Лично у меня никогда не было сомнений, что электрический ток обусловлен взаимодействием зарядов внутри проводника, посредством чего передается электрическая энергия.
Но в последнее время всё чаще приходится встречать мнение, что энергия тока передается не в проводнике, а снаружи проводника с током. При этом ссылаются на понятие электромагнитного поля. Более того, люди, знакомые с квантовой механикой, утверждают, что энергия передается в виде электромагнитного излучения вдоль проводника с током.
Я решил выяснить причину этой точки зрения и её обоснованность.
Чтобы не обращаться к сомнительным источникам информации, при последующем рассмотрении я буду опираться на классический учебник по теоретической физике (Сивухин Д.В. Общий курс физики. Том 3. Электричество).
В учебнике приводится следующее определение тока, знакомое со школы:
«Электрический ток есть упорядоченное движение электрических зарядов. Эти заряды в учении о токах называются носителями тока. В металлах и полупроводниках носителями тока являются электроны…» (стр.173)
К сожалению, в учебнике не приводится определение того, что такое электрическая энергия. В самом начале параграфа, посвященного рассмотрению энергии, отмечается следующее:
«§28. Электрическая энергия
Электрическая энергия, как и всякая другая энергия, зависит только от состояния системы, но не зависит от способа, каким система была приведена в это состояние.» (стр.108)
Из дальнейшего рассмотрения понятно, что под электрической энергией понимается работа, совершаемая по перемещению электрического заряда в поле. Таким образом, энергия рассматривается как способность тела или системы совершать работу.
Следовательно, можно сказать, что в электрической цепи энергия посредством электрического тока передаётся от источника тока и в результате совершенной работы выделяется на определенном участке цепи в виде тепла или иной формы энергии. Но каким же образом передается энергия? Посредством чего она переносится? Где локализуется энергия?
Ответ на эти вопросы зависит от подхода к описанию электрической энергии.
В учебнике рассмотрено несколько способов определения электрической энергии.
В параграфе 28 автор приводит результат вычисления энергии системы зарядов:
В следующем параграфе автор рассматривает энергию, как характеристику электромагнитного поля.
«§29. Локализация электрической энергии в пространстве
В предыдущем параграфе работу по электризации диэлектрика и его электрическую энергию мы выразили через заряды и потенциалы наэлектризованных тел. Но те же величины (работу и энергию) можно выразить через векторы Е и D, что более адекватно соответствует духу теории поля.» (стр.111)
Далее автор приводит интересное обсуждение полученных выражений:
С чисто математической точки зрения формулы (28.5 [для системы зарядов]) и (29.9 [для полей]) эквивалентны и отличаются одна от другой только по форме.
Однако за формальным различием этих формул стоит и различие в физической интерпретации электрической энергии.
Уравнение (29.9) … можно понимать в том смысле, что носителем электрической энергии является электрическое поле, причем энергия поля локализована в пространстве так, что в каждой единице объема содержится энергия W. Величина W называется объемной плотностью электрической энергии.
Напротив, выражение (28.5) может быть формально истолковано как потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, и притом взаимодействия на расстоянии. Такое истолкование исключает представление о локализации энергии в определенных участках пространства.
Какому же из этих двух представлений об электрической энергии следует отдать предпочтение?
В рамках электростатики принципиально невозможно указать ни одного опыта, который позволил бы сделать выбор между ними. Дело в том, что в электростатике электрическое поле неотделимо от зарядов, являющихся его источниками. Величиной и расположением зарядов однозначно определяется электростатическое поле. Обратно, заданием поля во всем пространстве также однозначно определяется плотность электрических зарядов. Не так обстоит дело в случае переменных полей. Переменные электромагнитные поля могут существовать самостоятельно, независимо от возбудивших их электрических зарядов. Заряды могут нейтрализоваться, а поле, которое они возбудили, может продолжать существовать в виде электромагнитных волн, которым присущ определенный запас энергии. Эта энергия не может быть представлена как потенциальная энергия зарядов, взаимодействующих на расстоянии, поскольку самих зарядов уже нет. Формула (28.5) теряет смысл. Но формула (29.9)… сохраняет смысл и для переменных электромагнитных полей.
Представляют ли они в этом случае электрическую энергию и ее плотность – этот вопрос требует особого исследования. Во всяком случае, нельзя выдвинуть каких-либо возражений против возможности представления электромагнитной энергии через напряженности электрического и магнитного полей. Сомнения могут относиться только к конкретным формулам, с помощью которых производится такое представление. Следовательно, если электростатику рассматривать как предельный случай электродинамики, то даже в электростатике следует отдать предпочтение теории поля с ее представлением о локализации электрической энергии в пространстве.
В приведенном обсуждении я хотел бы обратить внимание не на аргументы, которыми автор пытается убедить читателей в справедливости рассмотренных подходов. Больший интерес представляют сомнения автора в применимости этих подходов для рассмотрения электрического тока.
Фраза «Представляют ли они в этом случае электрическую энергию и ее плотность – этот вопрос требует особого исследования» не свидетельствует о безоговорочной убежденности автора в корректности данных подходов.
Более того, удивляет фактическое безразличие и равнодушие к вопросу об интерпретации формул. При этом автор отмечает, что различные интерпретации означают различное понимание локализации энергии. Но математически формулы эквивалентны, поэтому философствование на эту тему считается излишним. В этом заключается подход современной физики к описанию физических явлений.
На мой взгляд, именно отсутствие четкой и однозначной интерпретации описания передачи энергии проводником с постоянным током является источником многих распространенных заблуждений и домыслов. Благодаря такому неуместному либерализму во взглядах появляются версии о передаче электрической энергии вдоль проводника с током каким-то мифическим излучением и тому подобное.
Так какому же подходу следует отдать предпочтение? Как передается электрическая энергия – внутри проводника или снаружи проводника с током? Какая интерпретация наиболее правильна и соответствует реальной физической картине электрического тока?
Боюсь уподобиться известному литературному персонажу, но отвечу – никакая.
- Позвольте узнать, что вы можете сказать по поводу прочитанного.
Шариков пожал плечами.
- Да не согласен я.
- С кем? С Энгельсом или с Каутским?
- С обоими, — ответил Шариков.
- Это замечательно, клянусь Богом.
(Булгаков М.А., «Собачье сердце»)
Попробую пояснить своё мнение.
В целом оба подхода к рассмотрению энергии системы зарядов, приведенные в учебнике, не вызывают возражений. Они справедливы при рассмотрении одиночных зарядов, движущихся в поле, при рассмотрении катодных лучей в вакууме, при рассмотрении распространения электромагнитного излучения в пространстве и.т.п. Но какое отношение всё это имеет к электрическому току в металлах?
Я долгое время не мог осознать, откуда же у меня берется внутреннее неприятие этого подхода к рассмотрению электрического тока? После работы над данной публикацией я могу сформулировать свои претензии к официальной точке зрения – я не считаю возможным рассматривать электрический ток в металлах как движение заряженных частиц.