С какой скоростью распространяется электрический ток

Электрический ток

Согласно школьного курса физики – это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряженными частицами, в зависимости от среды распространения, считаются электроны или ионы. Для металлов эти частицы – электроны, для некоторых газов или электролитов – ионы. Считается что именно их движение и являются электрическим током.

Как известно, в мире физики, объекты, обладающие разностью зарядов притягиваются, чтобы достигнуть равновесного состояния. Этот факт отлично подтверждает всем известный эксперимент с эбонитовой палочкой. Таким образом, электрический ток — это поток электронов или ионов, стремящихся воссоздать равновесие в мире электрических зарядов.

Не углубляясь в разновидности проводников, рассмотрим обыкновенные электрические провода и электроны, бегущие в них. Электроны заряжены отрицательно, значит их массовое скопление — это отрицательно заряженный объект. В то же время положительно заряженный объект — это место где имеется нехватка этих самых электронов, а значит скопление ионов (атомов с недостающими электронами). Так как природа стремится воссоздать равновесие, образуется поток электронов от минуса к плюсу.

Если природа стремится к равновесию, то отчего же образовались эти недостачи и излишки электронов?

Ответ довольно банален, за исключением некоторых природных явлений вроде молнии или статических разрядов. Люди их создают искусственно, чтобы пользоваться стремлением, или другими словами, силой природы прийти в равновесное состояние, в своих интересах. Как это происходит  подробно рассказано в статье про источники тока.

Маленькая особенность: так как само явление электричества было открыто гораздо раньше его природы (упорядоченного движения электронов в металлах), а раньше люди думали, что движутся положительно заряженные частицы), то принято считать, что электрический ток течет от плюса к минусу, хотя сейчас уже ясно, что всё происходит наоборот. В консервативном мире науки решили ничего не менять и продолжают пользоваться веками укоренившейся схемой.

Поняв, как всё это движется, можно попробовать разобраться, что нам даёт этот самый электрический ток. Прохождение электронов по проводнику сопровождается массой удивительных физических явлений, от простого нагревания проводника, до электромагнитного поля вокруг него, но обо всём по порядку.

Как известно, электроны очень маленькие и понаблюдать за ними даже через самый мощный микроскоп не удастся. Поэтому для понимания и визуализации такого действа как электрический ток, придумали очень удобное сравнение — сравнение с водопроводной трубой.

Итак, представим себе водопроводную трубу, она является проводником или просто проводом, очень близко не так ли? В этой трубе течет вода – капли которой очень похожи на электроны, текущие в проводах. Эту воду что-то толкает и ей что-то мешает.

Поток воды можно описать присущими ему свойствами, такими как давление и скорость, а характеристики трубы можно описать такими понятиями как её пропускная способность и сопротивление потоку воды.

По аналогии поток электронов, то есть электрический ток, можно описать такими характеристиками как электрическое напряжение (давление для воды) и сила тока (объём потока воды). Электрический проводник по аналогии с трубой можно описать таким свойством как сопротивление электрическому току (сопротивление потоку воды).

К примеру, тонкая труба может пропустить лишь небольшой поток воды, точно также, тонкий провод способен пропустить поток электронов только с небольшой силой тока. Тонкая струйка, вылетающая из водного пистолета, имеет большую скорость, но очень маленький объем воды, также искра, вылетающая из пьезоэлемента зажигалки, имеет высокое напряжение, но очень маленькую силу тока.

Представим себе огромную трубу диаметром в целый метр и из неё течет, а лучше сказать «вываливается» огромное количество воды, при этом давление в ней довольно низкое (единицы атмосфер), но поток воды просто огромен (сотни литров в секунду). Та же история с толстым проводом точечной электросварки, напряжение там невысокое (несколько вольт), но сила тока просто огромная (сотни ампер), в месте контакта плавится металл. Предположим, что на краю трубы есть кран и он закрыт, вода внутри есть, но она никуда не течёт. Тоже самое с проводником, если цепь от плюса к минусу разорвана, а воздух для электрического тока настолько же труднопроходимая среда, как кран для воды, то ток тоже никуда не течёт. Но электроны из проводника, как и вода из трубы, никуда не делись и напряжение, как и давление в трубе тоже осталось, нет только потока электронов, а значит сила тока равна нулю.

Электрический ток и его скорость

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость  движения тока в проводнике – очень мала.

