Любой человек, разбирающийся в физике, скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света и составляет 300 тысяч километров в секунду. С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество - это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение. Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд - это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду - это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ - молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Где T - это время от вспышки до грома, а L - это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны - это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие - каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой - один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы предвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

Представим себе очень длинную цепь тока, например телеграфную линию между двумя городами, отстоящими один от другого, скажем, на 1000 км. Тщательные опыты показывают, что действия тока во втором городе начнут проявляться, т. е. электроны в находящихся там проводниках начнут двигаться, примерно через секунды после того, как началось их движение по проводам в первом городе. Часто говорят не очень строго, но очень наглядно, что ток распространяется по проводам со скоростью 300 000 км/с.

Это, однако, не означает, что движение носителей заряда в проводнике происходит с этой огромной скоростью, так что электрон или ион, находившийся в нашем примере в первом городе, через секунды достигнет второго. Вовсе нет. Движение носителей в проводнике происходит почти всегда очень медленно, со скоростью несколько миллиметров в секунду, а часто и еще меньшей. Мы видим, следовательно, что нужно тщательно различать и не смешивать понятия «скорость тока» и «скорость движения носителей заряда».

Чтобы разобраться в том, что, собственно, мы имеем в виду, говоря о «скорости тока», вернемся снова к опыту с периодической зарядкой и разрядкой конденсатора, изображенному на рис. 70, но представим себе, что провода в правой части этого рисунка, через которые разряжается конденсатор, очень длинны, так что лампочка или прибор для обнаружения тока находятся, скажем, на расстоянии в тысячу километров от конденсатора. В тот момент, когда мы ставим ключ вправо, начинается движение электронов в участках проводов, прилегающих к конденсатору. Электроны начинают стекать с отрицательной обкладки ; одновременно, вследствие индукции, должен уменьшаться и положительный заряд на обкладке , т. е. электроны должны притекать к обкладке из соседних участков провода: заряд на обкладках и разность потенциалов между ними начинает уменьшаться.

Но перемещение электронов, происшедшее в участках проводов, непосредственно примыкающих к обкладкам конденсатора, приводит к появлению добавочных электронов (в участке около ) или к уменьшению их числа (в участке около ). Это перераспределение электронов изменяет электрическое поле в соседних участках цепи, и там также начинается движение электронов. Указанный процесс захватывает все новые и новые участки цепи, и когда, наконец, движение электронов начнется в волоске удаленной лампочки, оно проявится в накаливании волоска, (вспышке). Понятно, что совершенно аналогичные явления имеют место и при включении любого генератора тока.

Таким образом, начавшееся в одном месте движение зарядов через изменение электрического поля распространяется по всей цепи. Одни за другими все более удаленные носители заряда вовлекаются в это движение, и эта передача действия от одних зарядов к другим и происходит с огромной скоростью (около 300 000 км/с). Иначе можно сказать, что электрическое действие передается от одной точки цепи к другой с этой скоростью или что с этой скоростью распространяется вдоль проводов изменение электрического поля, возникшее в каком-нибудь месте цепи.

Таким образом, та скорость, которую мы для краткости называем «скоростью тока», - это скорость распространения вдоль проводника изменений электрического поля, а отнюдь не скорость движения в нем носителей заряда.

Поясним сказанное механической аналогией. Представим себе, что два города соединены нефтепроводом и что в одном из этих городов начал работать насос, повышающий в этом месте давление нефти. Это повышенное давление будет распространяться по жидкости в трубе с большой скоростью – около километра в секунду. Таким образом, через секунду начнут двигаться частицы на расстоянии, скажем, 1 км от насоса, через две секунды – на расстоянии 2 км, через минуту – на расстоянии 60 км и т. д. Спустя примерно четверть часа начнет вытекать из трубы нефть во втором городе. Но движение самих частиц нефти происходит значительно медленнее, и может пройти несколько суток, пока какие-нибудь определенные частицы нефти дойдут от первого города до второго. Возвращаясь к электрическому току, мы должны сказать, что «скорость тока» (скорость распространения электрического поля) аналогична скорости распространения давления по нефтепроводу, а «скорость носителей» аналогична скорости движения частиц самой нефти.

