Что течет по проводам
Перейти к содержимому

Что течет по проводам

  • автор:

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

Недавно мы предлагали читателям-гуманитариям задать вопросы обо всём техническом. В десятке самых популярных вопросов — как ток бежит по проводам и другие вопросы, связанные с электричеством. Постараемся ответить максимально просто.

Что такое электрический ток

«Ток» — от слова «течь», то есть что-то течёт. Можно представить, что это течёт вода.

«Электрический ток» — это когда текут некие частицы, которые передают электрический заряд.

«Электрический заряд» можно представить как кусочек энергии, который может заставить какие-то специальные механизмы что-то делать: крутиться, нагреваться, охлаждаться, сжиматься, светиться и т. д. Например, если у вас есть электрический моторчик, то он начинает вращаться, когда в него затекает электрический заряд.

Частицы, которые передают электрический заряд в токе, называются электронами. Можно представить, что это молекулы воды, хотя в реальности это сложнее.

Учёные называют электрон элементарной частицей — то есть самое простое, что бывает и что нельзя разобрать на части.

Считается, что электрон способен передавать минимально возможный в природе отрицательный заряд.

Нюанс с электронами в том, что его очень сложно поймать. Это не какая-то точка в пространстве, которую можно взять в маленький пинцет и пощупать. Это больше похоже на облако, внутри которого с какой-то вероятностью в каждой точке может быть электрон.

Есть теория, что электрон — это не просто частица, а проявление возмущения электромагнитного поля. Можно представить так: сквозь нас проходит невидимое поле, мы как бы в него погружены. Колебания этого поля создают в пространстве то, что мы воспринимаем как частичку-электрон. Это как если бы мы сидели на озере и видели волны, но не знали бы, что они берутся из озера.

Другая математическая концепция говорит, что электрон — это невидимая нам струна, которая вибрирует определённым образом. Это не доказано, но теория есть.

Как ток бежит по проводам

Для начала метафора:

  • Представьте, что у вас есть труба.
  • С одной стороны к трубе подключён большой бак с водой. Вода давит сама на себя.
  • С другой стороны у трубы кран. Пока он закрыт, вода никуда не льётся, потому что ей некуда.
  • Вы открываете кран, вода начинает литься: из места, где она на себя давит, в место, где на неё ничто не давит.

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

Как это переносится на электричество:

  • У вас есть материал, в котором электроны могут перемещаться с некоторой свободой. Такие материалы называются проводниками — это всякие металлы, например медь.
  • В одном месте проводника создаётся избыток электронов, которые друг на друга давят, им там тесно и напряжно.
  • В другом месте проводника создаётся недостаток электронов.
  • Электроны начинают течь из места напряга в место расслабления (условно говоря).

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)

На самом деле электроны в проводнике перемещаются очень мало и сами по себе не передают энергию из точки А в точку Б.

Правильнее сказать так: электроны двигаются в целом хаотично, а общим направлением их движения управляет электромагнитное поле. Именно поле определяет, сколько куда энергии передать, и именно поле отвечает за передачу этой энергии.

Но со стороны это выглядит неотличимо от того, как если бы сами электроны текли по проводам, как вода. Поэтому в учебниках обычно ограничиваются этим объяснением.

Как ток превращается в работу моторов, грелок и прочих полезных приборов

Люди изобрели устройства, которые превращают электрический ток в полезную работу. Например:

Электромотор работает так: там есть центральная вращающаяся ось и её окружение. По окружению бежит ток, который создаёт электромагнитное поле (считайте, что там появляется магнит). На центральной оси тоже есть что-то вроде магнита, который начинает вращать эту ось под действием внешнего магнита. Получается вращение.

Нагреватели работают так: электроны стукаются об атомы в нагревающем элементе и передают им энергию. Атомы начинают шевелиться, потому что по ним лупят электроны. Шевеление атомов — это и есть тепловая энергия.

