2020-06-08
106Физический смысл тока и напряжения
Часть 6
«посвящается всем истинным любителям естествознания»
Дейна Сергей Алексеевич
Каков ты, таковы и события вокруг тебя.
И Цзин
Содержание 6-части работы:
Что происходит в диэлектрике конденсатора?
Как движется ток в электрической цепи?
Вступление
Как видно из содержания этой работы порядок следования частей в ней был изменён. Причиной этого является недостаточность фактического материала, на основании которого можно было бы уже определить и рассказать, в чём заключается физический смысл тока и напряжения. Конечно, может возникать множество простых фантазий и серьёзных гипотез, на основании которых возникает соблазн дать определение тому, что такое ток и напряжение, но такой метод не может относиться к естественнонаучному. Любые домыслы и предположения, возникающие в ходе исследования всегда должны доказываться на опыте (прежде всего, самому себе) и только после этого их можно включать как факт в Картину Мира.
|
|
|
Всякий раз, приступая к очередной работе, я неустанно повторяю, что естествознание начинается с реального опыта. Всё остальное следует за ним. Но, до тех пор, пока все детали опыта не будут выявлены, делать выводы и выдвигать новые гипотезы – это подобно построению замков на песке.
Те, кому не нравятся мои комментарии (к моим же опытам), не сморите их и интерпретируйте их сами, но сами опыты здесь ни при чём. Факт существования чего-либо и его интерпретация – это не одно и то же. Чтобы подтянуться к знанию исследователя, обладающего опытом, необходимо составить и соединить все звенья логической цепи, которые были соединены и получены ним, не пропуская ни одного звена.
Некоторые посетители канала в комментариях высказывают мне различные претензии, например, не существует никаких электрических зарядов, что вокруг проводников с током вьётся в виде спирали магнитное поле, что ток смещения снаружи проводов движется в обратную сторону движению тока проводимости, что не существует никаких магнитных полей и силовых линий, что никаких фотонов не существует и так далее. Друзья, я не против, признать всё это реально существующим и даже включить в свою Картину Мира, но только при одном условии – если наряду с этими предположениями будут получены доказательства перечисленных феноменов на опыте, ну, или хотя бы будут зафиксированы их косвенные признаки. Никто ведь не обладает даром видеть электроны, фотоны, магнитные и электрические поля и так далее. Их существование – это результат работы воображения исследователей и полученных в опыте косвенных доказательств. Поэтому, пока мы не «нащупаем что-то новое», то вынуждены будем продолжать накапливать опытные данные, на основании которых спустя время мы, наконец, сможем сделать нужные для нас выводы. Главное – создать у себя установку преодолеть, ставший уже для нас привычным – виртуальный образ жизни и не лениться.
|
|
|
Наконец, последнее. У большинства людей есть один и тот же «недостаток» – они забывают следовать законам взаимообмена. Например, всем понятно, что когда на базаре встречаются два человека, то натуральный обмен между ними состоится только в том случае – если каждый из них нуждается в том, что имеется в наличие у его партнёра. Но когда люди делятся знаниями друг с другом, то об этом почему-то забывают. В результате общение между людьми хоть и состоялось, а результат нулевой, так как партнёры не услышали и не поняли друг друга и в результате никто ничего не получил. Обмен не состоялся.
Надо понимать, что наша речь – это всего лишь своего рода коды, которые помогают человеку настроиться на восприятие имеющегося у нас образа. При обмене знаниями нашему партнёру в первую очередь нужен наш образ, а не словесная интерпретация этого образа, которую мы ему подсовываем. Поэтому, если при передаче знаний в общении человек использует чуждые и незнакомые партнёру слова (коды), то партнёр не сможет воспринять образ, а слова превратятся в зря потраченную энергию и мусор.
Чтобы быть понятым, то есть помочь партнёру настроиться на восприятие нашего образа для этого как минимум надо говорить на языке партнёра (в его кодах). Для этого, прежде всего надо интересоваться его мировоззрением, приходить к единой терминологии, как это делали в своё время софисты: перед спором они всегда договаривались о предмете спора так, чтобы каждый участник беседы мыслил под одним и тем же термином одно и то же понятие. Тогда информация, которой делится человек, станет понятна партнёру, войдёт в его сознание и легко создаст у него нужный образ. В этом случае можно считать, что и обмен знаниями (опытом) состоялся.
Что происходит в диэлектрике конденсатора?
Эта часть работы будет посвящена некоторым свойствам диэлектриков. В работе «Электростатика-2. Электризация тел методом индукции и прикосновения», с которой можно ознакомиться по ссылке: https://www.youtube.com/watch?v=drnVJ1u9d3E я показывал что будет, если две обкладки конденсатора зарядить разноимёнными зарядами. В этот ролик не вошли опыты, когда на одной из обкладок конденсатора невозможно обнаружить электрического заряда. Ниже будет показан один из таких опытов.
