вопросы об электричестве

[avva]

Пытаюсь лучше понять, как устроено электричество в простых цепях. В частности, я понял, что не понимаю микроскопическую картину того, как возникает ток при замыкании цепи. Например, я подключил к батарее лампочку, и цепь на данный момент раскрыта ключом. Я замыкаю цепь; что конкретно происходит с электронами и полями?

Изучил несколько разъяснений и статей, которые навели некоторый порядок в голове. На сайте Уильяма Бити есть отличные очерки Electricity is NOT a form of energy и In a simple circuit, WHERE does the energy flow?. Вообще на его сайте есть еще много про электричество и неверные мифы о нем.

Статья Understanding Electricity and Circuits: What the Text Books Don’t Tell You еще больше помогла с прояснением микроскопической картины, и с понимаем того, как энергия переносится от батареи к лампочке не электронами в проводе, а электромагнитным полем вне провода, рядом с ним. Еще несколько источников на ту же тему: Energy transfer in electrical circuits: A qualitative account, A unified treatment of electrostatics and circuits.

Тем не менее, полного ответа на свой вопрос я, кажется, не получил. Пусть у нас есть батарея, и от ее полюсов отходят медные провода длиной, скажем, в 100 метров каждый. К одному из проводов последовательно подключена лампочка. Я подвожу концы проводов друг к другу, но еще не соединяю. Цепь разомкнута, лампочка не горит, тока нет, поэтому, если я правильно понимаю, электрического поля внутри проводов и магнитного поля вокруг них тоже нет. Теперь я замыкаю цепь.

Если я верно понял вышеописанные ссылки (если неправильно - поправьте), на поверхности проводов образуются скопления зарядов, причем неоднородные, и разница между ними на протяжении провода образует электрическое поле. Это поле движет (медленно) электроны в проводнике, что создает магнитное поле вокруг провода; это магнитное поле в сочетании с электрическим полем от зарядов на поверхности создает поток электромагнитной энергии (вектор Пойнтинга) вдоль провода, и эта энергия возвращается в каждую точку проводника ровно в той степени, в какой это место рассеивает энергию; т.е. львиная доля энергии приходится на лампочку.

Однако чего я не понял - это каким образом замыкание цепи приводит к образованию этих скоплений зарядов на поверхности проводника, откуда берется их неоднородность итд. Иными словами, что именно происходит на микроскопическом уровне в момент замыкания цепи и далее до возникновения вышеописанного стабильного состояния (если я его действительно правильно описал). Если есть знающие люди, готовые объяснить или дать ссылку на хорошие объяснения, буду рад.

Comments

[meshko.livejournal.com]

И еще философский аспект пусть кто-нибудь разъяснит. Для чего нам так нагло врали в школе?

А по сути -- я думаю, правды не знает никто. Я как-то спросил у двух физиков примерно то же самое, где-то через час нам пришлось их растаскивать по разным концам дома, чтобы не подрались.

Электроток

[mord08.livejournal.com]

Рискну объяснить так, как это объясняется современной физикой, а потом добавлю еще несколько слов от себя. 1, При подсоединении источника ПОСТОЯННОГО тока к проводам, эл.поле распространяется вдоль проводников до места разрыва ключа. По сути, разрыв тоже является частью всей цепи, но с большим сопротивлением и некоторый ток начинает идти и до замыкания. 2. При замыкании ключа, ток резко увеличивается и создает магнитное поле, замкнутое вокруг провода, но поскольку оно является вихревым, рождает электрическое, также замкнутое, вихревое с двояким действием: вектор его направлен вдоль проводника и приложен к каждому электрону, двигая его к плюсу, а его динамическая составляющая рождает магнитное, вектор которого направлен обратно первичному, создавшему ток, препятствуя его нарастанию в цепи. Это наз. самоиндукцией и физически представляет собой накапливание энергии в… а про это скажу потом. Чем больше индуктивность цепи, тем больше накапливается этой энергии, наз. «Реактивной». При размыкании ключа, накопленная реактивная энергия стремится поддержать ток и он спадает тем дольше, чем большей индукцией обладает цепь. Но, вся заковыка-то в том, что наука пока не описывает, где именно накапливается реактивная энергия и не может описать, поскольку этот феномен очень зримо показывает процесс взаимодействия явлений, имеющих место в нашем мире с сущностями всего большого Мира, Мира многомерного, в котором все хотя и происходит по тем же фундаментальным физическим законам, как и в нашем, но… система Основных взаимодействий другая. Наука упорно не хочет признать, что кроме нашего мира есть еще что-то, хотя математика уже сотни лет описывает этого «Чего-то» существование в виде мнимых и комплексных чисел в своих математических моделях физических явлений, т.е. используя системы координат…, не существующих в нашем мире. Вот такие пока дела. Всего!

Re: Электроток

[ingermanlan.livejournal.com]

Не ищите мистику. Мнимые части комплексных чисел - всего лишь более удобная форма работы с векторами.