Чему равна скорость тока в проводнике?

Банальный если не риторический вопрос, не правда ли? Все мы в школе учили физику и хорошо помним, что скорость электрического тока в проводнике равна скорости распространения фронта электромагнитной волны, то есть равна скорости света. Но ведь на тех же уроках физики, нам показывали и кучу интересных опытов, где мы могли сами во всем убедиться. Вспомним хотя бы замечательные опыты с электрофорной машиной, эбонитом, постоянными магнитами и т.д. А вот опыты по измерению скорости электрического тока не показывали даже в университете, ссылаясь на отсутствие необходимого оборудования и сложность данных экспериментов. За последние несколько десятков лет прикладная наука сделала огромный рывок вперед и сейчас у многих любителей есть дома та аппаратура, о которой несколько десятков лет назад не мечтали даже научные лаборатории. А потому пришла пора начинать показывать и опыт по измерению скорости электрического тока, что бы вопрос был закрыт раз и навсегда в лучших традициях физики. То есть не на уровне математики гипотез и постулатов, а на уровне простых и понятных каждому экспериментов и опытов.
Суть эксперимента по измерению скорости электрического тока проста до безобразия. Возьмем провод, определенной длинны, в нашем случае 40 метров, подключим к нему генератор сигналов высокой частоты и двухлучевой осциллограф один луч соответственно к началу провода, а другой к его концу. Вот и все. Время, за которое электрический ток пройдет по проводу длиной 40 метров составляет около 160 наносекунд. Сдвиг именно на это время мы и должны увидеть на осциллографе между двумя лучами. Посмотрим теперь, что же мы видим на практике

– есть единичная напряженность электрического поля проводника (квант напряженности), который по физической сути есть отношение продольной силы электрино к его заряду.

– гиромагнитная постоянная электрино.

Отличается от скорости света всего на 3,40299%, но отличается. Для техники прошлого века это отличие было неуловимым, поэтому в качестве электродинамической постоянной приняли . Однако, спустя 4 года после публикации своей знаменитой статьи по электродинамике, в 1868 году, Дж. Максвелл усомнился в этом и с участием ассистента Хоукина перемерил ее значение. Результат , который отличается от истинной электродинамической постоянной всего на 0,66885%, остался никем непонятым, в том числе и самим автором.

Орбиты электрино в поперечном к оси проводника сечении расположены одна над другой, образуя пакет электрино вихря или один электрино вихрь. Внешние и внутренние электрино в пакете движутся с одинаковой продольной скоростью .

Каждая частица развивает напряжение ;

( – электрическая постоянная), а их совокупность в пакете – напряжение линии. Квант магнитного потока есть отношение напряжения одного электрино к его круговой частоте

Отсюда напряжение линии .

Магнитный поток проводника .

– квант продольного смещения напряжения.

Магнитная индукция есть плотность магнитного потока, отнесенная к сечению элементарной траектории вихря

– шаг вихря; расстояние между пакетами; расстояние между орбитами – то есть расстояние между частицам – электрино.

Максимальная индукция – при плотно сжатых электрино, когда – диаметру электрино,

технически никогда не достижима, но является ориентиром, например, для Токамака. Недостижимость объясняется сильным взаимным отталкиванием электрино при их сближении: так, при механическое напряжение в магнитном потоке составит , до которого сжать магнитный поток ныне не под силу.

Напряженность магнитного поля есть отношение кольцевого тока к межорбитальному расстоянию в пакете.

Если - частота прохождения электрино вдоль проводника через данное сечение при единичном токе , то . Число частиц электрино, принимаемых за единицу времени будет (постоянная Франклина). Тогда: единица тока в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина. Также и: единица количества электричества в определяется шаговым переносом совокупности электрино, равной числу Франклина.

Если по параллельным проводникам ток течет в одном направлении, то наружные вихревые поля системы из 2-х проводников сливаются, образуя общий вихрь, охватывающий оба проводника, а между проводниками из-за встречного направления вихрей плотность магнитного потока уменьшается, вызывая снижение положительного напряжения поля. Итогом разности напряжений является сближение проводников. При встречном токе плотность магнитного потока и напряженность растет между проводниками, и они взаимно отталкиваются, но не друг от друга, а от межпроводникового пространства, более насыщенного энергией вихревых полей.

Для тока ведущая роль в проводниках принадлежит атомам поверхностного слоя. Рассмотрим алюминиевый проводник. Его особенностью является оксидная пленка . И физики, и химики эту молекулу считают электронейтральной на том основании, что атомы алюминия и кислорода взаимно компенсируют валентность друг друга. Если бы это было так, то алюминий не мог бы проводить электричество, а он проводит, и проводит хорошо, значит, обладает избыточным отрицательным зарядом.

Анализ показывает, что атом содержит один избыточный электрон при дефиците электрино, обусловливающие ему значительный избыточный заряд отрицательного знака:

где – недостающее число электрино в атоме алюминия;

– атомная масса,

Атомное число алюминия.

Каждые две молекулы содержит 3 электрона связи.

Нижний радиус надпроводниковой части вихря можно принимать равным половине межатомного расстояния – периода решетки электропроводящего материала:

( – масса атома; – его плотность).

Круговая частота вихря также определяется через :

Здесь: – секториальная скорость для ;

– радиус проводника;

– электростатическая постоянная.

Аналогично закону Ома запишем .

Из видно, что есть население одной орбиты частицами – электрино, следующими по ней след в след;

Проиллюстрируем расчет параметров для алюминиевого проводника (радиус ) с постоянным током при напряжении .

Секториальная скорость

Круговая частота вихря ()

Продольная частота электрино

Напряжение, развиваемое одной траекторией электрино:

Шаг вихревого пакета

Кольцевой ток одного электрино пакета

Полное число электрино в вихревом пакете

Население орбиты частицами – электрино

Число орбит вихревого пакета

Напряжение линии, развиваемое одним пакетом – элементом вихря:

Ток линии

Мощность линии

Толщина вихря

Внешний радиус вихря

Продольная составляющая магнитного поля проводника

Индукция линии

где – магнитная постоянная;

– относительная магнитная проницаемость .

Нормальная составляющая вихревого магнитного поля проводника:

Как видно, электрический ток и магнитное поле являются свойствами вихревого электрического поля.

Началом деструкции линии электропередачи служит появление коронного свечения. При приближении механического напряжения вихря к значению модуля Юнга проводника амплитуда колебания внешних атомов возрастает до критического значения, при достижении которого начинается высвобождение из них избыточных электронов, которые тут же обращаются в электроны-генераторы и приступают к ФПВР, сопровождаемому излучением света в видимой области спектра. В основе коронного свечения проводника и свечения нити лампы накаливания лежит одно и то же явление – ФПВР, запускаемый столкновительным взаимодействием вихря с атомами нити и проводника.

Удельное сопротивление проводника определяется его параметрами: периодом решетки и диаметром глобулы :

Ширина межатомного канала.

Это подтверждается расчетом по фотографии золота, совпадающим с фактически значением. Часть электрино рассеивается при столкновениях с атомами проводника, что определяет КПД линии электропередачи. КПД пропорционален температуре: .

Это уже достигается при сверхпроводимости, но полной сверхпроводимости не может быть из-за рассеяния электрино. Сверхпроводимость объясняется скачкообразным уменьшением нулевого колебания атомов (в 85 раз для ) и перестройкой кристаллической решетки (в 4 раза увеличивается межатомный канал), поэтому удельное сопротивление уменьшается на 5 порядков. Незатухающий ток сверхпроводимости объясняется магнитным полем Земли. Поскольку сопротивление все же больше нуля, то без магнитного поля Земли ток затухает.

Несколько экзотической иллюстрацией электрического тока является излучение лазера, хотя его излучение считают оптическим. Например, в неодимовом лазере с энергией импульса и продолжительностью , протяженность импульса ;

число вихревых пакетов на импульсе ;

число орбит вихревого пакета ;

структурное сопротивление луча ;

население одной орбиты (~на 3 порядка больше, чем в ). Эти расчеты выполнены по новой теории без противоречий с фактами. Что же происходит в лазере?

Лучи света в активном элементе многократно отражаются, что приводит к полной деструкции луча белого света. Образуется большое количество электрино, вошедших с лучом фотонами. Одновременно часть осевых полей элементарных лучей после тоже многократного отражения формирует объединенное осевое поле резонатора и через выходное зеркало уходит в пространство с бесконечной скоростью. Свободные электрино устремляются к осевому отрицательному полю. В начале вокруг осевого поля они движутся беспорядочно; затем приобретают вращение в одну сторону, и формируется нормальный вихрь. Факт сложения модулей одноименных электрических полей подтверждается суммарным зарядом осевого поля лазера данной установки. Как уже видно – лазерное излучение – это электрический ток по идеальному сверхпроводнику – электронному лучу. Но есть еще несколько примеров, отличающих лазерный луч от светового. Так, скорость распространения лазерного луча по световоду является обратной функцией частоты, то есть высокочастотный луч по световоду распространяется с меньшей скоростью, чем низкочастотный; для естественного света картина обратная.

Лазерный луч, как и проволочный ток, легко модулируется; световой – нет. Лазерный луч распространяется со скоростью электрического тока ; световой со своей скоростью (фиолетовый) .

КПД традиционных лазеров никогда не будет высоким в виду многоэтапности процесса и потерь: сначала нужно добыть свет, затем его разрушить, потом из обломков собрать осевое электронное поле и нанизать на него остатки фотонов. Предлагается электрический ток с металлического проводника переводить сразу на сверхпроводящий проводник – осевое электронное поле, создаваемое каким-либо прибором, например, магнетроном. Тогда КПД лазера будет не меньше 90%. Поскольку вихрь электрино легко проходит туда и обратно (металлический проводник осевое электронное поле), то можно осуществить, например, беспроволочную линию электропередачи и другие использующие это свойство установки, в том числе, электрогенераторы с ФПВР, которые возбуждаются электрическим разрядом, химической реакцией, горением, электронным пучком и т.п.

Электрический аккумулятор

Электрический, например, свинцовый аккумулятор как раз является таким устройством, в котором ФПВР возбуждается химической реакцией.

В пристенном слое свинцовой пластины-анода, имеющей отрицательный избыточный заряд происходит реакция

Перекись водорода тут же диссоциирует, образуя пристенную плазму:

Три электрона-генератора на 4 положительных иона сразу начинают ФПВР. Образуется порядка электрино на один электрон. Они вступают во взаимодействие с отрицательным потенциалом пластины и переходят в орбитальное движение вокруг анода, затем через клеммы на проводник к потребителю. Часть неиспользованного тока возвращается на катод, другая часть рассеивается у потребителя в пространство, в основном, в виде тепловых фотонов. Напряжение анодного вихря на выше катодного (там плазмы нет), чем обеспечивается движение электрино – от большого напряжения к меньшему.

Атомы Н обращаются в нейтроны и выбывают из игры. Атомам кислорода, испытавшим дефект массы уже не образовать молекулу ввиду утери 82% своего положительного заряда. Эти атомы, соединяясь с отработавшими электронами-генераторами, образуют ионы . Остальные электроны-генераторы связывают положительные молекулы воды в () – . Отрицательные ионы , , у анодной пластины с положительными электрино образуют барьер. Электрино разбиваются на вихри вокруг отрицательных ионов как вокруг атомов в металлических проводниках и по ионной дорожке – токопроводнику следуют от катода к аноду. При зарядке аккумулятора картина – обратная. Львиная доля зарядного тока расходуется на нейтрализацию отрицательных ионов.

Как видно, источником электрино является вода, она расходуется; и сохраняется неизменными. Однако при смене электролита выбрасывается и кислота. При зарядке полной нейтрализации не происходит, что обеспечивает ионную электропроводность раствора. Но есть опасность полной нейтрализации и выхода аккумулятора из строя.

Строение атома

Атом состоит из нейтронов со слегка разбалансированными зарядами. Нейтрон описан выше в §2. Протонов нет, как нет и орбитальных электронов, поэтому порядковый номер элемента не несет смысловой нагрузки. Нейтроны и атомы – это электростатические системы, ничто в них не движется. Как было выше указано, уточнены атомные массы элементов и атомные числа, которые округлены до целого числа нейтронов.

Сложившиеся представления о валентности не соответствуют фактам. Так, валентность группы щелочных металлов считают одинаковой и равной +1. Но хорошо известно, что эти металлы обладают не одинаковой химической активностью; их реакционноспособность возрастает от лития к цезию. Обратная картина наблюдается у галогенов: реакционноспособность резко уменьшается от фтора к астату при, как считают, единой валентности группы, равной –1.

Как было показано выше, нет иных взаимодействий, кроме электростатического и электродинамического, и химические реакции также входят в этот класс взаимодействий. И именно величина и знак избыточного заряда определяют химическую активность элемента и его отношение к другим реагентам. Как было показано на примере углерода и других элементов валентность определяется свойствами этих элементов по несложным формулам. Знак заряда определяется по соединениям элемента и по его участию в реакциях.

Установление природы электрического тока и электропроводности металлов на атомном и субатомном уровне однозначно утвердило электроотрицательность атомов металлов и электроположительность диэлектриков. Полупроводники меняют эти свойства при изменении условий (температура) за счет электронов связи, которые при этом выходят за пределы кристаллической решетки.

Стало понятно, что все электроположительные атомы соединяются в молекулы с помощью электронов связи, и эти электроны надо учитывать по балансу в формулах химических реакций. При этом, как указывалось в §6, поверхность электроположительных полей превышает поверхность электроотрицательных полей на пять порядков. Поэтому связующим звеном между атомами в молекулах могут быть только электроотрицательные частицы – электроны связи. Этому способствует также то, что электрические поля структурных электронов заняты, во-первых, внутри нейтронов построением и удержанием их конструкции и, во-вторых, – внутри атомов скреплением нейтронов между собой. То есть на внешние электрические поля остается совсем немного заряда, да и тот, как видно, распределен на мизерной площади внешней поверхности атомов. Подавляющее преобладание электроположительной поверхности и приводит к тому, что соединение атомов в молекулы осуществляется только с помощью электронов связи.

Валентность подгруппы первой группы щелочных металлов периодической системы приведена в таблице 1. Она подтверждает установленные практикой факты реакционноспособности этих элементов. Валентность элементов 2-го периода также дана в таблице 1.

Кроме того, как оказалось, у благородных газов нет нарушения электронного состава – в этом их главная особенность; но электринный состав нарушен. Лишь у криптона и ксенона избыточный заряд достигает той величины, когда они способны вступить в химическое взаимодействие с самыми электроположительными элементами – кислородом и фтором.

Каждый период начинается с сильно электроотрицательных металлов (в начале – щелочной металл). Электроотрицательность постепенно уменьшается и типичные металлы, ближе к концу периода, заменяются элементами-полупровод-никами, а заканчивается период одним из галогенов – электроположительным элементом, типичным неметаллом.

Таблица 1

Валентность элементов

Маленький эпилог

На очень трудный и важный вопрос: откуда энергия? – теперь, как видно, можно дать однозначный ответ: энергия – из вещества, которое в принципе является аккумулятором энергии.

При этом энергия, участвуя в круговороте вещества, только меняет форму: кинетическая или потенциальная энергия элементарных частиц. Вещество же меняет только фазовое состояние: от элементарных частиц до композиционных тел, не меняя суммарной массы.

Задача: научиться получать эту энергию без ущерба для природы и человека. Этому и будет посвящена следующая часть монографии.

ЧАСТЬ ВТОРАЯ

ПРОЦЕССЫ И УСТАНОВКИ
ЕСТЕСТВЕННОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

Источниками электрическою тока яв­ляются батареи, аккумуляторы, динамомашины, различные виды генерато­ров и т. д. Они производят элект­роэнергию за счет какого-нибудь дру­гого вида энергии, например, химиче­ской, механической, тепловой и пр. Следовательно, и вслучаях с источни­ками электрического тока закон сохра­нения энергии остается в силе.

Каждый источник тока имеет свойство при замыкании цепи создавать в проводниках электрическое поле, ко­торое с определенной силой действует на свободные электроны. Поэтому го­ворят, что каждый источник тока имеет определенную электродвижу­щую силу (ЭДС).

Источники электрического тока электронов не производят, но создан­ное ими электрическое поле приводит в движение свободные электроны, находящиеся всамих проводниках. В этом отношении любой источник тока можно сравнить с насосом, который приводит в движение воду в замкнутой системе труб (рис. 3.3б). Насос пере­дает энергию турбине так же, как бата­рейка передает энергию лампочке. Оче­видно, в любой неразветвленной систе­ме количество воды, протекающей в толстых и тонких трубах за единицу времени, одно и то же, только по тон­ким трубам частицы воды движутся с большей

скоростью. По аналогии можно сказать, что величина тока в неразветвленной электрической цепи везде одна та же, только в проводниках большего диаметра электроны движутся медленнее, чем в более тонких проводниках.

Скорость электрического тока

Электрическое поле распространяется по проводам со скоростью 300 000 ки­лометров в секунду. Эта скорость так велика, что за одну секунду поле может обойти земной шар около восьми раз!

Скорость направленного движения электронов в проводниках намного меньше и зависит от плотности тока.

По накаленной нити электрической лампочки электроны движутся со ско­ростью 1-2 сантиметра в секунду, в то время как в шнурах и кабелях эта ско­рость не превышает 2-3 миллиметров в секунду. Здесь может возникнуть воп­рос: почему же говорят, что скорость электрического тока огромна?

Для того, чтобы разобраться в этом, представим себе несколько десят­ков кубиков, плотно сложенных по прямой линии на гладкой поверхности. Если толкнем первый кубик, то толчок дойдет до последнего кубика почти мо­ментально, однако, скорость каждого кубика в отдельности не будет очень большой. Таким же образом при за­мыкании электрической цепи электри­ческое поле распространяется по про­воднику с огромной скоростью и по­чти одновременно приводит в движение как близкие, так и дальние электроны. Вот почему и принято считать, что электрический ток распространяется по проводникам со скоростью около 300 000 километров в секунду.

Направление электрического тока

Мы уже выяснили, что в металлах электрический ток обусловлен только одним видом носителей зарядов – электронами. Однако в электролитах электрический ток обусловлен как электронами, так и положительными ионами. Подобную картину наблю­даем

и в полупроводниках, где элект­рический ток обусловлен двумя видами заряженных частиц: электронами и дырками (дырки имеют свойства поло­жительно заряженных частиц, т. к. представляют собой места, в которых отсутствуют электроны). На рис. 3.4а условно показан полупроводник, по ко­торому не течет ток. Видно, что элект­роны и дырки движутся хаотично в различных направлениях вследствие теплового колебания. Если же полу­проводник соединен с источником то­ка, то возникает электрическое поле, и дырки начинают двигаться в направле­нии поля, а электроны – навстречу по­лю (рис. 3.4б).

Еще в прошлом веке было принято под направлением электрического тока понимать направление движения положительно заряженных зарядов (тогда еще не знали, что ток в металлах обусловлен только электронами). По традиции это правило сохранилось и до сих пор. Поэтому согласно этому правилу, направление тока в металлах противоположно направлению движения электронов. Следовательно, ток во внешней цепи течет в направлении от положительного полюса к отрицательному.