Конденсатор – это устройство, состоящее двух обкладок (изготовленных из материала проводящего электрический ток) и диэлектрика между ними (из материала, не проводящего электрический ток). Известно, что диэлектрик не проводит постоянный ток, но каким-то образом он может аккумулировать потенциальную электрическую энергию.
В этой связи полезно вспомнить, как ведут себя проводники и диэлектрики, находясь в поле действия электрического потенциала.
1. Как показано на рисунке ниже, если к металлическому проводнику (например, металлической сфере) поднести заряженное тело, то в нём происходит сепарация (разделение) разноимённых электрических зарядов. Таким образом, в общем случае весь проводник превращается в электрический диполь на одной стороне которого, наблюдается избыток зарядов отрицательного знака (и недостаток зарядов положительного знака), а на другой стороне избыток зарядов положительного знака (и недостаток зарядов отрицательного знака) или наоборот.
Каким способом можно достоверно в этом убедиться?
– Очень просто – с помощью детектора знака электрического заряда.
|
|
|
В ролике под названием «Электростатика 1. Опыт по регистрации ЗНАКА электрического заряда» https://www.youtube.com/watch?v=Ds5k0_54x7k был показан такой детектор, фотография которого приведена ниже.
Я снова отснял небольшой фрагмент, в котором демонстрирую возможности такого детектора.
Сморим видео фрагмент:
2. В отличие от металлических проводников в диэлектрике электрические заряды связаны, поэтому они не могут в нём свободно перемещаться. Но под действием приложенного к диэлектрику внешнего электрического поля заряды в нём могут смещаться по направлению действия внешнего электрического поля и, в зависимости от свойств конкретного диэлектрика сохранять некоторое время это положение, даже при устранении действия внешнего поля. В учебниках это явление называют поляризацией диэлектриков. Пусть, это будет называться так, пока у нас на опыте не появятся данные, уточняющие эту информацию.
Явление поляризации диэлектрика у ферромагнетиков имеет аналог под названием намагниченность. В обоих случаях в материале под действием внешнего поля происходит поворот/смещение микроструктур, каждая из которых имеет в пределах определённых своих границ спонтанное поле.
Ещё надо добавить, что явление поляризации диэлектриков, как и намагничивание ферромагнетиков, представляет собой явление аккумулирования энергии внешнего поля, но которое всегда сопровождается некоторыми потерями энергии. Эта энергия расходуется на деформацию внутренней структуры этих материалов, что сопровождается их нагревом. Величина потерь энергии зависит от свойств конкретного материала. Помимо указанных выше свойств у диэлектриков наблюдается ещё два явления, имеющие аналогию с магнетизмом.
Например, диэлектрики можно отнести к электромягким, а другие к электрожёстким, подобно магнитожёстким ферромагнитным материалам (сохраняющим свою намагниченность при снятии внешнего магнитного поля) и магнитомягким (которые теряют свою намагниченность).
Отличие диэлектриков от ферромагнетиков состоит в том, что при снятии внешнего поля диэлектрики всегда сохраняют свою поляризацию, но электрожёсткие диэлектрики, подобно магнитожёстким ферромагнетикам (постоянные магниты) восстанавливают свою поляризацию после их разрядки. Диэлектрики, обладающие таким свойством, называются электретами.
|
|
|
Э лектромягкие диэлектрики теряют поляризацию после их разрядки, подобно магнитомягким ферромагнетикам, которые размагничиваются при снятии внешнего магнитного поля.
Как и ферромагнетики, почти все диэлектрики усиливают приложенное к ним внешнее (электрическое) поле, за исключением физического вакуума и некоторых других материалов, у которых ε 
1. Запомним это! На этом сходство намагниченности ферромагнетиков и поляризации диэлектриков оканчивается.
Как же на самом деле обстоит дело с поляризацией диэлектриков:
а) либо внешнее электрическое поле приводит к поляризации электрических диполей в диэлектрике (как об этом пишут в книгах);
б) либо внешнее поле приводит к смещению в диэлектрике связанных электрических зарядов в направлении приложенного внешнего электрического поля?
Этого мы пока доподлинно не знаем, поэтому будем продолжать накапливать опыт, зато сегодня мы можем провести опыт и пронаблюдать, как будет вести себя диэлектрик и увидеть, как проявляют себя указанные выше их свойства.
Смотрим видео фрагмент:
Теперь, когда мы освежили в памяти основные электрические свойства проводников и диэлектриков, и увидели их проявление на опыте, можно приступать к анализу свойств конденсаторов, неотъемлемой частью которых является диэлектрик.