Особенности передачи электричества по сетям

Передача электрической энергии по сетям является одной из основных задач электроэнергетики. Электричество передается от генераторов к конечным потребителям с помощью электрических сетей, которые могут иметь различные конфигурации и типы.

Основные особенности передачи электричества по сетям:

1. Высокое напряжение. В сетях передачи электроэнергии используются высоковольтные линии, что позволяет снизить потери энергии при передаче на большие расстояния. Высокое напряжение требует применения специальных проводов и изоляции.
2. Трансформаторы. Для изменения уровня напряжения в сетях используются трансформаторы. Они позволяют повышать или понижать напряжение для передачи электроэнергии на большие расстояния или снижения напряжения для использования в бытовых сетях.
3. Сети разного уровня напряжения. Существует несколько уровней напряжения в электрических сетях: высоковольтная передающая сеть, подстанции, распределительные сети и бытовые сети. Каждый уровень выполняет свою функцию в передаче и распределении электроэнергии.
4. Рельеф местности. Построение электрических линий связано с учетом рельефа местности. При проектировании учитываются препятствия, такие как реки, озера, леса и горы, чтобы обеспечить оптимальный маршрут линий.
5. Потери энергии. В процессе передачи электроэнергии по сетям происходят потери. Они обусловлены сопротивлением проводов и другими факторами. Для снижения потерь используются специальные системы компенсации.
6. Защита от перегрузок и короткого замыкания. В сетях предусмотрены системы автоматической защиты, которые обеспечивают отключение определенного участка сети в случае перегрузки или короткого замыкания. Это позволяет предотвратить повреждение оборудования и обеспечить безопасность.

Вся эта инфраструктура создает надежную систему передачи электроэнергии от производителя до потребителя, которая обеспечивает работу различных устройств и систем, включая бытовые, промышленные и коммерческие сети.

Как изменить скорость распространения электрического тока

Скорость распространения электрического тока в материалах зависит от их электропроводности. Чем выше электропроводность материала, тем быстрее ток будет распространяться.

Если необходимо изменить скорость распространения тока, можно воздействовать на электропроводность материала различными способами. Например, изменение температуры влияет на электропроводность многих материалов.

Повышение температуры обычно увеличивает электропроводность, что приводит к ускоренному распространению тока. Однако, в некоторых материалах, таких как полупроводники, электропроводность может уменьшаться с повышением температуры. Поэтому, чтобы изменить скорость распространения тока в полупроводниках, необходимо учитывать эту особенность.

Также, изменение химического состава материала может влиять на его электропроводность и, следовательно, на скорость распространения тока. Добавление примесей или проведение химических реакций может увеличить или уменьшить электропроводность материала в зависимости от типа примеси или реакции.

Важно отметить, что скорость распространения электрического тока также зависит от физических свойств материала, таких как его длина и площадь поперечного сечения. Уменьшение длины проводника или увеличение его площади поперечного сечения может увеличить скорость распространения тока

Фактор	Влияние на скорость распространения тока
Электропроводность	Чем выше, тем быстрее
Температура	Обычно повышение увеличивает скорость, но в некоторых материалах электропроводность может уменьшаться
Химический состав	Может увеличить или уменьшить электропроводность
Физические свойства материала	Длина и площадь поперечного сечения могут влиять на скорость распространения тока

Изменение скорости распространения электрического тока может быть важным в различных ситуациях, таких как проектирование электрических схем или оптимизация работы электронных устройств. Знание основных фактов и принципов, влияющих на скорость распространения тока, позволяет контролировать и оптимизировать этот процесс.

Практическое применение электрической длины кабеля

Электрическая длина кабеля является важным параметром при проектировании и установке кабельных систем. Знание и учет этого параметра позволяет оптимизировать передачу электрических сигналов и снизить их искажение.

Одним из практических применений электрической длины кабеля является подбор оптимальной длины коаксиального кабеля при передаче сигналов на большие расстояния. Коаксиальный кабель часто используется в системах передачи данных, телекоммуникаций и видеонаблюдения. Применение кабеля оптимальной длины позволяет минимизировать потери сигнала и снизить эффект помех.

Еще одним примером практического применения электрической длины кабеля является выбор длины Ethernet-кабеля при организации компьютерной сети. Ethernet-кабель используется для соединения компьютеров, серверов и другого сетевого оборудования. Учет электрической длины кабеля позволяет установить оптимальное расстояние между узлами сети и повысить качество передаваемых данных.

