Напряжение, Заряд, Ток

[sgur]

Вот, кстати, пример "грязного" эксперимента на эту тему.

А вот здесь пример "чистого" эксперимента.

Разница видна невооруженным взглядом.

Так а в чём нестыковка с физикой из учебника по-вашему?

[sector+]

Так а в чём нестыковка с физикой из учебника по-вашему?

Про неправильность интерпретации электрического тока в проводнике как направленного движения электронов со скоростью 1-10 мм\с - я говорил в предыдущем посте.
В том посте, который вы процитировали, по первой ссылке человек тоже задался вопросом: "Чему равна скорость тока в проводнике?". Но в результате намерил бесконечность.
Почему у него так получилось - видно невооруженным взглядом.
Это я так... К вопросу о том, что написанное в сети надо ещё фильтровать.

По поводу вашего вопроса - в чем же неправильность интерпретации - расскажу попозже.
Мне бы хотелось послушать размышления Василиуса на эту тему.
Ну, или любого другого участника, который выкажет желание высказаться.
Начиная с того парадокса, который мы обозначили.
Кстати, Тесла тоже пользовался гидродинамической моделью электрического тока. И очень многие комментаторы ссылаются на этот факт, приписывая этому успешность умственных экспериментов Теслы. Однако, как мы видим, аналогия с движением жидкости по трубам моментально приводит нас в тупик.
Стало быть модель надо менять.

[авангард]

Так а в чём нестыковка с физикой из учебника по-вашему?

Про неправильность интерпретации электрического тока в проводнике как направленного движения электронов со скоростью 1-10 мм\с - я говорил в предыдущем посте.
В том посте, который вы процитировали, по первой ссылке человек тоже задался вопросом: "Чему равна скорость тока в проводнике?". Но в результате намерил бесконечность.
Почему у него так получилось - видно невооруженным взглядом.
Это я так... К вопросу о том, что написанное в сети надо ещё фильтровать.

По поводу вашего вопроса - в чем же неправильность интерпретации - расскажу попозже.
Мне бы хотелось послушать размышления Василиуса на эту тему.
Ну, или любого другого участника, который выкажет желание высказаться.
Начиная с того парадокса, который мы обозначили.
Кстати, Тесла тоже пользовался гидродинамической моделью электрического тока. И очень многие комментаторы ссылаются на этот факт, приписывая этому успешность умственных экспериментов Теслы. Однако, как мы видим, аналогия с движением жидкости по трубам моментально приводит нас в тупик.
Стало быть модель надо менять.

Тесла сравнивал но не имел ввиду что нужно это понимать в буквальном смысле.

[sgur]

Так а в чём нестыковка с физикой из учебника по-вашему?

Про неправильность интерпретации электрического тока в проводнике как направленного движения электронов со скоростью 1-10 мм\с - я говорил в предыдущем посте.
В том посте, который вы процитировали, по первой ссылке человек тоже задался вопросом: "Чему равна скорость тока в проводнике?". Но в результате намерил бесконечность.

В опытах люди меряли скорость распостранения волны, а не скорость движения электронов в проводнике. Последняя действительно равна порядка мм/сек. Сокрость волны же в "точном опыте", порядка световой. Всё по классике.

[sector+]

В опытах люди меряли скорость распостранения волны, а не скорость движения электронов в проводнике. Последняя действительно равна порядка мм/сек. Сокрость волны же в "точном опыте", порядка световой. Всё по классике.

Ещё раз.
Все началось с формулы j=env, связывающей плотность тока в проводнике с объемной плотностью электронов и скоростью их направленного движения. Исходя из этой формулы для плотности тока в 100 А/мм² получается скорость направленного движения 1 см/с.
Исходя из того, что в нагрузке энергия электрического тока переходит в другой вид энергии (тепловую, механическую, световую), скорость направленного движения электронов после прохождения нагрузки должна падать - т.к. энергия направленного движения теряется. В то время как энергия хаотического движения никуда не девается, поскольку электронный газ - это ферми-конденсат.
Из этого немедленно следует, что в проводе, подключенном к отрицательному полюсу батарейки, с одной стороны и плотность электронов больше (т.к. батарейка подкачивает в этот проводник дополнительные электроны), и скорость направленного движения тоже больше, т.к. электроны, образующие ток, перебегают по внешней цепи от отрицательного полюса батарейки через нагрузку к положительному. Поэтому в проводнике, подключенном к положительному полюсу батарейки у них скорость направленного движения меньше, и объемная плотность тоже меньше (т.к. в противном случае это был бы отрицательный полюс батарейки, а не положительный).
В результате возникает парадокс: j=env в "отрицательном" проводнике больше, чем j=env в "положительном" (при одинаковых сечениях проводников).
Что противоречит закону Кирхгофа об одинаковости тока в любом сечении цепи (при отсутствии ветвления цепи).