В предыдущей работе было отмечено, что конденсаторы, в отличие от индуктивностей не сопротивляются зарядке электрической энергией, а, наоборот, способствуют зарядке. Этому явлению конденсатор обязан:
а) проводящим свойствам обкладок и проводников конденсатора;
б) свойству диэлектриков усиливать внешнее электрическое поле (при ε 
1) и аккумулировать его.
Если следовать понятиям и терминологии новой трёхзначной логики конденсатор является дополнением катушки индуктивности до универсума, то есть до ЦЕЛОГО. Свойства катушек и конденсаторов по отношению друг к другу являются инверсными (лицевой и изнаночной стороной одного и того же). Это означает, что, если катушка индуктивности сопротивляется увеличению в ней тока, то конденсатор, наоборот, всегда способствует его возрастанию.
В некоторых роликах я рассказывал о понятии сопряжённая пара. В логике они называются дуальностью. Здесь для полноты информации можно добавить, что существует два вида сопряжённых пар – аддитивные и мультипликативные, что, наконец, открывает в науке прямую дорогу к золотому сечению и изучению гармонии в Природе. Более подробно это будет рассмотрено в отдельной работе.
Действительно, все хорошо знают, что индуктивность в электротехнике подобна инерции в механике и проявляется как сопротивление возрастанию тока в катушках индуктивности. Чем больше в катушке витков, тем больше сопротивление и тем медленнее в ней возрастает ток. А вот у конденсатора с током всё иначе: чем больше ёмкость, тем быстрее будет через него возрастать ток. Давайте проанализируем так ли это, а если да, то чем это вызвано, для чего рассмотрим процесс зарядки конденсатора и разделим его условно на несколько частей.
1. На рисунке ниже показан разряженный конденсатор, состоящий из двух металлических (проводящих) обкладок и электромягкого диэлектрика, находящегося между ними. В это время проводящие обкладки конденсатора электрически нейтральны, что обозначено символом N. Напомню, что термин нейтральный просто означает одинаковое количество свободных разноимённых зарядов, находящихся в металлических обкладках. Диэлектрик тоже электрически нейтральный, но в нём нет свободных зарядов, а есть связанные электрические заряды, которые под действием тепла всегда ориентированы хаотически (подобно доменам в магнитомягком ферромагнетике), в результате напряжённость электрического поля внутри диэлектрика равна нулю.
2. Если через высокоомное сопротивление подать на металлические (проводящие) обкладки конденсатора разность электрических потенциалов (напряжение), то между ними со скоростью света устанавливается электрическое поле, что неизбежно приведёт к разделению электрических зарядов в обкладках, как это показано на рисунке ниже.
3. Когда под действием внешнего электрического поля между обкладок конденсатора появляется разность потенциалов, как следствие, это ведёт к небольшому смещению связанных зарядов в диэлектрике.
Каждый смещённый в диэлектрике заряд под действием приложенного внешнего поля запасает подобно взведённой пружинке часть потенциальной энергии, затраченной этим полем на смещение этого заряда. Смещённые заряды являются дополнительным источником потенциальной энергии между обкладок конденсатора, которая сохраняется в диэлектрике и при снятии внешнего электрического поля. В результате свободные разноимённые заряды, которые находятся на обкладках конденсатора, фиксируются ещё сильнее.
Если убрать обкладки конденсатора в то время, когда электромягкий диэлектрик полностью заряжен, то он довольно долго может оставаться поляризованным до тех пор, пока не передаст всю энергию, запасённую смещёнными зарядами, например, молекулам воздуха, ионизируя их.
Диэлектрик можно разрядить по-другому, снова поместив его между металлических обкладок конденсатора и замкнув их между собой накоротко, но в этом случае диэлектрик резко станет электрически нейтральным. Подробнее эта тема будет рассмотрена, когда речь будет идти о продольных волнах и скалярном поле.
Смотрим видео фрагмент:
Но вернёмся к зарядке конденсатора.
5. Под действием электрического поля, имеющегося между обкладок конденсатора, диэлектрик будет легко поляризоваться и вытеснять одноимённые заряды из металлических обкладок конденсатора, которые будут очень медленно покидать обкладки конденсатора через этот резистор.
Тем, кто пока сомневается в этом, скажу, что по проводнику навстречу друг другу действительно могут одновременно двигаться как одноимённые, так и разноимённые заряды, при этом для обоих зарядов направление векторов магнитного поля вокруг проводника будет совпадать. Это означает, что по направлению векторов магнитного поля мы не сможем распознать знак движущихся по проводнику зарядов:
а) движется ли по проводнику положительный заряд (в одну сторону);
б) движется ли по проводнику отрицательный заряд (в другую сторону);
в) движутся ли по проводнику положительный и отрицательный заряды (навстречу друг другу).
Во всех случаях направление магнитного поля будет одинаковым, как это показано на рисунке ниже.
Чтобы не быть голословным, ниже приведены простейшие опыты, в которых каждый сможет убедиться в том, что электрические заряды могут двигаться в проводнике навстречу друг другу.
Ток
Идею проведения этих опытов мне подал один из посетителей моего канала.
А) постоянный ток
Многие, наверняка скажут, что хорошо знают, что собой представляет постоянный ток. Тем не менее, я предложу вниманию аудитории несколько простейших опытов с двумя одинаковыми аккумуляторами (3,7 В) и тремя одинаковыми лампочками накаливания (Лн.), каждая напряжением 2,5 Вольт и током 0,068А. Эти опыты больше предназначены для начинающих исследователей, но и опытным исследователям не стоит относиться к ним легкомысленно, так как некоторые из этих опытов могут озадачить даже их.
Ниже на левом фото видно показание тестера, измеряющего слева ЭДС аккумулятора, а справа – напряжение в цепи под нагрузкой.
ЭДС аккумулятора Напряжение на лампочке
Как всегда к истине нас приведёт только опыт, по крайней мере, он научит нас лучше понимать электрические цепи. При проведении опытов обойдёмся без амперметров, а величину тока в цепи будем оценивать по световому пятну на столе, оставленному от лампочек накаливания. В опытах будет 5 режимов свечения лампочек, хорошо различимых на фото. Других вариантов свечения лампочек при всех допустимых здесь соединениях, кроме перечисленных выше не будет. Покажем их:
Режим №1: лампочка не светится;
Режим №2: светится еле заметно;
Режим №3: светится в пол накала;
Режим №4: светится с полный накал;
Режим №5: светится с перенакалом.
Дальше я буду комментировать опыты, прибегая к этим терминам. Как видите, их легко определить по размеру светового пятна на столе.
Вариант №1
Режим №1 Режим №4
Вариант №2
Режим №3
Вариант №3
Режим №4
Вариант №4
Режим №5
Вариант №5
Режим №1 Режим №4
И так, разминка окончена, теперь будьте внимательными, следите за опытами.
Вариант №6
Режим №1
Режим №4
Режим №4
Режим №1
Вариант №7
Режим №1
Режим №4
Режим №4
Вариант №8
Режим №1
Режим №3
Режим №5, №4
Режим №1, №4
Вариант №9
Режим №1
Режим №3
Режим №1, №4
Режим №1, №4
Вариант №10
Режим №1
Режим №3
Режим №3
Лн.1,2 - режим №4, Лн.3 - режим №1
Вариант №11
Режим №1
Лн.1 и Лн.3 - режим №3, Лн.2 – режим №1
Лн.2 и Лн.3 - режим №3, Лн.1- режим №1
Лн.1 и Лн.2 - режим №2, Лн.3- режим №4
У лампочек Лн.1 и Лн.2 наблюдается режим свечения №2, которые на фото плохо заметен, но, справедливости ради надо отметить, что свечение лампочек всё таки есть, которое наблюдается из-за из-за небольшого внутреннего сопротивления, имеющегося у обоих аккумуляторов. Если бы у аккумуляторов не было внутреннего сопротивления, то свечения ламп не наблюдалось бы. Данный фрагмент опыта для наглядности был мной отснят на видео. Кстати, в данном опыте видно, что лампы Лн.1 и Лн.2 хоть и очень тускло, но светятся.
Давайте посмотрим видео фрагмент:
Б) переменный ток
Проведём опыт с тремя лампочками и двумя трансформаторами, аналогичный вариантам №9 №10.
Для опыта были использованы два одинаковых трансформатора кадровой развёртки ТВК-110ЛМ от кадровой развёртки чёрно-белых телевизоров отечественного производства, а также две лампочки напряжением 13,5 Вольт. При включении в сеть напряжение на выходе вторичной обмотки (выводы 3-й и 4-й трансформатора) составляет около 14 Вольт.
Ниже на фото показано свечение лампочек при различном соединении.
Ниже на фото показаны варианты свечения ламп при двух различных включениях выходной обмотки правого трансформатора. В результате в первом варианте имеем свечение одной лампочки, а в другом – двух разных лампочек.
В результате проведения опыта никакой разницы между постоянным и переменным током не выявлено.
Думаю, что просмотр этих опытов многих убедил в том, что х-ток конденсатора, действительно возможен, даже если он направлен против электрического поля, приложенного к двум обкладкам конденсатора.
25.03.2020 г.