Также электрическая длина кабеля имеет значение при проектировании системы распределенных микрофонов. При использовании множества микрофонов для записи звука с разных точек помещения, необходимо учитывать время задержки сигнала между микрофонами. Корректное настройка электрической длины кабеля позволяет синхронизировать записанный звук и избежать эффекта эха или фазовых искажений.

В области аудио- и видеозаписи также важно учитывать электрическую длину кабеля при подключении микрофонов, динамиков, аппаратной обработки звука и видеосигналов. Применение кабелей оптимальной длины позволяет минимизировать потери качества звука и изображения и обеспечить максимально точную передачу сигнала

Примеры применения электрической длины кабелей:	Области применения:
Коаксиальные кабели	Телекоммуникации, видеонаблюдение
Ethernet-кабели	Компьютерные сети
Микрофонные кабели	Аудио- и видеозапись, профессиональный звук

В заключение, электрическая длина кабеля является важным параметром, который нужно учитывать при проектировании и использовании кабельных систем. Рациональное использование этого параметра помогает обеспечить качественную передачу электрических сигналов и минимизировать их искажение.

Электрические сигналы и их передача

В мире современных технологий электрические сигналы играют важную роль в передаче информации. Они используются в различных сферах, таких как телекоммуникации, радиосвязь, компьютерные сети и др.

Электрический сигнал — это вариация электрического потенциала, которая может быть представлена в виде волны или импульса. Он передает информацию посредством изменения значений напряжения или тока.

Существуют различные типы электрических сигналов. Одним из самых распространенных является аналоговый сигнал. В аналоговом сигнале уровень напряжения или тока изменяется плавно и непрерывно. Аналоговые сигналы широко применяются в звуковой и видеоиндустрии.

Другим типом сигнала является цифровой сигнал. В цифровом сигнале информация представлена в виде последовательности двоичных цифр 0 и 1. Цифровые сигналы обладают преимуществами перед аналоговыми, такими как более точная передача информации и возможность компрессии данных.

Передача электрических сигналов осуществляется с помощью различных сред передачи, одной из которых является медный кабель. Медный кабель — это провод, изготовленный из меди, который обеспечивает передачу электрических сигналов между устройствами.

Для передачи сигнала по медному кабелю применяется модуляция, которая заключается в изменении одного или нескольких параметров сигнала (амплитуды, частоты, фазы), чтобы передать информацию. На приемной стороне происходит демодуляция, в результате которой сигнал возвращается к исходному виду.

Одной из особенностей передачи сигнала по медному кабелю является деградация сигнала на протяжении длины кабеля. Это вызвано сопротивлением материала провода и внешними электромагнитными помехами. Для уменьшения деградации сигнала применяются различные методы, такие как экранирование кабеля и использование усилителей сигнала.

Таким образом, электрические сигналы являются основой передачи информации в современном мире. Надежная передача сигнала по медному кабелю требует правильного выбора кабеля, методов модуляции и демодуляции сигнала, а также контроля за помехами и деградацией на протяжении кабеля.

Скорость электрического тока

Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце. Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги.

Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка, значит в проводнике установится ток (допустим, мы используем постоянный ток от заряженного конденсатора).

100 — это длина каждой из жил нашего провода в километрах, а 300000 километров в секунду — скорость света — скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Да, «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.

Но тот факт, что электроны начинают приходить в движение друг за другом со скоростью света вовсе не означает, что сами электроны движутся в проводнике со столь огромной скоростью. Электроны или ионы, в металлическом проводнике, в электролите или в другой проводящей среде, не могут двигаться так быстро, то есть носители заряда не движутся друг относительно друга со скоростью света.

Скорость света в данном случае — это та скорость, с которой носители заряда в проводнике начинают друг за другом приходить в движение, то есть это скорость распространения поступательного движения носителей заряда. Сами же носители заряда имеют «дрейфовую скорость» при установившемся токе, скажем в медном проводнике, всего несколько миллиметров в секунду!

Что произойдет? При замыкании выключателя начинается движение заряженных частиц в тех частях проводов, которые присоединены к конденсатору. Электроны покидают минусовую обкладку конденсатора, электрическое поле в диэлектрике конденсатора уменьшается, положительный заряд противоположной (плюсовой) обкладки уменьшается — на нее забегают электроны из присоединенного провода.

Так разность потенциалов между обкладками уменьшается. А так как электроны в прилегающих к конденсатору проводах начали двигаться, то на их места приходят другие электроны из отдаленных мест провода, иначе говоря начинается процесс перераспределения электронов в проводе из-за действия электрического поля в замкнутой цепи. Этот процесс распространяется все дальше и дальше по проводу и наконец достигает нити накаливания сигнальной лампы.

Прежде чем пойти дальше, рассмотрим гидравлическую аналогию. Пусть из деревни в город по трубе подается минеральная вода. Утром в деревне запустили насос, и он стал повышать давление воды в трубе, чтобы заставить воду из деревенского источника двигаться в город. Изменение давления распространяется по трубопроводу очень быстро, примерно со скоростью 1400 км/с (зависит от плотности воды, от ее температуры, от величины давления).

Спустя долю секунды после пуска насоса в деревне, вода начала двигаться уже в городе. Но та же ли это вода, что движется в данный момент в деревне? Нет! Молекулы воды в нашем примере толкают друг друга, а сами движутся значительно медленнее, поскольку скорость их дрейфа зависит от величины напора. Толкотня молекул между собой распространяется на много порядков быстрее чем движение молекул вдоль трубы.

Теперь вернемся непосредственно к электронам. Скорость упорядоченного движения электронов (или других носителей заряда) называют дрейфовой скоростью. Ее электроны приобретают благодаря действию внешнего электрического поля.

Если внешнего электрического поля нет, то электроны движутся хаотично внутри проводника лишь в тепловом движении, но направленного тока нет, и следовательно дрейфовая скорость в среднем оказывается равной нулю.

Если внешнее электрическое поле приложено к проводнику, то в зависимости от материала проводника, от массы и заряда носителей заряда, от температуры, от разности потенциалов, – носители заряда придут в движение, но скорость этого движения будет существенно меньше скорости света, порядка 0,5 мм в секунду (для медного проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, средняя скорость дрейфа электронов составит 0,6–6 мм/c).

Эта скорость зависит от концентрации свободных носителей заряда в проводнике n, от площади сечения проводника S, от заряда частицы e, от величины тока I. Как видите, несмотря на то, что электрический ток (фронт электромагнитной волны) распространяется по проводнику со скоростью света, сами электроны движутся куда медленнее. Получается, что скорость тока — это очень малая скорость.

Закон Ома для замкнутой цепи

Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r

подключенный к ним резистор сопротивлениемR (рис. 5).

I = \dfrac. \qquad (2)\)

Данная формула представляет собой закон Ома для полной цепи : Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Заметим, что максимально возможный ток в цепи с данным источником тока возникает в том случае, если сопротивление внешней цепи стремится к нулю.

Подключение к полюсам источника тока проводника с ничтожно малым сопротивлением называется коротким замыканием

, а максимальную для данного источника силу тока называюттоком короткого замыкания :

У источников с малым значением r

(например, у свинцовых аккумуляторовr = 0,1 — 0,01 Ом) сила тока короткого замыкания очень велика. Особенно опасно короткое замыкание в осветительных сетях, питаемых от подстанций (ε > 100 В),I kz может достигнуть тысячи ампер. Чтобы избежать пожаров, в такие цепи включают предохранители.

*Вывод закона Ома

Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r

подключенный к ним резистор сопротивлениемR (см. рис. 5).

Из определений силы тока и ЭДС источника тока следует, что совершаемая источником работа

\(A_ =\varepsilon \cdot \Delta q=\varepsilon \cdot I\cdot \Delta t.\)

При прохождении тока проводники нагреваются, при этом выделяется энергия как во внешней цепи Q1, так и во внутренней цепи Q2. Тогда количество теплоты Q, выделившаяся во всей полной цепи, равна сумме этих энергий. По закону Джоуля-Ленца

\(Q=Q_ +Q_ =I^ \cdot R\cdot \Delta t+I^ \cdot r\cdot \Delta t=I^ \cdot \left(R+r\right)\cdot \Delta t.\)

Из закона сохранения энергии получаем, что в такой цепи работа сторонних сил за промежуток времени Δt равна выделившемуся в цепи количеству теплоты:

Использование электронной связи для передачи информации

Электронная почта

Электронная почта является одним из наиболее распространенных и удобных способов обмена информацией в современном мире. Она позволяет быстро и просто передавать сообщения, документы, фото и другие файлы между пользователями, находящимися в любой точке мира.

Использование электронной почты позволяет снизить время на организацию встреч или распечатку бумажных документов. Также электронная почта может быть использована для рассылки рекламных материалов, уведомлений о новостях или событиях.

Мессенджеры

Мессенджеры, такие как WhatsApp, Telegram, Viber и другие, также являются популярными способами обмена информацией. Они предоставляют возможность общаться в реальном времени, отправлять голосовые сообщения, картинки и видео, делиться документами.

Использование мессенджеров особенно удобно для коммуникации в группах, например, в рабочих чатах или чатах с друзьями. Это позволяет быстро обмениваться информацией и решать проблемы, не затрачивая время на долгие емейл-диалоги.

Социальные сети

Социальные сети, такие как Facebook, Instagram, VKontakte и другие, также позволяют обмениваться информацией между пользователями. Они предоставляют возможность публиковать фото, видео, тексты, ссылки и другие материалы, которые могут быть просмотрены и комментированы другими пользователями.

Использование социальных сетей может быть полезно для продвижения бренда, деятельности или продукта, а также для создания сообщества единомышленников.

Вывод скорости распространения электромагнитных волн из теории Максвелла

Раньше, чем электромагнитные волны были получены в экспериментах, Максвелл вычислил скорость этих волн, используя свою теорию поля. Рассмотри плоскую электромагнитную волну (одномерная задача, означающая, что $\overrightarrow{E\ }и\ \overrightarrow{H\ }зависят\ только\ от\ одной\ координаты,\ допустим\ x$), которая распространяется в однородной среде ($j_x=j_y=j_z=0,\ при\ \varepsilon =const,\ \mu =const$). В таком случае система уравнений Максвелла в скалярном виде будет записана как:

Исключим из уравнений Максвелла электрическое поле. С этой целью используем формулу, связывающую индукцию магнитного поля и его напряженность:

и продифференцируем второе уравнение системы (2) по времени, получим:

Первое уравнение системы (2) продифференцируем по $x$, и используем уравнение:

в результате имеем:

Сравним уравнения (4) и (6), запишем:

Уравнение (7) есть волновое уравнение, следовательно, коэффициент, который стоит при $\frac{{\partial }^2H}{\partial x^2}$ — квадрат скорости распространения электромагнитной волны:

$c$- скорость света. В вакууме скорость электромагнитных волн будет выражена как:

Замечание

Теория Максвелла предсказала, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света — этот факт доказывает, что свет имеет электромагнитную природу.

Замечание 1

Основные процессы при распространении волн в проводах происходят не внутри проводов, а в окружающей их среде. Следовательно, если среда вне провода изменится, то скорость электромагнитных волн будет другой, длина волны при неизменной частоте генератора станет другой.

В справедливости формулы (8) легко убедиться на опыте, если часть двухпроводной линии, которая первоначально была в воздухе погрузить в воду. Для воды $\mu \approx 1,\ \varepsilon >1,$ следовательно, скорость электромагнитных волн в воде меньше, чем в воздухе, значит расстояние между соседними узлами (пучностями) станет меньше.

Следует учитывать, что $\mu \ и\ \ \varepsilon $ зависят от частоты. Поэтому при нахождении скорости применяя формулу (8) следует использовать их значения, соответствующие частоте колебаний в электромагнитной волне.

Пример 1

Задание: Параллельные провода (рис.2) находятся в некотором веществе, магнитная проницаемость которого равна $1$, диэлектрическая проницаемость не равна $1$. Они посредством индуктивности соединены с генератором. При высокой частоте колебаний $\nu $ в системе устанавливаются стоячие электромагнитные волны. Вдоль проводов перемещают газоразрядную трубку $А$, по интенсивности ее свечения определили положения пучностей напряженности электрического поля, расстояние между которыми оказались равны $\triangle x$. Какова диэлектрическая проницаемость вещества?

Рисунок 2.

Решение:

Стоячие электромагнитные волны появляются как результат интерференции волн, которые распространяются по двухпроводной линии от генератора в прямом направлении с волнами, которые отражаются концами линии. При высокой частоте электромагнитных колебаний основные процессы, которые связаны с распространением волн, происходят в среде, которая окружает провода.

В соответствии с теорией Максвелла скорость электромагнитных волн в среде равна:

По условию задачи для данного вещества $\mu =1$, диэлектрическая проницаемость выразится из (1.1) как:

Скорость электромагнитных волн связана с длинной волны как:

Расстояние между соседними пучностями в стоячей волне равно половине длины волны ($\triangle x=\frac{1}{2}\lambda $), в таком случае имеем:

Ответ: $\varepsilon =\frac{c^2}{{4\triangle x^2\nu }^2}.$

Пример 2

Задание: Какова скорость распространения электромагнитной волны в концентрическом кабеле, в котором пространство между внешним и внутренним проводами заполнено диэлектриком с проницаемостью $\varepsilon ?$ Считайте, что потерями в кабеле можно пренебречь.

Решение:

Согласно теории Максвелла, скорость распространения электромагнитных волн в веществе равна:

Магнитную проницаемость среды можно считать равной единице, тогда выражение (2.1) перепишем в виде:

Ответ: $v=\frac{c}{\sqrt{\varepsilon }}.$

Заключение

Говоря об электричестве, следует разделять понятия электронов, зарядов, тока носителей этих зарядов, электро-магнитных волн и энергии. Все эти понятия тесно связаны между собой, но не одно и то же. Электричество — это совокупность взаимодействий всего вышеперечисленного, а не только электрический ток.

По проводам текут электрические заряды, что не равно току самих частиц, например, электронов. При переменном токе электроны вовсе никуда не текут, вибрируя на месте. А заряды текут, но не по всему сечению проводника, а в его поверхностном скин-слое. Но при постоянном токе электроны текут, причём по всему сечению проводника. Заряды приводятся в движение электромагнитным полем, для распространения которого наличие проводов (или любой другой среды) не является обязательным условием. Электромагнитные волны передаются и в вакууме. Поэтому, и разрыв провода в катушках трансформатора не является проблемой. Электрическая энергия и электрический ток — это не одно и то же. Энергия передаётся вдоль поверхности провода, но не в нём самом (в отличии от тока).

Полного и всеобъемлющего описания электричества на данный момент всё ещё не существует. Представление большинства людей об электричестве, как неком потоке электронов, текущих внутри непрерывного провода, как вода в шланге, и приводящем в движение наши приборы и машины, является заблуждением.

Сам же проводной способ передачи электричества экономически эффективен при использовании электромагнитных волн частотой 50-60 герц. И эту частоту нельзя увеличивать бесконечно. После определённого предела провод превратится в антенну, излучающую энергию во все стороны в виде радиоволн. В конечном итоге, лампочка на другом его конце просто не сможет гореть. Зато в будущем мы вполне сможем получать энергию для неё и вовсе без проводов. Электричество повсюду вокруг нас. Вспомните про солнечные панели, которые превращают в электрический ток электромагнитные волны оптического диапазона, излучаемые Солнцем

Примечания и ссылки:

1. Копылов Игорь Петрович (1928-2014), доктор технических наук, профессор, почетный профессор кафедры «Электромеханика» Московского энергетического института, Заслуженный деятель науки и техники РФ, лауреат Государственной премии СССР. Почётный академик Инженерной Академии РФ, почётный академик Академии Электротехнических Наук РФ.
2. Интервью И.П. Копылова, начиная с отметки 7:30.
3. Сейфер Марк, «Никола Тесла. Повелитель вселенной», издательство «Яуза», 2007 г., стр.14.
4. Физика металлов. Расчет скорости движения электронов в металлах.
5. «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 5, стр. 515.
6. Википедия, статья Электрический ток.
7. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, том. 30, стр. 48, стлб. 130.
8. «Основные физические понятия технической электродинамики», «Леннаучфильм», 1978 г., отм. 10:50.
9. Образовательный портал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», видео 2.4.
10. Скин-эффект, «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 4, стр. 541.
11. Википедия, статья Скин-эффект.
12. Портал «Большая Энциклопедия Нефти и Газа», статья «Полый провод».
13. Портал «База патентов СССР», патент №17464.

Вам могут понравиться и другие подобные статьи, например:

1. Человек на 80% состоит из воды и на 99% из пустоты?
2. Вес и масса, или как взвешивать картошку на Луне
3. Холодный космос