Светодиоды работают так: там используются кусочки кремния, в которые подмешаны разные дополнительные материалы. Комбинации этих подмесов позволяют электронам передавать энергию от одного кусочка кремния к другому, попутно превращая эту энергию в фотоны, то есть в свет. В зависимости от того, что подмешано в кремний, можно получать светодиоды разных цветов.

Про компьютеры и как там работает электричество — расскажем отдельно.

Что такое постоянный и переменный ток?

Люди придумали, что электроны можно гонять по проводнику двумя способами: просто в одном направлении и туда-сюда.

Постоянный ток — это когда ток идёт в одном направлении от места, где у тебя избыток электронов (минус) в место, где у тебя недостаток электронов (плюс). Постоянный ток используется внутри всего, что питается от батарей; во всей электронике; в компьютерах и смартфонах.

Переменный ток — это когда ток течёт то в одном направлении, то в другом. Направление тока меняется 50–60 раз в секунду. Это изобретение позволило передавать ток на дальние расстояния и сделало его более удобным в эксплуатации. В розетке у вас переменный ток.

В вашей бытовой электронике стоит преобразователь переменного тока в постоянный. Он берёт переменный ток из розетки и переводит в нужный для прибора постоянный ток.

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)Ноутбуки, смартфоны, планшеты и огромная часть электроники — всё это использует постоянный ток, преобразованный из переменного

Что такое короткое замыкание?

Обычно ток гоняют по проводам не просто так, а чтобы передать энергию какому-то полезному устройству — например светодиоду. На этом устройстве теряется часть энергии и движение тока затруднено.

Если просто дать току бежать по проводам без нагрузки, он будет бежать очень бодро, попутно сталкиваясь с атомами своего проводника. Атомы от такого мощного потока начнут греться. А если тока много, то проводник нагреется очень быстро и может загореться. Это и есть короткое замыкание.

Короткое замыкание случается тогда, когда соединяются напрямую плюс и минус или два провода с переменным током. Это может произойти, если собака перегрызёт вам кабель питания и в нём соединятся два провода. Тогда за несколько секунд провода перегреются и могут загореться.

Чтобы предотвратить пожар из-за короткого замыкания, во всех квартирах сейчас устанавливают специальные устройства: они автоматически отключают ток, когда видят, что ток стал слишком большим.

Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)Нормальное состояние электроцепи: часть энергии уходит на полезную работу Как ток бежит по проводам(и другие вопросы)Когда энергия не уходит на полезную работу, она уходит на нагревание проводника

Что нужно знать гуманитарию про ток?

Не ремонтируйте самостоятельно розетки и не вешайте люстры на голые провода. Вызовите электрика.

Не трогайте оголённые провода. Никакие и никогда.

Не разбирайте устройства, если на них наклеена наклейка «Опасность электрического шока». Там наверняка стоит какой-нибудь лютый конденсатор, который может ударить током будь здоров. Вообще, лучше не разбирать устройства, если вы точно не знаете, как их отремонтировать.

Если у вас маленькие дети, сначала поставьте заглушки на розетки, а потом научите детей технике безопасности с розеткой.

Что течет по проводам?

Цена на сайте может отличаться от цены в магазинах сети. Внешний вид книги может отличаться от изображения на сайте.

Цена на сайте может отличаться от цены в магазинах сети. Внешний вид книги может отличаться от изображения на сайте.

Поделиться с друзьями

Если он окажется среди первых десяти, вы получите 30 бонусов на Карту Любимого Покупателя. Можно писать неограниченное количество отзывов к разным покупкам – мы начислим бонусы за каждый, опубликованный в первой десятке.

Если он окажется среди первых десяти, вы получите 30 бонусов на Карту Любимого Покупателя. Можно писать неограниченное количество отзывов к разным покупкам – мы начислим бонусы за каждый, опубликованный в первой десятке.

«Читай-город» – сеть книжных магазинов, успешно работающих в Москве и других регионах России.

А ещё это – крупный интернет-магазин книг. В нём вы можете заказывать книги в любое время 24 часа в сутки.

Электричество течёт по проводам?

