Все мы воспринимаем силу тока (I, A) как количество электрического заряда (q, Кл), прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени (Т, с):
I = q/Т, Кл/с или А (Ампер).
Причём, в соответствии с первым правилом Кирхгофа, сила тока в неразветвлённой цепи должна быть одинаковой на всех её участках. Значит, электрические заряды в этой цепи должны быть равномерно распределены по всей длине проводника.
Это значит, что через любое поперечное сечение проводника на неразветвлённом участке цепи должно проходить в единицу времени одинаковое количество электрических зарядов. Исходя из этого, можно предположить два варианта движения электрических зарядов в проводнике:
Первый вариант – сила тока зависит от количества свободных зарядов, принимающих участие в движении. Следовательно, при малом токе участие в движении должны принимать не все имеющиеся в проводнике свободные заряды. Тогда возникает вопрос, почему одни заряды принимают участие в движении, а другие нет? Чем первые отличаются от вторых?
Второй вариант – в движении участвуют все имеющиеся в проводнике свободные заряды, а сила тока прямопропорциональна скорости их движения (больше скорость – больше и сила тока). Однако, нам известно, что реальный дрейф электрических зарядов в проводнике не превышает нескольких сантиметров в секунду.
Однако, имеется ещё один весьма неудобный вопрос: какой путь преодолевает электрический заряд, проходя через поперечное сечение проводника, если сила тока минимальна или, наоборот, максимальна?
И таких неудобных вопросов много. К примеру, считается, что в кинетическую энергию заряженной частицы превращается не потенциальная энергия внешнего поля, а якобы часть собственной энергии частицы, то есть, уменьшается энергия связи между протоном и электроном. Эта концепция сразу же увлекла «физико-математиков» и мы теперь убеждаем школьников, что электричество в проводниках переносится только свободными электронами.
Для переноса электричества, дескать, непременно требуется движение частиц с ненулевым зарядом, то есть, перенос электричества без переноса вещества – не бывает!
Однако Максвелл отнюдь не шутил. «Токами обычного вида» он называл перемещение заряженных частиц. Но он говорил ещё и о «токах смещения», то есть, о переносе электричества без переноса вещества и тепловых потерь. Правда, он не дал разъяснений, как такое возможно – но ток смещения входил в его уравнения на равных с обычным током.
Простые и понятные ответы на эти вопросы можно получить, если надуманный процесс линейного движения зарядов заменить обычным колебательным процессом. Тогда сила тока будет равна произведению количества электрического заряда на частоту его колебаний или (что совершенно одинаково) – отношению количества электрического заряда на период его колебаний.
Вывод: Силой тока мы называем произведение электрического заряда на частоту его колебаний.
Математически это определение соответствует общепринятому, но физический смысл уже совершенно иной. Теперь сила тока зависит не только от количества электрического заряда, но и от частоты (или периода) его колебаний. То есть, – от длины волны, которая, кстати, и определяет искомый «путь» электрического заряда при его «прохождении» через поперечное сечение проводника.
Но, для начала давайте выясним, куда направлен электрический ток. Если это движение электронов, то есть частиц, заряженных отрицательно, то по логике электроны должны течь оттуда, где их много (избыток), туда, где их мало (недостаток). Но там, где избыток электронов, должен быть знак «минус», а где их недостаток, – «плюс». Однако мы считаем, что электрический ток направлен, наоборот, от «плюса» к «минусу».
Разобраться в этом нам поможет энергия электрического поля (W, Дж). Если эту энергию отнести к единице электрического заряда (1 Кл), то получим электрический потенциал (U, В), который мы обычно называем напряжением:
U = W/q, Дж/Кл или В (Вольт).
Электрический потенциал – величина скалярная, но его градиент является векторной величиной и называется напряженностью электрического поля:
E = – grad U, Дж/(Кл*м) или В/м.
Направление вектора напряжённости электрического поля, как раз, и указывает нам направление электрического тока, точнее – направление диполей (точнее – дипольного момента) в проводнике.
Справка: Диполь (от ди... и греч. pólos – полюс) электрический, совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых зарядов, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. Основной характеристикой электрического диполя является его дипольный момент – вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному и численно равный произведению заряда е на расстояние l между зарядами: р = el. Дипольный момент определяет электрическое поле диполя и воздействие на диполь внешнего электрического поля.
