Из курса школьной физики всем известно, что электрический ток- это упорядоченное движение заряженных частиц. Например, электронов.
Электроны движутся в металле со скоростями очень даже небольшими, чем можно было ожидать. Из квантовой физики известно, что средняя кинетическая энергия свободного электрона в металле составляет около 5 эВ. Среднюю скорость теплового движения электронов можно вычислить с помощью формулы кинетической энергии. T=mv^2/2 => v=√(2T/m)=√(2*5*1.6*10^(-19)/9.1*10^(-31))~1.326*10^6 м/с = 1326 км/с. Это средняя скорость электронов в свободном состоянии, то есть скорость их хаотического движения в куске металла, когда они движутся внутри кристаллической решетки при отсутствии внешнего воздействия, перелетают от атома к атому, постоянно сталкиваясь друг с другом.
Но есть и другая скорость электронов. Этот когда они под действием внешнего электрического или магнитного поля все вместе перемещаются в проводнике от одного полюса (минус) к другому (плюс). В этом случае говорят, что в проводнике течёт электрический ток. При этом электроны продолжают относительно друг друга двигаться хаотично, как и до воздействия электромагнитного поля, но только они теперь "всей толпой" движутся ещё и от полюса к полюсу. Скорость такого массового движения составляет несколько долей миллиметра в секунду.
Размер между атомами кристалла равен 10(-10) м. Каждый атом металла в кристалле находится в виде иона и один его внешний электрон всегда свободен и участвует в проводимости. В сечении проводника 1 мм^2 расположено 10^14 атомов металла, а значит, в результате движения электронов под действием поля это сечение в любой момент времени пересекает 10^14 электронов. Величина плотности тока в проводах примерно равна 1А/мм^2, а в обмотке генератора электрического тока значительно, раз в 10, если не больше, выше. При токе в 10 А вышеуказанное сечение в 1 мм2 каждую секунду пересекает поток электронов в виде воображаемого цилиндра высотой 10/(10^14*19^(-19))=10^6 ангстрем=10^(-4м).
Таким образом, скорость хаотического движения электронов в проводнике составляет порядка 1300 км/с, плюс-минус, а скорость упорядоченного движения "электронного газа" в проводнике под воздействием электрического поля примерно равна 0.01 мм/с, а в проводниках электрических машин - в десять раз больше - 0.1 мм/с.
Сейчас я приведу цитату из школьного учебника - определение электрического тока и скорости электрического тока.
"Электрический ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Провод является проводником электрического тока. Ток по проводнику движется со скоростью света, то есть триста тысяч километров в секунду."
Чувствуете логику? Заряженные частицы движутся со скоростью 0,01 мм/с, а ток, который и есть движение этих заряженных частиц, у нас имеет скорость, равную скорости света!
Я думал об этом. И вот что получилось. Ток в понимании "ток - электрическая энергия", вообще не движется по проводнику. Электрическая энергия возникает в проводнике не просто за счёт движения, а за счет сонаправленного движения электронов в нем. Здесь необходимо привести к единому знаменателю понятия, которыми люди описывают явление под названием "электрический ток". Итак, выше было показано, что электроны в металле под воздействием электрического поля движутся с очень маленькой скоростью и о никакой скорости света здесь говорить не приходится. Откуда тогда берётся такая высокая скорость распространения тока? Когда вы сидите в поезде на станции, а на соседней ветке вдруг начинает трогаться товарный состав, вы слышите, как за три-четыре секунды по составу из пятидесяти вагонов пролетает звук толчка от локомотива. Это так называемый импульс движения. Локомотив толкает за собой первый вагон, тот в сцепке - второй и так далее. Движение каждого следующего вагона происходит через доли секунды, так как в сцепке имеется люфт и его надо преодолеть. Все эти доли превращаются в несколько секунд, поэтому локомотив ещё еле движется, а вагоны уже все едут, и вы услышали импульс движения. Так же и в металле. Электроны при возникновении ЭДС (электродвижущей силы) толкают друг друга, передавая импульс движения. А так как расстояние между ними ничтожно мало (люфт маленький), то этот импульс движения передаётся почти мгновенно и сравним со скоростью света. Этим обстоятельством и определяется скорость, правильней будет говорить, распространения электрической энергии. Казалось бы, хорошее объяснение, но не тут-то было. Ну передался импульс движения, а дальше-то откуда энергия тока берётся? Так вот, при приложении к проводнику ЭДС от источника питания электроны в проводнике начинают двигаться, неважно пока, с какой скоростью, но важно, что с началом движения вокруг проводника возникает электромагнитное поле и возникает оно только там и только тогда, когда электроны начинают двигаться по проводнику более или менее упорядоченно в одном направлении. ЭДС понуждает электроны двигаться в одном направлении, а внешниеи силы (атомная решетка, столкновения между самими электронами, внешние поля) противодействуют этому. Чем сильнее ЭДС, тем мы имеем более упорядоченное движение. То есть, от соотношения различных факторов меняется коэффициент соотношения хаотического и упорядоченного движения. Очевидно, что-то происходит с электронами, когда они под воздействием поля начинают двигаться более или менее одинаково в одном направлении.
ЧТО?
Ответ лежит на поверхности. Предлагаю каждый электрон рассматривать как единичное гармоническое колебание. По аналогии с единичной окружностью в математике. Ведь все-равно электрон, это не песчинка какая-нибудь, а это и есть как бы сгусток энергии. Так вот, когда электроны начинают двигаться в одном направлении, эти единичные гармонические колебания начинают складываться по принципу суперпозиции, так как фазы этих колебаний начинают приближаться к единому началу, а, следовательно, и амплитуды колебаний начинают складываться в большей степени, чем когда они взаимовычитаются при хаотическом движении. А это все возможно только в двух случаях, по крайней мере, видимым сейчас.
ПЕРВЫЙ: это предположение, что электроны должны вращаться вокруг своей оси. В этом случае внешнее поле не только заставляет двигаться электроны в одном направлении, но и выравнивает их плоскости вращения параллельно движению. Чем меньше угол между плоскостью вращения и направлением движения электронов, тем ближе фаза колебания к нулю. Если эти плоскости выравнены на сто процентов, сложение амплитуд единичных гармонических колебаний будет стопроцентным, Если есть какое-то рассогласование, (а это значит, фазы не согласованны) то сложение будет не полным. Представьте себе, что у автомобиля код днищем тысяча колесиков. Если они вращаются в одном направлении, автомобиль едет правильно. Если часть колесиков повернута относительно направления движения в разные стороны, то мощность хода уменьшается. Если колесики все рассогласованы, машина и вовсе стоит на месте, то есть тока нет.
ВТОРОЙ СЛУЧАЙ: внешнее поле старается выровнять не плоскости вращения непосредственно электронов, а плоскости орбит их вращения вокруг атомов параллельно направлению движения электронов под действием поля. Оба случая друг другу не мешают, так как в обоих происходит сложение единичных гармонических колебаний. Просто во втором случае этим единичным колебанием будет не оборот электрона вокруг своей оси, а оборот электрона вокруг атома. Все остальные выводы - одинаковы. Нельзя исключать даже сочетание этих двух случаев.
Из всего вышесказанного следует вывод: исторически в понятие "электрический ток" вкладывались все проявления этого явления. Это и движение заряженных частиц, это и возникновение электромагнитного поля вокруг проводника, по которому течёт ток, это и воздействие поля на внешние объекты, в том числе и на нас с вами, это и воздействие трения электронов на, например, нить накаливания в лампочке и так далее. И все это подводилось под движение электронов в проводнике. На самом же деле - да, электроны движутся. Но внешнее поле (ЭДС) заставляет их не только двигаться в одном направлении, оно тем самым выравнивает их плоскости вращения параллельно и сонаправленно их движению, тем самым создавая условия для сложения единичных гармонических колебаний по принципу суперпозиции, а соответственно, и сложению энергий этих единичных колебаний. В результате этого сложения возникает электромагнитное поле, которое распространяется вдоль проводника со скоростью распространения импульса движения, когда ЭДС заставляет последовательно двигаться электроны, толкая друг друга, в момент приложения (возникновения) ЭДС. Это и есть скорость распространения электрического тока.
Итак, результатом воздействия ЭДС на проводник является сонаправленное движение электронов по проводнику с небольшой скоростью и выравнивание плоскостей их собственного вращения в направлении сонаправленного движения и в результате этого возникающее электромагнитное поле за счёт сложения энергий каждого электрона. И поле и движующиеся электроны по разному воздействуют на, например, нагрузку в цепи, то есть, на разные типы нагрузки, но в СОВОКУПНОСТИ это и есть то, что мы называем электрический ток.
P.S. Понимая это, можно предположить, что возможно создать, таким образом, например, электромагнитный лазер за счёт когерентного накопления энергий электронов. Если создать условия для стопроцентного выравнивания осей их вращения в проводнике, а сам проводник будет иметь вид плоскости. Тогда будет сформирован электромагнитный луч большой мощности, и чем больше площадь плоского проводника, тем уже будет луч.
PS2: Уважаемые читатели!
После опубликования статьи появилась реплика. Ответ на нее оказался хорошим расширением и дополнением статьи, но без самой реплики - непонятным, зачем это дополнение необходимо. Поэтому, я решил под PS2 дополнить статью, опубликовав и саму реплику и ответ на неё.
Реплика:
"GAZ Задворный
Электроны в атомах не вращаются. Это стоячая волна.
Кстати, лазер и есть источник когерентного эл. магн. излучения. Где накопление энергии согласовано ( когерентно) излучающей средой".
Ответ на реплику:
Уважаемый оппонент. Позвольте с Вами не согласиться. И всё-таки они (электроны) крутятся! (Слава Богу, сегодня меня не сожгут на костре за эти слова). Старина Луи де Бройль всего лишь только предложил РАССМАТРИВАТЬ электроны, как стоячую волну, а не потому что они и есть на самом деле суть стоячая волна. А предложение такое вполне справедливо для расчётов, потому что электроны движутся вокруг атомов с такой потрясающей скоростью, что время между состояниями электрона в диаметрально противоположных точках орбиты ничтожно мало. Отсюда можно говорить, что для нашего человеческого восприятия электрон как-бы находится одновременно во всех точках его орбиты. И его движение вокруг атома напоминает облако определённого уровня. И таких уровней несколько. (Смотри таблицу Менделеева).
Что касается электромагнитного лазера. Вы, когда говорите о лазере, имеете ввиду лазер видимой части спектра электромагнитного излучения. Банально - световой лазер. Которым еще шалил инженер Гарин и в маломощном варианте сегодняшние дети играют, лазерные указки. Я же говорю о трёхмиллиметровых волнах, те, что используются в ЗРК или в микроволновке. Ещё в далёкие советские времена велись разработки по созданию такого оружия. Оно представляло из себя огромную, километр на километр фазированную антенную решетку, элементы которой состояли из небольших квадратных антенн со стороной один метр. Каждый элемент давал свой луч, все лучи с помощью специальной вычислительной машины, вычисляющей свой сдвиг фазы для каждой антенны, фокусировались на одной цели. За счёт сложения микроволнового излучения в одной точке, цель на дальности до сорока километров сгорала за доли секунды. Но для уничтожения одной цели требовалась энергия, сравнимая с энергией ДнепроГЭС за год. Оказалось просто нерентабельно. Вот я и говорю, что в моём случае это возможно с помощью всего лишь одной маленькой антенки.