И это справедливо не только для простых людей, но и для учёных. Во всяком случае, короткого и всеобъемлющего определения данного явления так и не появилось. Вот пара цитат.

«Определять чётко, что такое электричество, в настоящее время не следует… И если сделать вывод, то сегодня мы чёткого определения понятия электричеству дать не можем.» (Копылов И.П.) [1],[2]

Если Вы не знаете профессора Копылова, то вот цитата другого исследователя, о котором Вы наверняка слышали, и который знал про электричество значительно больше, чем многие знают и сегодня.

Никола Тесла про электричество

Сейфер Марк, «Никола Тесла. Повелитель вселенной»

«День за днем я задавался вопросом, что же такое электричество, и не находил ответа. С тех пор прошло восемьдесят лет, и я по-прежнему задаю себе тот же вопрос, но не в состоянии ответить на него.» (Никола Тесла) [3]

Общераспространённое представление об электрическом токе

Большинство людей считает, что это некий поток электронов, движущийся по проводам от источника питания (электростанция, генератор, батарейка, аккумулятор и т.п.) к электроприбору и приводящий его в работу. Почти как бензин в топливопроводе машины.

Но это – распространённое заблуждение. Вот несколько причин, по которым данное представление не может быть верным, если бы энергия и поток электронов были бы одним и тем же.

  • Скорость движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1,5 мм2 (стандарт для бытовой системы освещения) составляет… 0,05 мм/с. [4] На этом отрезке умещается более 100 тысяч атомов. Если представить их цепочкой бильярдных шариков, то они будут располагаться с дистанцией между ними примерно равным самим шарикам. Если бы энергия передавалась простым физическим столкновением электронов, им бы потребовалось некоторое время на передачу по цепочке импульса к движению. При такой скорости, после нажатия клавиши выключателя на стене, лампочка на потолке загорелась бы отнюдь не мгновенно.
  • В отличии от батареек, в наших электросетях переменный ток. Это означает, что он постоянно меняет своё направление. В России это происходит 50 раз в секунду. Так что электроны в проводе вообще никуда не движутся. Они просто колеблются туда-сюда практически на одном месте.
  • Проводов, идущих без разрывов от электростанции до наших домов, не существует в природе. На этом пути стоит множество подстанций с трансформаторами, в которых нет прямого контакта проводов. Электроны там физически не в состоянии перескочить с одной катушки на другую.
  • Сегодня представление об электроне, как некой физической частице, в принципе находится под вопросом. Наука пересматривает традиционную модель атома с орбитами электронов. Квантовые физики говорят о вероятностном электронным облаке вокруг ядра, где электрон «размазан» по всему объёму.

Из всего этого можно сделать вывод, что не сами электроны приводят в действие электроприборы. Так что же, а главное каким образом течёт по нашим проводам?

Официальное определение электрического тока

Для начала посмотрим, как электрический ток объясняется в энциклопедиях. Вот первые два предложения из его определения в «Физической энциклопедии»:

«Электрический ток – направленное движение электрических зарядов (электронов, ионов, дырок и т.п.). Количественно электрический ток характеризуется вектором плотности электрического тока…» [5]

Физическая энциклопедия - электрический ток

Определение электрического тока в «Физической энциклопедии» (1998)

Далее идут разъяснения, которые простому человеку будут мало понятны. Нам надо просто запомнить, что для электрического тока не обязательно нужны электроны. Электроны – это лишь один из возможных носителей, передающих заряды. И именно эти заряды являются электрическим током.

Теперь посмотрим более доступное для понимания определение в Википедии:

«Электрический ток или электроток — направленное (упорядоченное) движение частиц или квазичастиц — носителей электрического заряда. Последующее электромагнитное взаимодействие между заряженными частицами осуществляется не прямо, а посредством электромагнитного поля. Скорость распространения электромагнитного взаимодействия (поля) или скорость электромагнитного излучения достигает световых скоростей, что многократно превышает скорость движения самих носителей электрического заряда.» [6]

Тут надо обратить внимание на то, что скорость движения передаваемой энергии превышает скорость движения самих носителей заряда, достигая практически скорости света.

