6. Википедия, статья Электрический ток.
7. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, том. 30, стр. 48, стлб. 130.
8. «Основные физические понятия технической электродинамики», «Леннаучфильм», 1978 г., отм. 10:50.
9. Образовательный портал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», видео 2.4.
10. Скин-эффект, «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 4, стр. 541.
11. Википедия, статья Скин-эффект.
12. Портал «Большая Энциклопедия Нефти и Газа», статья «Полый провод».
13. Портал «База патентов СССР», патент №17464.

Вам могут понравиться и другие подобные статьи, например:

1. Человек на 80% состоит из воды и на 99% из пустоты?
2. Вес и масса, или как взвешивать картошку на Луне
3. Холодный космос

Поделиться ссылкой: