Кое-что о природе электрического заряда и электрического тока
Сочинить этот опус меня вдохновило видео с крутящейся ртутью в магнитных полях. Видео можно найти в сети. Тема природы электрического заряда и тока меня занимала давно. Честно сказать, я было уже отчаялся тут понять хоть что-то. Но труды наших энтузиастов от науки, вечных тружеников, искателей истины не дали мне отчаяться. Прежде всего, хочу поблагодарить Валерия Ивановича Пивоварова. Он дал ценные знания и указал путь. А также говорю спасибо другим работникам научного цеха. Этим опусом я вовсе не исчерпываю и закрываю тему, отнюдь. Здесь нет претензии на абсолютную истину. Тут - очередная попытка понять то, что не даётся пониманию не одно столетие. И если здесь есть хоть доля истины - это уже много.
Великая сила тока смещения. Перед Вами очень интересное видео. Вращение жидкой ртути в поле постоянного магнита и в магнитном поле проводника с постоянным током. А теперь вопрос: если магнитное поле проводника с током заменить кольцевым постоянным магнитом – будет ли вращение ртути здесь? Ведь магнитное поле постоянного магнита и магнитное поле проводника с током – подобны! Подобны, да не совсем! Напомню. Диполем в проводнике называется орбитальное (круговое) вращение валентного протона атома металла. Интересный момент: диполь один, но закрутки у него две (как смотреть): правая закрутка – плюс, левая закрутка – минус. В теле постоянного магнита диполи ориентированы в одном направлении, но не меняют положения в пространстве относительно друг друга. В проводнике – иначе. В замкнутом проводнике, при подаче электрического напряжения постоянного тока, диполи ориентируются в одном направлении и смещаются относительно друг друга, начинают колебаться около положения равновесия. Это колебание диполей и есть ток смещения. Чтобы лучше понять – что такое электрический ток и откуда он берётся, – можно провести несложный опыт. Возьмём круглый неодимовый постоянный магнит. Сделаем из медного провода замкнутое кольцо с диаметром чуть большим, чем диаметр магнита. Закрепим надёжно кольцо. Теперь рукой или каким-нибудь поступательно-возвратным механизмом будем двигать периодически, колебательно неодимовый магнит в кольцо и из кольца. Через какое-то время мы заметим, что медное замкнутое кольцо стало разогреваться. И чем дольше мы будем колебать магнит в кольце, тем сильнее будет оно греться. Что же происходит? Вводя и выводя магнит, мы раскачиваем диполи в контуре замкнутого проводника. Диполи раскачиваются от изменяющегося магнитного поля, производя так называемое разделение зарядов. Колеблющиеся диполи рождают вихревые возбуждения правой и левой закрутки, которые с большой скоростью убегают в противоположные стороны. Это то, что мы называем электронами и позитронами, и движение которых в замкнутом проводнике и есть электрический ток. Если бы медное кольцо было разомкнуто, то колебательное движение магнита раскачивало бы внешние, валентные диполи атомов меди, но электрического тока в проводнике не было, не было бы разогрева меди. Рождающиеся вихревые электроны и позитроны просто стекали бы с концов медного провода. В замкнутом контуре стекать им некуда, и они начинают «уничтожать» друг друга, аннигилировать, рождая тепло, а при больших энергиях – и свет. С точки зрения закона сохранения энергии, тут происходит превращение механической энергии колебательного движения магнита в энергию колебательного движения диполей внешних протонов атомов меди с рождением вихревых возбуждений правой и левой закрутки. Колебания диполя, что и есть ток смещения, неизбежно рождают вихревые волны. В нашем опыте с магнитом и медным кольцом создаётся переменный ток, периодически меняющий направление течения. Этот переменный ток можно «выпрямить», то есть оставить в токе одну составляющую. Ток получится пульсирующий, но зато направление потока вихревых возбуждений (электронов – вправо, позитронов – влево) станет одним. Вокруг такого тока будет существовать магнитное поле. Но, повторяю, магнитное поле вокруг проводника с током будет всё же отличным от поля постоянного магнита, где нет тока смещения. Взаимодействие поля постоянного магнита и магнитного поля проводника с током смещения заставляет жидкую ртуть вращаться, как вращается рамка с током в магнитном поле. В видео автор переворачивает постоянный магнит, и ртуть начинает вращаться в другую сторону. Но можно было поменять полярность проводов с постоянным током, и было бы тоже обратное вращение ртути.
Одной из самых больших заслуг Дж. К. Максвелла перед наукой является введение представлений о токе смещения. Ток смещения – альфа и омега электродинамики. Максвелл ввёл ток смещения, дабы гармонизировать уравнения теории электромагнитного поля. Существование тока смещения следует и из закона сохранения электрического заряда. Ток смещения – величина, прямо пропорциональная скорости изменения электрической индукции (скорости перемещения магнита в замкнутом контуре проводника). Речь идёт именно о раскачке диполей атомов проводника. Все атомы любого вещества представляют собой конструкцию из диполей. У инертных газов, у чётно-чётных ядер атомов диполи крепко связаны между собой и трудно поддаются раскачке изменяющимся магнитным полем или иным способом. А у металлов диполи внешних, валентных протонов не так сильно связаны с основной массой частиц атомного ядра, легко поддаются раскачке магнитным полем. Наведение тока смещения, раскачка диполя (в любой среде), как говорил, приводит к рождению вихревых образований левой и правой спиральности, которые мы воспринимаем как электроны и позитроны, иначе, приводит к разделению зарядов. Время жизни зарядов определено условиями их пребывания, накопления. Одиночные заряды живут краткое время, скоро нейтрализуются. Наводить токи смещения в веществе, раскачивать диполи можно разными способами: трением (янтарь и шерсть), сильным нагреванием, светом (фотоэффект), сжатием (давлением, пьезоэффект), химической реакцией, магнитным полем постоянного и электромагнита, электромагнитным полем. Везде мы получим в итоге разделение зарядов. И ещё надо сделать одно важное пояснение. При наведении тока смещения, при раскачке диполей возникают всегда электроны и позитроны, в отдельности друг от друга эти вихревые частицы не появляются. И если исчезают, то тоже вместе. Энергия исчезнувших электрона и позитрона превращается в энергию электромагнитного излучения.
Небольшое, но полезное отступление. Извините, но даже оргазмом мы обязаны току смещения Максвелла. Вспомните, как на уроке физики учитель трёт мехом эбонитовую палочку: туда-сюда, туда-сюда… Трением наводится ток смещения, приводящий к разделению зарядов. В УХМ-эффекте (утеха холостых мужчин) происходит тоже самое. Ток смещения приводит к разделению зарядов, которые скапливаются на обкладках конденсатора. Когда величина заряда становится критической – происходит разряд, пробой, то бишь – оргазм.
В заключение несколько слов о химических реакциях. Как известно с давних пор, родителями постоянного тока могут быть и химические реакции. В химических элементах постоянного тока энергия химической реакции разделяет и разводит заряды к аноду и катоду. К аноду – левовинтовые, к катоду – правовинтовые. В электролите есть перенос вещества, так называемых ионов. Ионы правовинтовые и левовинтовые, собираясь на своих электродах, делают таковыми и электроды, раскачивая диполи атомов металла электрода. При замыкании цепи (естественно, под нагрузкой) правовинтовые возбуждения колеблющихся диполей (электроны) идут к левовинтовому электроду, а левовинтовые возбуждения (позитроны) – к правовинтовому электроду. В цепи течёт постоянный ток. Но переноса вещества в проводнике нет. Есть колебания атомных диполей, которые передаются по проводнику со скоростью света и переносят энергию. Этой энергии хватает, чтобы восстановить баланс движения диполей в атомах реагирующих веществ. А теперь, если вы не заметили, я скажу вещь невероятную. В замкнутой цепи постоянного тока на самом деле текут сразу два тока – ток электронов в одном направлении и ток позитронов – в противоположном направлении. Энергию «конфликта» этих противоположных токов мы и используем в нашей жизни. Такой взгляд кажется невозможным, но на самом деле он многое объясняет в природе электрического тока.
Принести в этот мир понимание чего-либо – дело непростое. Честно сказать, я никогда не считал себя шибко умным. Но если мне удалось понять кое-что в электричестве, то и вы должны понять непременно! И если вы скажете себе: ёлки-палки, а ведь я тоже кое-что понял в электричестве! – это будет для меня высокой оценкой.
Борис Гуляев
Июнь, 2020 год.