Из всего этого следует, что электрический ток – это вовсе не движение электронов по проводу. Более того, скорость его передачи никак не связана со скоростью и направлением движения электронов.

Да и сам электрический ток и электричество — это разные понятия. Вот определение электричества из Большой Советской Энциклопедии:

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, совокупность явлений, обусловленных существованием, движением и взаимодействием электрически заряженных тел или частиц. Взаимодействие электрических зарядов осуществляется с помощью электромагнитного поля (в случае неподвижных электрических зарядов — электростатического поля; см. Электростатика). Движущиеся заряды (Электрический ток) наряду с электрическим возбуждают и магнитное поле, т. е. порождают электромагнитное поле, посредством которого осуществляется электромагнитное взаимодействие (учение о магнетизме, т. о., является составной частью общего учения об Э.). Электромагнитные явления описываются классической электродинамикой, в основе которой лежат Максвелла уравнения. [7]

Электричество определение БСЭ

Определение электричества в Большой Советской Энциклопедии

А далее будет самое интересное. Оказывается, электрическая энергия вообще не передаётся внутри провода. Но чтобы это понять, ознакомимся немного с природой электричества.

Электричество и электромагнитные волны

В середине XIX века британский физик Джеймс Клерк Максвелл проанализировал все известные на тот момент формулы, описывающие явления электричества и магнетизма. Сегодня они свелись всего к четырём уравнениям. Но одно из них противоречило остальным. Чтобы привести его в соответствие, Максвелл чисто математическим путём добавил в него ещё одно слагаемое, перекликающееся с частью другого уравнения.

Уравнения Максвелла

Система уравнений Максвелла

Так появилось математическое описание взаимодействия меняющихся в пространстве электромагнитных полей. Через несколько лет оно было подтверждено уже экспериментально другими физиками. Сегодня мы называем это явление электромагнитными волнами.

Электромагнитные волны

Векторный вид электромагнитной волны

Длинна этих волн измеряется в сантиметрах или метрах, а частота колебания – в герцах (в честь немецкого физика Генриха Рудольфа Герца, который был в числе подтвердивших выводы Максвелла экспериментальным путём). В зависимости от частоты колебания, электромагнитные волны охватывают весь спектр излучений от низкочастотных и радиоволн до гамма-излучения.

Шкала электромагнитных волн

Шкала электромагнитных волн

Выяснилось, что для передачи электромагнитных волн никакой среды (воздух, вода, металл) не требуется. Они передаются и в полном вакууме, как бы цепляясь друг за друга.

Электричество вокруг нас

Из вышесказанного, можно сделать два интересных вывода:

  • Во-первых, электрическая составляющая есть во всех видах излучения, включая видимый нами свет.
  • Во-вторых, для передачи энергии этой составляющей провода не являются обязательным условием. При желании, можно обойтись и без них. Но это будет сложнее.

Электричество не течёт внутри провода, как вода в шланге. И разрыв «шланга» не всегда означает прерывание передачи электричества. Ведь не поток электронов заставляет работать наши машины и приборы. Их приводит в действие энергия, которая передаётся электромагнитным полем, распространяющимся в пространстве.

Где именно передаётся эта энергия

Даже при проводной передаче электричества энергия распространяется не внутри проводника, а вокруг него. Она передаётся вдоль провода максимально близко к его поверхности, но не в нём самом. А в самом центре проводника напряжённость поля (не путать с потоком электронов) и вовсе равна нулю [8] . Вот отрывок из ещё советского фильма студии «Леннаучфильм», для учащихся высших учебных заведений. В нём однозначно говорится, что:

«…энергия течёт в пространстве, окружающем провод, но не в самом проводе.»

По мере проникновения вглубь проводника, амплитуда электромагнитных волн уменьшается. Это называется скин-эффектом [9] . В следствии этого, и плотность тока максимальна у поверхности проводника, в так называемом скин-слое. Толщина этого слоя определяется как материалом проводника, так и частотой тока. В медном проводнике при частоте 50 Гц толщина скин-слоя будет 9,34 мм, а при частоте 10 МГц — всего 0,021 мм [10] .

