Ильясов Ф. Н. Мощность потока электроэнергии в унитарной концепции электричества. М.: ИЦ Орион. 2021(a), октябрь. Препринт.
Аннотация
В статье, в рамках унитарной, квантовой теории электричества, рассматриваются понятия электрического поля, энергетического поля вещества, мощности потока электроэнергии. В качестве единицы измерения величины электрической энергии предлагается использовать единицу измерения энергии. Мощность потока электроэнергии в цепи задается разностью количества электричества на клеммах источника тока.
Ключевые слова: электрическое поле; электрическая энергия; мощность потока электроэнергии
Содержание
1. Введение
2. Основные исходные положения унитарной теории электричества
3. Величины и единицы измерения электроэнергии
4. Определение мощности потока электроэнергии
1. Введение
В теории электричества, как представляется, не являются полностью решенными вопросы понимания, интерпретации феноменов электричества, электроэнергии, электрического поля, энергетического (электрического) поля вещества, мощности потока электроэнергии.
В статье, в рамках унитарной, квантовой теории электричества, рассматриваются проблемы:
а) эмпирической интерпретации таких терминов как:
– электрическое поле;
– энергетическое поле вещества, электрическая валентность вещества;
– величина мощности потока электроэнергии;
б) измерение мощности потока электроэнергии.
Рассмотрение производится в рамках унитарной, квантовой теории электричества Бенджамина Франклина.
2. Основные исходные положения унитарной теории электричества
Подробнее об унитарной теории электричества см., например: [Франклин, 1956; Эпинус, 1951; Ильясов, 2019].
Энергия – это субстанция, представляющая собой потенциал температуры, движения, работы, взаимодействия. Существует в виде порций, квантов энергии, различающихся величиной энергии. Вероятно, самой простой и понятой формой энергии является тепловая энергия, кванты инфракрасного излучения.
Электричество, электрическая энергия, представляет собой мельчайшие порции энергии («флюиды»), кванты электрической энергии, электро-кванты.
Каждому телу (веществу) свойственно нормальное, естественное, удельное количество электро-квантов (точнее, количество электроэнергии). Если электро–квантов больше нормального, тело является избыточно заряженным, если меньше нормального – дефицитно заряженным.
Отклонение количества электро-квантов на теле от нормального называется электризацией. Величина электризации показывает, насколько количество энергии электро-квантов на теле отличается от нормального. Соответственно, выделяются избыточная и дефицитная электризация.
Электрическое поле, поле электро-квантов, есть свойство электро-квантов отталкиваться друг от друга (и от квантов магнитной энергии). Феномен взаимного отталкивания приводит к равномерности распределения электро-квантов на:
– соприкасающихся телах;
– на поверхности отдельного тела (с учетом его конфигурации);
– в пространстве.
Расстояние, на котором проявляются (фиксируются) энергии электро-квантов и магнито-квантов, Уильям Гильберт (1600) предложил называть термином «сфера действия», под которым понималось:
– все то пространство, на которое распространяется действие, взаимодействие магнитных и электризованных тел [Гильберт, 1956: 23].
В работах по унитарной теории электричества, электрическое поле называлось электрической атмосферой. Франц Эпинус (Franz Aepinus, 1759) отмечает:
«электрическая или магнитная атмосфера» – эти слова обозначают «пространства, на которое во все стороны распространяется доступным чувствам образом притяжение и отталкивание вокруг любого тела» [Эпинус, 1951: 58].
Понятие размера электро-кантов (распределение кванта по пространству, радиус распределения энергии кванта) идентично понятию «сфера действия» Гильберта и «электрическая атмосфера» в унитарной теории. Соответственно, в качестве размера электро-кванта можно рассматривать расстояние («радиус»), на котором он может взаимодействовать с другими электро-квантами (или магнито-квантами) или телом (веществом). Соответственно, размер поля совокупности электро-квантов определяется расстоянием, на котором данная группа электро-квантов может взаимодействовать с другими квантами или телами.
Вероятно, размер электро-кванта зависит от величины энергии, содержащейся в нем – размер тем больше, чем больше величина электроэнергии, содержащейся в нем. Возможно энергия в пределах размера кванта распределена неравномерно и уменьшается от центра к периферии.
Притянутые телом (веществом) электро-кванты, в силу их свойства взаимно отталкиваться, размещаются равномерно на поверхности тела, с учетом его конфигурации. Или, как пишет Эпинус: «на частях, наиболее близких к поверхности» [Эпинус, 1951: 36].
Можно предположить, что в более мощном потоке электроэнергии преобладают электро-кванты большего размера (с большей величиной энергии).
Энергетическое поле тела (вещества), или электрическая валентность вещества, – свойство тел притягивать к себе кванты электрической энергии. Это свойство тел хорошо демонстрируется в экспериментах со статическим электричеством.
Тело с меньшим удельным количеством электро-квантов притягивает кванты с тела, на котором находится большее удельное количество электро-квантов (притягивая и само это тело).
Вероятно, тело (вещество) формирует, совместно с электро-квантами, общее энергетическое поле.
Электрический ток – это направленное движение электро-квантов из того места, где их больше (избыточно заряженное место), в то место, где их меньше (дефицитно заряженное место). Также как это происходит с квантами инфракрасного излучения, тепловой энергии.
Электрический ток возникает под влиянием двух факторов:
1) электро–кванты на избыточно заряженной клемме источника тока отталкиваются друг от друга;
2) энергетическое поле дефицитно заряженной клеммы источника тока притягивает электро–кванты с избыточно заряженной клеммы.
В случае, если на концах проводника существует различное (избыточное и дефицитное) количество электро-квантов, то возникает электрический ток.
С одной стороны – электро-кванты, отталкиваясь друг от друга, равномерно распределяются по всей электрической цепи (включая источники питания), это приводит к перемещению электро-квантов из того места, где их больше, в то место, где их меньше.
С другой стороны – дефицитно заряженная клемма притягивает электро–кванты.
Ток перестает течь, после того, как электро-кванты разместятся равномерно по всем элементам цепи, т.е. в условиях электро-квантовой равномерности распределения. Примерно то же самое происходит и с квантами тепла.
В поперечном сечении тела, там, где уменьшается расстояние между всеми противоположными поверхностями тела (скажем, на острие), концентрация (поверхностная плотность) электро-квантов увеличивается. Например, на поверхности тела в форме конуса, на его широкой части концентрация квантов меньше, а на его острие – больше. Соответственно, острие более интенсивно излучает электро-кванты, если тело избыточно заряжено, и более интенсивно притягивает электро-кванты, если тело дефицитно заряжено. На всей поверхности шара электро-кванты расположатся равномерно, т.к. во всех его частях расстояния между всеми противоположными поверхностями одинаковы. Углубления тела, в данном контексте, относятся к внутренней части тела.
Величина мощности потока электроэнергии, возникающего в цепи, задается разностью в количестве электроэнергии между избыточно и дефицитно заряженными клеммами источника тока.
3. Величины и единицы измерения электроэнергии
Представление энергии через работу усложняет восприятие феномена электрической энергии, делает его менее наглядным. Как представляется, измерение количества энергии именно в единицах энергии (а не работы), имеет понятную логику, упрощает понимание феномена электричества и анализ электрических цепей. И, самое главное, приводит к общей единице измерения электрических величин.
Поскольку электрический ток – это перемещение определенного количества электроэнергии, то логично электрические величины описывать в единицах энергии.
Роберт Поль (Robert Pohl, 1931) указывал:
«Всякая единица является произвольной. При установлении, например, единицы тока всецело от нашего произвола зависит, какие действия тока положить в основу – магнитные, электролитические или тепловые» [Поль, 1933: 19].
Самой простой и понятной формой проявления энергии является теплота.
Единицей измерения количества теплоты является калория (cal) – это величина энергии, необходимая для нагревания 1 gr воды на 1°C.
Количество электрической энергии, которое повысит температуру 1 gr воды на 1°C –равно 1 cal. Соответственно, количество электроэнергии можно измерять в калориях.
Мощность энергии потока электро-квантов – это количество электрической энергии, проходящее через определенное тело, или площадь поперечного сечения, в единицу длительности. 1 W = 1J / s = 0,2388 cal / s.
Все электрические величины связаны с генерацией, передачей, преобразованием, потреблением электрической энергии. Потому мощность энергии потока электро-квантов, электропроводимость, электро-поглощение («сопротивление»), емкость конденсатора, индуктивность катушки и др. величины, могут измеряться в одинаковых, сопоставимых единицах энергии – cal.
Далее в тексте величина энергии электро-квантов выражается в калориях (cal). Соответственно, мощность энергии потока электро-квантов измеряется в cal/s, далее обозначается как «PE» («power of electricity flow», «мощность потока электроэнергии»).
4. Определение мощности потока электроэнергии
Исходной характеристикой электрической цепи является мощность потока электроэнергии, поступающего в цепь из избыточно заряженной клеммы источника тока.
Георг Ом основывался на том, что электрическая и тепловая энергии сходны, и придерживался соответствующего понимания природы тока [Кошманов, 1980: 68]. Ом указывал:
Количество электричества, проходящего между двумя элементами цепи, расположенными рядом друг с другом, при одних и тех же обстоятельствах, пропорционально разности в величинах электрической энергии в этих двух элементах, так же как в теории тепла теплопередача между двумя элементами тела пропорциональна разнице в их температурах. [Ohm, 1827: 3].
Предлагается следующее эмпирическое истолкование приведенного высказывания Георга Ома.
Мощность потока электроэнергии в цепи задается разностью в количестве электроэнергии между клеммами источника тока. Эту разность, как и разность между двумя элементами, точками цепи, Георг Ом называл электроскопической разностью (или напряжением).
Можно выделить абсолютную и относительную электроскопическую разность.
Абсолютная электроскопическая разность (ЭР) задает количество электроэнергии, которое цепь стремится переместить из избыточной клеммы источника тока в дефицитную, описывается соотношением (1):
ЭР = EL1 – EL2; (1)
Где:
ЭР – разность в количестве электроэнергии между избыточно заряженной и дефицитно заряженной клеммами источника тока.
EL1 – количество электроэнергии в (на) избыточно заряженной (плюсовой) клемме источника тока.
EL2 – количество электроэнергии в (на) дефицитно заряженной (минусовой) клемме источника тока.
Например, если EL1 =120 cal, а EL2 =20 cal, то ЭР будет =100 cal.
Кроме того на величину мощности потока энергии влияет относительная электроскопическая разность – отношение количества электроэнергии в точке, где ее больше, к количеству электричества в точке, где ее меньше. Также как скорость передачи тепла (теплообмена) увеличивается при увеличении разности температур (градиента температуры).
Чем больше относительная разность между количеством электричества между избыточно (EL1) и дефицитно (EL2) заряженными клеммами источника тока, тем больше скорость перемещения электро-квантов. Назовем это отношение количества электроэнергии на клеммах источника тока коэффициентом скорости перемещения электро-квантов, обозначим Cv. Этот коэффициент описывается соотношением (2):
Cv = EL1 / EL2; (2)
Где:
Cv – коэффициент скорости перемещения электро-квантов;
EL1 – количество электроэнергии в избыточно заряженной (плюсовой) клемме источника тока.
EL2 – количество электроэнергии в дефицитно заряженной (минусовой) клемме источника тока.
Примем, что скорость движения электро-квантов в цепи находится в прямо пропорциональной зависимости от коэффициента скорости Cv.
Таким образом:
1. разность в количестве электроэнергии (El1 – El2) между клеммами источника тока задает количество энергии, которое цепь в данный момент стремится перенести из одной точки в другую;
2. коэффициент скорости Cv задает скорость, с которой данное количество энергии перемещается по цепи между клеммами источника тока.
Исходя из изложенного выше, величина мощности потока электроэнергии PE, будет равна произведению электроскопической разности ЭР и коэффициента скорости Cv, отнесенному к единице длительности t (3).
PE = ЭР * Cv / t; (3)
Возьмем условный пример. Допустим, количество электроэнергии на избыточно заряженной клемме =75 cal, а на дефицитно заряженной =5 cal (цифры условные). Соответственно электроскопическая разность в величине электроэнергии между двумя клеммами составит 70 cal (75 cal – 5 cal). То есть электрическая цепь будет стремиться перенести из избыточно заряженной клеммы в дефицитно заряженную 70 cal электроэнергии.
Коэффициент скорости перемещения (Cv) составит 14 (70 cal / 5 cal).
Отсюда, величина мощности энергии потока электро-квантов (PE), выходящей из избыточной клеммы и поступающей в цепь будет =980 cal (70 cal × 14).
Условно примем, что указанные выше 980 cal, выходя из избыточной клеммы и поступая в цепь, проходят через сечение проводника за единицу длительности равную 1 сек.
Тогда мощность потока электроэнергии, выходящего из избыточно заряженной клеммы, составит 980 cal/s.
Ссылки \ References
Гильберт У. (1956) О магните, магнитных телах и большом магните – Земле. М.: Издательство Академии наук СССР.
Gilbert W. (1956) About magnet, magnetic bodies and big magnet - the Earth. M .: Publishing house of the USSR Academy of Sciences. (Russ. Ed.)
Ильясов Ф. Н. Кванты электрической энергии – о концепции электричества Бенджамина Франклина. М.: ИЦ Орион. 2019, ноябрь. (Препринт)
Iliassov, Farkhad N. Quanta of electrical energy - on the concept of electricity Benjamin Franklin. Moscow: IC Orion. 2019. (Preprint) (in Rus)
Кошманов В. В. Георг Ом. М.: Просвещение, 1980.
Koshmanov V. V. Georg Om. Moscow: Prosveshchenie. 1980. (in Rus)
Поль Р. В. Введение в учение об электричестве. М.-Л.: ГТТИ. 1933.
Pohl, Robert Wichard (1931) Einführung in die Elektrizitätslehre. Berlin: Springer. (Russ. ed.)
Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. М.: Изд-во АН СССР. 1956.
Benjamin Franklin's Experiments. A new edition of Franklin's Experiments and Observations on Electricity, edited by I. Bernard Cohen. Cambridge, Massachusetts, 1941. (Russ. ed.)
Эпинус Ф. У. Τ. Теория электричества и магнетизма. М.: Изд-во АН СССР. 1951.
Aepinus, Franz. Theory of electricity and magnetism. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences. 1951. (Russ. ed.)