И все это следует из применения формулы j=env, из которой обычно исходят в учебниках физики для пояснения такого явления, как электрический ток в проводниках, и из которой там же получают значение для скорости направленного движения электронов порядка 1 см/с.

Пожалуйста, предложите решение этого парадокса исходя из представлений "все по классике".

[sector+]

Тесла сравнивал но не имел ввиду что нужно это понимать в буквальном смысле.

Тут я с Вами соглашусь, поскольку мы с вами не знаем, насколько Тесла пользовался этой аналогией для себя.
А для праздной публики такая аналогия вполне годилась. Причем, исходя из того, что мне вспоминается, Тесла применял ее там, где она уместна - только в смысле пояснения эффектов, аналогичных гидродинамическим ударам.
Про остальное мы не знаем.
Но это не противоречит сказанному мною ранее.
Если вы обратили внимание, относительно оценок эффективности этих сравнений я говорил про комментаторов (даже не интерпретаторов).

[sgur]

Спойлер

В опытах люди меряли скорость распостранения волны, а не скорость движения электронов в проводнике. Последняя действительно равна порядка мм/сек. Сокрость волны же в "точном опыте", порядка световой. Всё по классике.

Ещё раз.
Все началось с формулы j=env, связывающей плотность тока в проводнике с объемной плотностью электронов и скоростью их направленного движения. Исходя из этой формулы для плотности тока в 100 А/мм² получается скорость направленного движения 1 см/с.
Исходя из того, что в нагрузке энергия электрического тока переходит в другой вид энергии (тепловую, механическую, световую), скорость направленного движения электронов после прохождения нагрузки должна падать - т.к. энергия направленного движения теряется. В то время как энергия хаотического движения никуда не девается, поскольку электронный газ - это ферми-конденсат.
Из этого немедленно следует, что в проводе, подключенном к отрицательному полюсу батарейки, с одной стороны и плотность электронов больше (т.к. батарейка подкачивает в этот проводник дополнительные электроны), и скорость направленного движения тоже больше, т.к. электроны, образующие ток, перебегают по внешней цепи от отрицательного полюса батарейки через нагрузку к положительному. Поэтому в проводнике, подключенном к положительному полюсу батарейки у них скорость направленного движения меньше, и объемная плотность тоже меньше (т.к. в противном случае это был бы отрицательный полюс батарейки, а не положительный).
В результате возникает парадокс: j=env в "отрицательном" проводнике больше, чем j=env в "положительном" (при одинаковых сечениях проводников).
Что противоречит закону Кирхгофа об одинаковости тока в любом сечении цепи (при отсутствии ветвления цепи).

И все это следует из применения формулы j=env, из которой обычно исходят в учебниках физики для пояснения такого явления, как электрический ток в проводниках, и из которой там же получают значение для скорости направленного движения электронов порядка 1 см/с.

Пожалуйста, предложите решение этого парадокса исходя из представлений "все по классике".

[свернуть]

Это хорошая задачка, но она не имеет отношения к представленным вами опытам, поэтому и уточнял...

По классике ответ будет выглядеть примерно так. Ток создаётся не сам по себе, а разностью потенциалов. Эта разность будет одинакова и для тока внутри батарейки, и для тока через нагрузку. Всё сходится.

Совсем другое дело, если представить, что батарейка - это идеальный аккумулятор, то по классике выходит, что сколько электронов оттуда вытекает, столько же и втекает. Т.е. получается, что нагрузка работает бесплатно - тут Вы правы - парадокс. Но на самом деле - это и есть главный секрет СЕ

[Vasilius]

Вот, кстати, пример "грязного" эксперимента на эту тему.

А вот здесь пример "чистого" эксперимента.

Разница видна невооруженным взглядом.

Первое видео это видео Виталия, Заряд "честно" его скомуниздил даже ссылку на оригинал не дал. Второе видео тоже видел, и третье, и четвертое, и пятое. Пятое, как по мне, более интересное и на осциллографе все видно.

Виталий поставил эксперимент так как он это понимал.

Вот, например, цитата из википедии:

За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм[10]. Несмотря на это, скорость распространения собственно электрического тока равна скорости света (скорости распространения фронта электромагнитной волны). То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Вижу как-бы противоречие в этом высказывании. Возможно правильней было бы:

За 1 секунду электроны в проводнике перемещаются за счет упорядоченного движения меньше чем на 0,1 мм[10]. Несмотря на это, скорость распространения фронта электромагнитной волны равна скорости света. То есть то место, где электроны изменяют скорость своего движения после изменения напряжения, перемещается со скоростью распространения электромагнитных колебаний.

Про парадокс в своих высказываниях еще думаю.

[with]

В результате возникает парадокс: j=env в "отрицательном" проводнике больше, чем j=env в "положительном" (при одинаковых сечениях проводников).
Что противоречит закону Кирхгофа об одинаковости тока в любом сечении цепи (при отсутствии ветвления цепи).

И все это следует из применения формулы j=env, из которой обычно исходят в учебниках физики для пояснения такого явления, как электрический ток в проводниках, и из которой там же получают значение для скорости направленного движения электронов порядка 1 см/с.

Я эту болячку подцепил еще в институте ... про нестыкуху потенциальной энергии электронов разных участков цепи с законом Кирхгофа.
Электроны несут ведро потенциальной энергии в нагрузку .. нагрузка получает потенцию, опустощая ведро,  при этом электроны выходят "из нагрузки" с тем же полным ведром.
Проблема на мой взгляд в том что нас изначально приучили смотреть на цепи с позиции "коротких линий"  :unsure:

[черкес]

A если представить по старому :проводники трубами по которым течет вода , батарею -насосом, нагрузку- лопастями турбины.
Вода после турбины вся без остатка снова втягивается насосом. Циркуляция против часовой стрелки. В верхней трубе скорость
воды будет больше( разрежение),чем в нижней , в которой повышенное давление. Гидравлику не знаю , но кажется, масса помноженная на скорость в обоих трубах будут одинаковыми

[sector+]

A если представить по старому :проводники трубами по которым течет вода , батарею -насосом, нагрузку- лопастями турбины.
Вода после турбины вся без остатка снова втягивается насосом. Циркуляция против часовой стрелки. В верхней трубе скорость
воды будет больше( разрежение),чем в нижней , в которой повышенное давление. Гидравлику не знаю , но кажется, масса помноженная на скорость в обоих трубах будут одинаковыми

Вы описали сейчас ту феноменологическую модель, из которой исходит классическая физика.
А именно.
Классическая физика исходит из того, что в стационарном случае при протекании тока по цепи ни в какой точке этой цепи не происходит накопления зарядов. Т.е. даже если где-то плотность заряда больше, чем в другом месте, то в стационарном случае эта плотность (в этом месте) остается далее неизменной. В этом случае очевидно, что ток частиц должен быть одинаковым в любой точке цепи. По определению, ток частиц - это произведение объемной концентрации частиц (в каком-то определенном сечении потока) на среднюю скорость частиц (в этом же сечении) и на площадь сечения потока: I=nvS - т.е. это есть число частиц, проходящих через поперечное сечение в единицу времени.
Прямой перенос гидродинамической модели (в которой все частицы текут) на электрический ток приводит к тому, что в той точке цепи, где концентрация зарядов меньше, их средняя скорость должна быть больше.
Это феноменологически.
Однако механизм увеличения средней скорости потока электронов при прохождении через нагрузку - его понимание - вызывает некоторые затруднения.
В качестве альтернативы я могу вам предложить другой способ описания протекания электрического тока, интуитивно более понятный. К тому же он более адекватен, поскольку при создании электрического тока далеко не все имеющиеся в проводнике свободные электроны "текут".
Итак, предположим, что из полюса батарейки (отрицательного) вылетает быстрый электрон, пролетает через "отрицательный провод" без изменения скорости, далее в нагрузке он теряет энергию и теряет скорость, после чего возвращается в батарейку по "положительному проводу" с гораздо меньшей скоростью, чем он имел первоначально. За время пролета электрона по цепи Δt получается, что один электрон вышел из батарейки, и один вошел - т.е. условие непрерывности тока частиц соблюдено. При этом заряд, прошедший по положительному проводу за Δt и по отрицательному проводу за Δt - равны: I=e/Δt. Т.е. токи тоже равны. А вот скорости движения заряда в положительном и отрицательном проводах - не равны.
Теперь остается только добавить, что реальный электрический ток может состоять из множества подобных актов, каждый из которых протекает настолько быстро, что любое реальное время измерения тока >> Δt. Потому любые доступные приборные измерения всегда показывают равенство тока во всех участках цепи. Но из этого не следует классический вывод, что скорость направленного движения электронов больше там, где концентрация их меньше.

[Vasilius]

Итак, предположим, что из полюса батарейки (отрицательного) вылетает быстрый электрон, пролетает через "отрицательный провод" без изменения скорости, далее в нагрузке он теряет энергию и теряет скорость, после чего возвращается в батарейку по "положительному проводу" с гораздо меньшей скоростью, чем он имел первоначально. За время пролета электрона по цепи Δt получается, что один электрон вышел из батарейки, и один вошел - т.е. условие непрерывности тока частиц соблюдено. При этом заряд, прошедший по положительному проводу за Δt и по отрицательному проводу за Δt - равны: I=e/Δt. Т.е. токи тоже равны. А вот скорости движения заряда в положительном и отрицательном проводах - не равны.

Прочитал, написано просто и понятно, но мой мозг подсознательно чувствует, что здесь есть какая-то не стыковка, где-то в самих рассуждениях. Пока не могу понять где.

По поводу парадокса в своих рассуждениях до конца не разобрался, но что-то мне подсказывает, что энергию надо искать не в движении электрона, а в нем самом. Например в его вращении.
Энергия движущегося электрона может меняться в зависимости от его скорости, а энергия вращения электрона может при этом оставаться постоянной. И обе эти энергии могут быть независимыми. Например тот же волчок(юла), раскрутили его и у него появилась энергия вращения. Начали его перемещать появилась энергия перемещения. Причем перемещение и торможение волчка никак не сказывается на его вращении.

[sector+]

Из сказанного следует, что формула I=envS неприменима для описания электрического тока в проводниках.
Потому как ток в проводниках создается не всей совокупностью свободных электронов, а только той ее частью, которая находится в узком слое вблизи поверхности ферми-сферы. Эти электроны движутся с очень большой скоростью - порядка 10⁸ см/с. На минутку, это 10^-2 от скорости света.
Соответственно утверждение, что скорость направленного движения электронов в металле порядка 1 см/с - это некая фикция. Некое усреднение, которое не имеет к действительности никакого отношения. Большинство электронов, которые залегают в глубине ферми-шара, в проведении электрического тока вообще никакого участия не принимают, и своих состояний не меняют.
(Все сказанное относится к стационарному протеканию тока. В нестационарных случаях возникают еще и волновые процессы)

Будь это не так, как написано выше, совершенно невозможно было бы пояснить, почему обслуживающий персонал силовых установок иногда даже убивало током при замыкании ключа. При размыкании цепи постоянного тока - там все понятно - за счет индуктивности цепи силовой установки на клеммах размыкателя появляется высоковольтный всплеск, искра, и даже возможно поражение человека ударным воздействием этого электрического пробоя. А вот при замыкании ключа? Откуда берется удар, способный поразить человека?

[Vasilius]

Будь это не так, как написано выше, совершенно невозможно было бы пояснить, почему обслуживающий персонал силовых установок иногда даже убивало током при замыкании ключа.

Эти слова случайно взяты не из книги Джерри Вассилатоса "Секреты технологии Холодной войны: Проект HAARP, и что за ним стояло", Первая глава- Импульсная технология Тесла? Я там встречал это упоминание:

Такое опасное состояние возникало только при внезапных включениях постоянного тока высокого напряжения. Корона смертельного статического заряда вырывалась прямо из высоковольтных проводников, и часто искала путь к земле, который включал в себя рабочих и операторов.

Просто вопрос, без всякого подтекста.

[sector+]

Такое опасное состояние возникало только при внезапных включениях постоянного тока высокого напряжения. Корона смертельного статического заряда вырывалась прямо из высоковольтных проводников, и часто искала путь к земле, который включал в себя рабочих и операторов. В длинных кабелях этот внезапный зарядный эффект порождал щетину голубоватых игл, исходивших из линии в окружающее пространство. Это состояние происходило непосредственно в момент замыкания рубильника. Голубоватая искрящаяся корона исчезала через несколько миллисекунд, вместе с жизнью любого нечастного, которого она «ударяла». После окончания этого короткого эффекта, системы вели себя как положено. Это явление пропадало, когда заряды медленно насыщали линии и системы. После этой короткой вспышки токи гладко текли туда, куда им и было предназначено.

Этот эффект оказывал вредное воздействие только в маленьких системах. Но в больших региональных энергосистемах, в которых использовалось впечатляющее напряжение, он был смертелен. Люди умирали от этого эффекта, который распространял свою широкую смертельную электростатическую корону искр через компоненты энергосистем. Хотя генераторы были рассчитаны на несколько тысяч вольт, эти таинственные выбросы порождали напряжения в сотни тысяч, даже миллионы вольт. Проблема была решена, когда начали применять хорошо изолированные и заземлённые релейные выключатели. Проведённые к тому времени инженерные изыскания касались только тех свойств энергосистем, которые касались установившегося режима производства и потребления энергии. Теперь же выяснилось, что большие системы требуют при своём проектировании учёта как нормального, так и переходного режимов работы.

Исследование этого эффекта стало на долгие годы основной целью энергетических компаний, а предохранители и искровые разрядники стали темой многих патентов и статей.

Источник

Если кто-то имеет что-то возразить против этого, пусть скажет об этом сейчас.