Непосредственно для тока имеет значение именно радиус проводника, а не просто его сечение. Для больших радиусов и высокочастотных линий существуют полые провода, дающие больший диаметр без увеличения сечения и веса. Пустое пространство внутри таких проводов может использоваться даже для устройства внутрипроводникового жидкостного охлаждения. Полые провода придуманы достаточно давно. Так, в СССР одна из заявок на патент устройства такого провода была подана ещё в 1928 году [11] .

Патент на полый провод

Патент № 17464, заявка №28110 от 24.05.1928, Торопов А. К

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.

Представление об электрическом токе, как неком непрерывном потоке электронов, текущих внутри провода, как вода в шланге, и приводящем в движение наши приборы и машины — неверно.

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.

Примечания и ссылки:

    (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. , начиная с отметки 7:30. , издательство «Яуза», 2007 г., стр.14.
  1. Физика металлов. Расчет скорости движения электронов в металлах.
  2. «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 5, стр. 515.
  3. Википедия, статья Электрический ток.
  4. Большая Советская Энциклопедия, 3-е издание, том. 30, стр. 48, стлб. 130. Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ», видео 2.4.
  5. Скин-эффект, «Физическая энциклопедия», Москва, издательство «Большая Российская энциклопедия», 1998 г., том 4, стр. 541.
  6. Википедия, статья Скин-эффект.
  7. Портал «База патентов СССР», патент №17464.

Вам могут понравиться и другие подобные статьи, например:

Владимир Малов: Что течёт по проводам?

Владимир Малов - Что течёт по проводам? обложка книги

Чайник, утюг, пылесос, стиральная машина, компьютер и множество других устройств без электричества работать не смогут – это знает каждый. Но вот откуда берётся электричество? Как оно попадает в розетки, батарейки и аккумуляторы? Что такое электроны и какие бывают электростанции? Обо всём этом расскажет автор книги – Владимир Малов.
Для младшего школьного возраста.

  • 1. Обновленная версия знаменитых «Почемучкиных книжек».
  • 2. Серия считается эталоном детской научно-популярной литературы.
  • 3. Формат живого диалога с читателем.
  • 4. Красочные и реалистичные иллюстрации и схемы.
  • 5. Автор книги — издатель журнала «А почему», популяризатор науки Владимир Малов.
  • Покупатели 12

Очень полезная книга! Сын часто стал задавать такие вопросы, на которые я сходу бы и не ответил. А тут как раз увидели в магазине эту книгу! Сразу взяли несколько из серии, но больше всего впечатлила эта. Так виртуозно легко, доступно, понятно написать о довольно сложных вещах — это надо уметь. Рекомендую книгу всем родителям, которые хотят, чтобы дети всесторонне развивались.

Книжки этой серии настолько увлекательные и познавательные, что я просто не понимаю, почему вы их еще не купили. )) У нас вся серия. 8 книг (обошлись мне все в 640 р.). 80 р. за книгу — это ли не сказка? ) Ребенок читает самостоятельно! Там все понятно и просто написано. Прикладываю фоточку разворота, чтобы вы рассмотрели попобробнее. Там прям не только суть, но и исторические справки есть. В общем, очень познавательная серия. Мы довольны. Думаю, что с 6 лет можно читать смело.

Отзыв kulturnaya_mama: "Это тоненькая книженция для первого знакомства с электричеством.
Все достаточно просто (даже для меня, а я тот еще физик), хотя у 28-летней девочки постоянно возникают дополнительные вопросы, но Алисе норм!
Как обнаружили электричество, почему появляются молнии, как работает аккумулятор, генератор, электростанция и АЭС (это вообще очень актуально, я при Алисе смотрела первую серию «Чернобыли» и у нее теперь тьма вопросов).
Кстати, в этой серии «Моя первая книга.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *