Скорость распространения электричества в проводнике. С какой скоростью двигается электрон

Банальный если не риторический вопрос, не правда ли? Все мы в школе учили физику и хорошо помним, что скорость электрического тока в проводнике равна скорости распространения фронта электромагнитной волны, то есть равна скорости света. Но ведь на тех же уроках физики, нам показывали и кучу интересных опытов, где мы могли сами во всем убедиться. Вспомним хотя бы замечательные опыты с электрофорной машиной, эбонитом, постоянными магнитами и т.д. А вот опыты по измерению скорости электрического тока не показывали даже в университете, ссылаясь на отсутствие необходимого оборудования и сложность данных экспериментов. За последние несколько десятков лет прикладная наука сделала огромный рывок вперед и сейчас у многих любителей есть дома та аппаратура, о которой несколько десятков лет назад не мечтали даже научные лаборатории. А потому пришла пора начинать показывать и опыт по измерению скорости электрического тока, что бы вопрос был закрыт раз и навсегда в лучших традициях физики. То есть не на уровне математики гипотез и постулатов, а на уровне простых и понятных каждому экспериментов и опытов.
Суть эксперимента по измерению скорости электрического тока проста до безобразия. Возьмем провод, определенной длинны, в нашем случае 40 метров, подключим к нему генератор сигналов высокой частоты и двухлучевой осциллограф один луч соответственно к началу провода, а другой к его концу. Вот и все. Время, за которое электрический ток пройдет по проводу длиной 40 метров составляет около 160 наносекунд. Сдвиг именно на это время мы и должны увидеть на осциллографе между двумя лучами. Посмотрим теперь, что же мы видим на практике

То есть как мы увидели, никакой задержки в 160 наносекунд в нашем случае нет. И именно в нашем случае мы не смогли измерить скорость электрического тока, т.к. она оказалась на несколько порядков больше и не поддается измерению такими приборами. Может быть, у нас провода были сврхнанотехнологичные, или наш электрический ток просто не знал, что он обязан задержаться на 160 наносекунд в проводе? Но что есть, то есть.…
Большинство людей ассоциируют электричество с молнией с детства, и это приводит к заблуждению, что электроны и электричество движутся со скоростью света. Или почти. Хотя электромагнитная волна энергии действительно путешествует через проводник на скорости от 50 до 99 процентов световой, важно понимать, что сами электроны движутся очень медленно, не быстрее чем на пару сантиметров в секунду.
Точно так же, когда вы слышите звук с 300 метров, давление воздуха в ухе вызывается не смещением молекул от источника, а скорее волной сжатия, которая проносится рябью и затрагивает все молекулы воздуха между вами.
Электричество имеет нулевую массу или вес
Поскольку разглядеть электричество невооруженным глазом невозможно, легко предположить, что электричество - это просто энергия, которая течет из точки А в точку Б и не имеет массы или веса. В некотором смысле это верно: электрический ток - как река - не имеет массы или веса. Тем не менее электричество - это не просто форма невидимой энергии, это поток заряженных частиц - электронов - которые имеют массу и вес.
К сожалению, этот вес совершенно незначительный, а контур имеет круглую форму, поэтому вы никогда не соберете много электронов в одном месте. Наконец, поток заряженных частиц продвигается со скоростью нескольких сантиметров в секунду, но об этом позже.

Скорость распространения электрического тока.. Скорость движения носителей зарядов в электрическом поле.. От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?.. Тепловое действие тока..

При изучении электрического тока часто возникают трудности понимания процессов, которые происходят на атомарном уровне и недоступны нашим органам чувств - электрический ток нельзя увидеть, услышать или пощупать. Это порождает целый ряд вопросов, в частности: почему проводники нагреваются? Какова скорость электронов в проводнике и от чего она зависит? Почему, когда мы нажимаем на выключатель, лампочка загорается практически мгновенно? Попробуем вместе разобраться и ответить на эти и другие интересующие вас вопросы.

Почему лампочка загорается практически мгновенно?

Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока » и «скорость движения носителей заряда » - это не одно и то же.

Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая примерно равна скорости света (≈ 300 000 км/сек) . Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.

Движение носителей заряда (в проводнике - это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно , со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду , поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.

Но дело в том , что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.
При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью, близкой к скорости света), которое начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.

Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения - вот и светит лампочка.

В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.

От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?

Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока : небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает бо льшую скорость.

На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника . Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).

Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.

Тепловое действие тока

Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно .
При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.
Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

В случае переменного тока имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.
При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической решетки. При достаточно больших значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).

Почему лампочка загорается практически мгновенно?

От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?

Тепловое действие тока

– есть единичная напряженность электрического поля проводника (квант напряженности), который по физической сути есть отношение продольной силы электрино к его заряду.

– гиромагнитная постоянная электрино.

Отличается от скорости света всего на 3,40299%, но отличается. Для техники прошлого века это отличие было неуловимым, поэтому в качестве электродинамической постоянной приняли . Однако, спустя 4 года после публикации своей знаменитой статьи по электродинамике, в 1868 году, Дж. Максвелл усомнился в этом и с участием ассистента Хоукина перемерил ее значение. Результат , который отличается от истинной электродинамической постоянной всего на 0,66885%, остался никем непонятым, в том числе и самим автором.

Орбиты электрино в поперечном к оси проводника сечении расположены одна над другой, образуя пакет электрино вихря или один электрино вихрь. Внешние и внутренние электрино в пакете движутся с одинаковой продольной скоростью .

Каждая частица развивает напряжение ;

( – электрическая постоянная), а их совокупность в пакете – напряжение линии. Квант магнитного потока есть отношение напряжения одного электрино к его круговой частоте

Отсюда напряжение линии .

Магнитный поток проводника .

– квант продольного смещения напряжения.

Магнитная индукция есть плотность магнитного потока, отнесенная к сечению элементарной траектории вихря

– шаг вихря; расстояние между пакетами; расстояние между орбитами – то есть расстояние между частицам – электрино.

Максимальная индукция – при плотно сжатых электрино, когда – диаметру электрино,

технически никогда не достижима, но является ориентиром, например, для Токамака. Недостижимость объясняется сильным взаимным отталкиванием электрино при их сближении: так, при механическое напряжение в магнитном потоке составит , до которого сжать магнитный поток ныне не под силу.

Напряженность магнитного поля есть отношение кольцевого тока к межорбитальному расстоянию в пакете.

Если - частота прохождения электрино вдоль проводника через данное сечение при единичном токе , то . Число частиц электрино, принимаемых за единицу времени будет (постоянная Франклина). Тогда: единица тока в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина. Также и: единица количества электричества в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина.

Если по параллельным проводникам ток течет в одном направлении, то наружные вихревые поля системы из 2-х проводников сливаются, образуя общий вихрь, охватывающий оба проводника, а между проводниками из-за встречного направления вихрей плотность магнитного потока уменьшается, вызывая снижение положительного напряжения поля. Итогом разности напряжений является сближение проводников. При встречном токе плотность магнитного потока и напряженность растет между проводниками, и они взаимно отталкиваются, но не друг от друга, а от межпроводникового пространства, более насыщенного энергией вихревых полей.

Для тока ведущая роль в проводниках принадлежит атомам поверхностного слоя. Рассмотрим алюминиевый проводник. Его особенностью является оксидная пленка . И физики, и химики эту молекулу считают электронейтральной на том основании, что атомы алюминия и кислорода взаимно компенсируют валентность друг друга. Если бы это было так, то алюминий не мог бы проводить электричество, а он проводит, и проводит хорошо, значит, обладает избыточным отрицательным зарядом.

Анализ показывает, что атом содержит один избыточный электрон при дефиците электрино, обусловливающие ему значительный избыточный заряд отрицательного знака:

где – недостающее число электрино в атоме алюминия;

– атомная масса,

Атомное число алюминия.

Каждые две молекулы содержит 3 электрона связи.

Нижний радиус надпроводниковой части вихря можно принимать равным половине межатомного расстояния – периода решетки электропроводящего материала:

( – масса атома; – его плотность).

Круговая частота вихря также определяется через :

Здесь: – секториальная скорость для ;

– радиус проводника;

– электростатическая постоянная.

Аналогично закону Ома запишем .

Из видно, что есть население одной орбиты частицами – электрино, следующими по ней след в след;

Проиллюстрируем расчет параметров для алюминиевого проводника (радиус ) с постоянным током при напряжении .

Секториальная скорость

Круговая частота вихря ()

Продольная частота электрино

Напряжение, развиваемое одной траекторией электрино:

Шаг вихревого пакета

Кольцевой ток одного электрино пакета

Полное число электрино в вихревом пакете

Население орбиты частицами – электрино

Число орбит вихревого пакета

Напряжение линии, развиваемое одним пакетом – элементом вихря:

Ток линии

Мощность линии

Толщина вихря

Внешний радиус вихря

Продольная составляющая магнитного поля проводника

Индукция линии

где – магнитная постоянная;

– относительная магнитная проницаемость .

Нормальная составляющая вихревого магнитного поля проводника:

Как видно, электрический ток и магнитное поле являются свойствами вихревого электрического поля.

Началом деструкции линии электропередачи служит появление коронного свечения. При приближении механического напряжения вихря к значению модуля Юнга проводника амплитуда колебания внешних атомов возрастает до критического значения, при достижении которого начинается высвобождение из них избыточных электронов, которые тут же обращаются в электроны-генераторы и приступают к ФПВР, сопровождаемому излучением света в видимой области спектра. В основе коронного свечения проводника и свечения нити лампы накаливания лежит одно и то же явление – ФПВР, запускаемый столкновительным взаимодействием вихря с атомами нити и проводника.

Удельное сопротивление проводника определяется его параметрами: периодом решетки и диаметром глобулы :

Ширина межатомного канала.

Это подтверждается расчетом по фотографии золота, совпадающим с фактически значением. Часть электрино рассеивается при столкновениях с атомами проводника, что определяет КПД линии электропередачи. КПД пропорционален температуре: .

Это уже достигается при сверхпроводимости, но полной сверхпроводимости не может быть из-за рассеяния электрино. Сверхпроводимость объясняется скачкообразным уменьшением нулевого колебания атомов (в 85 раз для ) и перестройкой кристаллической решетки (в 4 раза увеличивается межатомный канал), поэтому удельное сопротивление уменьшается на 5 порядков. Незатухающий ток сверхпроводимости объясняется магнитным полем Земли. Поскольку сопротивление все же больше нуля, то без магнитного поля Земли ток затухает.

Несколько экзотической иллюстрацией электрического тока является излучение лазера, хотя его излучение считают оптическим. Например, в неодимовом лазере с энергией импульса и продолжительностью , протяженность импульса ;

число вихревых пакетов на импульсе ;

число орбит вихревого пакета ;

структурное сопротивление луча ;

население одной орбиты (~на 3 порядка больше, чем в ). Эти расчеты выполнены по новой теории без противоречий с фактами. Что же происходит в лазере?

Лучи света в активном элементе многократно отражаются, что приводит к полной деструкции луча белого света. Образуется большое количество электрино, вошедших с лучом фотонами. Одновременно часть осевых полей элементарных лучей после тоже многократного отражения формирует объединенное осевое поле резонатора и через выходное зеркало уходит в пространство с бесконечной скоростью. Свободные электрино устремляются к осевому отрицательному полю. В начале вокруг осевого поля они движутся беспорядочно; затем приобретают вращение в одну сторону, и формируется нормальный вихрь. Факт сложения модулей одноименных электрических полей подтверждается суммарным зарядом осевого поля лазера данной установки. Как уже видно – лазерное излучение – это электрический ток по идеальному сверхпроводнику – электронному лучу. Но есть еще несколько примеров, отличающих лазерный луч от светового. Так, скорость распространения лазерного луча по световоду является обратной функцией частоты, то есть высокочастотный луч по световоду распространяется с меньшей скоростью, чем низкочастотный; для естественного света картина обратная.

Лазерный луч, как и проволочный ток, легко модулируется; световой – нет. Лазерный луч распространяется со скоростью электрического тока ; световой со своей скоростью (фиолетовый) .

КПД традиционных лазеров никогда не будет высоким в виду многоэтапности процесса и потерь: сначала нужно добыть свет, затем его разрушить, потом из обломков собрать осевое электронное поле и нанизать на него остатки фотонов. Предлагается электрический ток с металлического проводника переводить сразу на сверхпроводящий проводник – осевое электронное поле, создаваемое каким-либо прибором, например, магнетроном. Тогда КПД лазера будет не меньше 90%. Поскольку вихрь электрино легко проходит туда и обратно (металлический проводник осевое электронное поле), то можно осуществить, например, беспроволочную линию электропередачи и другие использующие это свойство установки, в том числе, электрогенераторы с ФПВР, которые возбуждаются электрическим разрядом, химической реакцией, горением, электронным пучком и т.п.

Электрический аккумулятор

Электрический, например, свинцовый аккумулятор как раз является таким устройством, в котором ФПВР возбуждается химической реакцией.

В пристенном слое свинцовой пластины-анода, имеющей отрицательный избыточный заряд происходит реакция

Перекись водорода тут же диссоциирует, образуя пристенную плазму:

Три электрона-генератора на 4 положительных иона сразу начинают ФПВР. Образуется порядка электрино на один электрон. Они вступают во взаимодействие с отрицательным потенциалом пластины и переходят в орбитальное движение вокруг анода, затем через клеммы на проводник к потребителю. Часть неиспользованного тока возвращается на катод, другая часть рассеивается у потребителя в пространство, в основном, в виде тепловых фотонов. Напряжение анодного вихря на выше катодного (там плазмы нет), чем обеспечивается движение электрино – от большого напряжения к меньшему.

Атомы Н обращаются в нейтроны и выбывают из игры. Атомам кислорода, испытавшим дефект массы уже не образовать молекулу ввиду утери 82% своего положительного заряда. Эти атомы, соединяясь с отработавшими электронами-генераторами, образуют ионы . Остальные электроны-генераторы связывают положительные молекулы воды в () – . Отрицательные ионы , , у анодной пластины с положительными электрино образуют барьер. Электрино разбиваются на вихри вокруг отрицательных ионов как вокруг атомов в металлических проводниках и по ионной дорожке – токопроводнику следуют от катода к аноду. При зарядке аккумулятора картина – обратная. Львиная доля зарядного тока расходуется на нейтрализацию отрицательных ионов.

Как видно, источником электрино является вода, она расходуется; и сохраняется неизменными. Однако при смене электролита выбрасывается и кислота. При зарядке полной нейтрализации не происходит, что обеспечивает ионную электропроводность раствора. Но есть опасность полной нейтрализации и выхода аккумулятора из строя.

Строение атома

Атом состоит из нейтронов со слегка разбалансированными зарядами. Нейтрон описан выше в §2. Протонов нет, как нет и орбитальных электронов, поэтому порядковый номер элемента не несет смысловой нагрузки. Нейтроны и атомы – это электростатические системы, ничто в них не движется. Как было выше указано, уточнены атомные массы элементов и атомные числа, которые округлены до целого числа нейтронов.

Сложившиеся представления о валентности не соответствуют фактам. Так, валентность группы щелочных металлов считают одинаковой и равной +1. Но хорошо известно, что эти металлы обладают не одинаковой химической активностью; их реакционноспособность возрастает от лития к цезию. Обратная картина наблюдается у галогенов: реакционноспособность резко уменьшается от фтора к астату при, как считают, единой валентности группы, равной –1.

Как было показано выше, нет иных взаимодействий, кроме электростатического и электродинамического, и химические реакции также входят в этот класс взаимодействий. И именно величина и знак избыточного заряда определяют химическую активность элемента и его отношение к другим реагентам. Как было показано на примере углерода и других элементов валентность определяется свойствами этих элементов по несложным формулам. Знак заряда определяется по соединениям элемента и по его участию в реакциях.

Установление природы электрического тока и электропроводности металлов на атомном и субатомном уровне однозначно утвердило электроотрицательность атомов металлов и электроположительность диэлектриков. Полупроводники меняют эти свойства при изменении условий (температура) за счет электронов связи, которые при этом выходят за пределы кристаллической решетки.

Стало понятно, что все электроположительные атомы соединяются в молекулы с помощью электронов связи, и эти электроны надо учитывать по балансу в формулах химических реакций. При этом, как указывалось в §6, поверхность электроположительных полей превышает поверхность электроотрицательных полей на пять порядков. Поэтому связующим звеном между атомами в молекулах могут быть только электроотрицательные частицы – электроны связи. Этому способствует также то, что электрические поля структурных электронов заняты, во-первых, внутри нейтронов построением и удержанием их конструкции и, во-вторых, – внутри атомов скреплением нейтронов между собой. То есть на внешние электрические поля остается совсем немного заряда, да и тот, как видно, распределен на мизерной площади внешней поверхности атомов. Подавляющее преобладание электроположительной поверхности и приводит к тому, что соединение атомов в молекулы осуществляется только с помощью электронов связи.

Валентность подгруппы первой группы щелочных металлов периодической системы приведена в таблице 1. Она подтверждает установленные практикой факты реакционноспособности этих элементов. Валентность элементов 2-го периода также дана в таблице 1.

Кроме того, как оказалось, у благородных газов нет нарушения электронного состава – в этом их главная особенность; но электринный состав нарушен. Лишь у криптона и ксенона избыточный заряд достигает той величины, когда они способны вступить в химическое взаимодействие с самыми электроположительными элементами – кислородом и фтором.

Каждый период начинается с сильно электроотрицательных металлов (в начале – щелочной металл). Электроотрицательность постепенно уменьшается и типичные металлы, ближе к концу периода, заменяются элементами-полупровод-никами, а заканчивается период одним из галогенов – электроположительным элементом, типичным неметаллом.

Таблица 1

Валентность элементов

Маленький эпилог

На очень трудный и важный вопрос: откуда энергия? – теперь, как видно, можно дать однозначный ответ: энергия – из вещества, которое в принципе является аккумулятором энергии.

При этом энергия, участвуя в круговороте вещества, только меняет форму: кинетическая или потенциальная энергия элементарных частиц. Вещество же меняет только фазовое состояние: от элементарных частиц до композиционных тел, не меняя суммарной массы.

Задача: научиться получать эту энергию без ущерба для природы и человека. Этому и будет посвящена следующая часть монографии.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Когда мы говорим об элементарных частицах, в голову сразу же приходят световые скорости и мгновенная передача данных. Но поверите ли вы, что электрон на самом деле движется даже медленнее, чем обычная улитка? Попробуем устроить небольшое соревнование и наглядно доказать, что улитка сможет опередить электрон.

Итак, проведем сравнение конкурентов.

Улитка – это брюхоногое, обитающее в лесах, парках, лугах и близ водоемов. Питается дикими и культурными растениями. Носит на спине красивую раковину, в которой пережидает зиму.

Электрон – это отрицательно заряженная элементарная частица, «обитающая» в атомах всех химических элементов. Электроны любят «питаться» электрическим полем, под воздействием которого начинают упорядоченно двигаться в определенную сторону, создавая электрический ток и активируя подключенные к розетке телефоны.

Казалось бы, какое может быть сравнение скоростей между улиткой, ползущей по земле, и электронами, двигающимися в проводе? Ведь скорость улитки составляет не больше 3 м/ч, а Но всё-таки у улитки существует возможность опередить электрон в скорости, и произойдет это в тот момент, пока элементарная частица движется в проводнике.

На первый взгляд, кажется, что электроны двигаются в проводе с огромной скоростью — ведь когда мы нажимаем на выключатель, лампочка в комнате загорается мгновенно. Но на самом деле это не электроны бегут по проводу со световой скоростью, а электрическое поле (то самое, которым «питаются» электроны) распространяется по всему проводнику со скоростью света, заставляя электроны упорядоченно двигаться в одну сторону одновременно по всей длине провода.

А скорость движения самих электронов не такая уж и большая. Её можно вычислить по следующей формуле:

I= n·A·V·Q, где

I – сила тока;

n – количество электронов на кубический метр;

A – сечение провода;

V – скорость течения электрона;

Q – заряд электрона;

Например, сила тока равна 1 Ампер, количество электронов в медном проводе составляет 8.5 × 10 28 на м 3 , заряд электрона равняется 1.6 × 10 -19 , сечение провода возьмем 0,8 мм 2 .

Чтобы найти V, нам необходимо будет I поделить на n·A· Q. Произведя вычисления, мы получим результат, равный 1,4×10 -4 м/с. Это значит, что за одну секунду электрон проходит примерно одну седьмую часть миллиметра. Получается, час электрон сможет преодолеть расстояние, приблизительно равное 0,5 метра. Улитка же в это время, как мы помним, успеет преодолеть целых 3 метра.