Для наглядности представим диполь, как пружину, один конец которой капитально закреплен. Захватим свободный конец этой пружины и начнём его оттягивать, пока он не выскользнет из захвата и не вернётся в исходное положение. Вновь осуществляем захват этого конца и оттягиваем. И вновь выскальзывание и возврат к месту захвата. В результате получаем периодические колебания пружины и, чем надёжнее захват, тем больше растягивается пружина до момента «выскальзывания», тем сильнее она «сопротивляется» внешнему воздействию и тем больше длина растяжения или «длина волны».
Теперь эту аналогию применим к проводнику, к которому за счёт внешнего электрического поля приложена разность потенциалов. Находящиеся в проводнике диполи ориентируются по направлению напряжённости внешнего поля и под его воздействием растягиваются, накапливая потенциальную энергию. Через определённый период времени (период колебаний) соответствующие концы диполей «выскальзывают из захвата» и возвращаются в прежнее состояние. Запасённая диполем потенциальная энергия переходит в кинетическую, но электрическое поле вновь «подхватывает» и растягивает эти диполи.
В результате получаем периодические колебания диполей. Эти колебания передаются дальше по проводнику. Интенсивность растяжения диполей (равносильно электрическому заряду) определяется величиной напряжённости электрического поля, а надёжность захвата – электрическим сопротивлением (по аналогии – длиной волны).
Вывод: Частота колебаний диполей прямопропорциональна напряжённости электрического поля и обратнопропорциональна электрическому сопротивлению токопроводящей среды (практически – Закон Ома). То есть, сила тока – мера изменения электрического заряда во времени (градиент электрического заряда во времени).
Следовательно, в проводнике под воздействием внешнего электрического поля идёт периодический процесс накопления диполями потенциальной энергии, которая затем переходит в кинетическую энергию. Далее процесс повторяется, но электрическое сопротивление проводника приводит к уменьшению энергии внешнего поля (появлению теплоты в проводнике). Процесс изменения энергии мы называем работой. Значит, при прохождении электрического тока в проводнике, внешнее поле совершает работу, в результате которой проводник нагревается.
Теперь нам остаётся объяснить «ток смещения», который мы обычно рассматриваем между двумя токопроводящими пластинами (обкладками), разделёнными хорошим диэлектриком. Такое устройство мы называем конденсатором. Напряжённость внешнего поля между обкладками конденсатора растягивает диполи в диэлектрике, запасая в них потенциальную энергию.
Если сопротивление диэлектрика достаточно велико, то концы диполей не могут выскользнуть из захвата даже при максимально запасённой потенциальной энергии. В этом случае мы получим устойчивый электрический заряд конденсатора (разность потенциалов максимальна, а электрический ток равен нулю). Но, если мы изменим направление вектора напряжённости на 180 градусов, то диполи в диэлектрике тоже поменяют своё направление на противоположное (начнётся их движение). Период изменения направления вектора напряжённости является периодом колебаний диполей, то есть, между пластинами теперь течёт «ток смещения».
Если же напряжённость поля справится с сопротивлением диэлектрика, то концы растянутых диполей вырвутся из захвата и вернутся в исходное положение, но затем вновь будут захвачены и растянуты. То есть, даже без изменения направление вектора напряжённости начнутся собственные колебания диполей, которые передадутся дальше по диэлектрику. Это означает протекание по нему уже «обычного» электрического тока (произошёл «пробой» диэлектрика). Диэлектрик превратится в проводник.
Однако дрейф электрических зарядов всё же существует и зависит он от прошедшего в проводнике тока. Это подтверждает процесс электролиза, при котором Фарадеем в 1833–34 годах установлена связь между количеством электричества, прошедшего через электролит, и количеством вещества, выделившегося на электродах.
Причиной этого дрейфа является всё та же объёмная плотность потенциальной энергии поля или просто ДАВЛЕНИЕ (точнее – разность давлений). Ведь мы знаем, что из области повышенного давления в область пониженного давления устремлено всё сущее, в том числе и частицы вещества. Наряду с этим, разность давлений объясняет также и броуновское движение, эффекты Казимира и Ущеренко, прецессию орбиты Меркурия и даже Природу гравитации.