Re: Электроток

[gineer.livejournal.com]

Их просто приспособили для удобной работы с векторами. ;)

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Нельзя не заметить, что есть науки фундаментальные и есть прикладные. Первые ближе к области мировоззрения и хотя не приносят немедленных практических результатов, зато определяют появление в дальнейшем прорывных инженерных открытий. Вторые обуславливают получение немедленных результатов, но не дают никаких объяснений того, как устроен Мир, не приносят, таким образом, новых знаний. Но вот таких понятий, как «Удобство», «Мистика» в науке мне пока не встречалось. Те, кто немного изучал электротехнику, знают, что реактивная энергия в электросетях – не мистика, а физическая реальность, которая без полезно гоняется по проводам, увеличивая в них потери и потому у потребителей стоят специальные счетчики ее учета, а на них, потребителей, накладываются штрафы, если они не принимают мер для ее уменьшения. ( Уменьшают установкой конденсаторных батарей, которые закорачивают путь этой энергии, «не пуская ее» к генератору). Так вот расчет величины реактивной энергии ведется по формулам, включающим в себя комплексный член. Это, с позиций фундаментальной науки, означает, что в движении реактивной энергии участвует ЧЕТВЕРТАЯ координата, которая НЕ СУЩЕСТВУЕТ в нашем трехмерном мире. Слова «Удобство» или «Мистика» никак не подходят к описанию ИНЖЕНЕРНЫХ расчетов, а для людей думающих, ничего не объясняют. Вот такие дела. Всего!

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

Те, кто немного изучал электротехнику, знают, что реактивная энергия в электросетях – не мистика, а физическая реальность

Из того, что некоторое, вполне реальное явление - начинает описываться мнимыми числами - ни какой мистики не следует.
Вектора вон, тоже произошли из гиперкомплексных чисел - а там мнимых единиц было аж три штуки (можно и шесть сделать. ;))

Re: Электроток

[ingermanlan.livejournal.com]

Гиперкомплексные числа активно используются в трёхмерной графике.

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

Как я слышал - теория Максвелла самим Максвеллм записывалась через кватернионы.
И только всякие отщепенцы типа Хэвисайда всё попорттили. ;))

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

И что? Я тоже считаю, что использование комплексных чисел не означает появления мистики, но... что же означает, кроме того, что математика выходит за пределы нашего трехмерного мира в системы координат большей мерности. Или Вы как-то понимаете эту часть математики по другому? Спасибо.

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

Мнимое значение сопротивления означает, что ток сдвинут относительно напряжения на 90 градусов.
Мнимое значение мощности означает, что мощность меняет знак на протяжении периода - одну половину она положительная, т.е. идёт от источника к нагрузке, а другую - отрицательна, т.е. наоборот, от нагрузки к источнику.
Причём это, похоже "мнемоническое праавило" - т.е. это просто "случайно так получилось" и все довольны.
В реале комплексные числа позволяют более просто рассчитывать линейные электрические цепи с синусоидального переменного тока - а ток может иметь произвольную форму.

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Отличный ответ человека, который много и успешно занимается электротехникой... Меня же интересует, ПОЧЕМУ ток сдвинут по фазе относительно напряжения и ПОЧЕМУ на 90 гр., а не на 120... Просто у нас разные области для размышлений, нам интересны разные области в науках, но это совсем не означает, что кто-то из нас более прав. Спасибо за мнение. Всего!
P.S.Вот Вы не обратили внимания на вопрос и не стали писать своего мнения, что такое может означать ввод в математическую модель 4-ой координаты - комплексного члена? Этот член соответствует какой-то сущности в материальном физическом Мире, или это, как Вы пишите, просто "Удобно"? Вот такое понятие - "Спинор". Физики были вынуждены ввести его для более логичного объяснения наблюдаемых экспериментов, но они признают, что это понятие НЕЛЬЗЯ объяснить, исользуя физические законы нашего мира...

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

Меня же интересует, ПОЧЕМУ ток сдвинут по фазе относительно напряжения и ПОЧЕМУ на 90 гр., а не на 120...

Первичным средством описания физических систем с сосредоточенными параметрами являются обыкновенные дифференциальные уравнеия. Для описания линейных систем - используются линейные диффуры.
При этом "первичными" физическими величинами являются мгновернные значения тока, напряжения - ну и, соответственно, мощности.
Синусоидальные воздействия порождают синусоидальный-же отклик - т.е. синусоида при прохождении через линейную систему не меняет форму и частоту - меняется только амплитуда и фаза.
Что касаемо сдвига фаз, то он может быть любым, но в силу четверть периода - это самый "нейтральный" сдвиг фаз для двух синусоид.
Комплексные представления токов/напряжений - это некая математическая абстракция, удобная для рассчётов, когда из всех функций, представляющих процессы, протекающие в системе удалось вычленить некие постоянные коэффициенты, их характеризующие.

Просто у нас разные области для размышлений,

Просто Ваши размышления относятся к категории "философских", похоже.

P.S.Вот Вы не обратили внимания на вопрос и не стали писать своего мнения, что такое может означать ввод в математическую модель 4-ой координаты - комплексного члена?

Какая ещё "четвёотая координата", извените?
У комплексных чисел две составляющих - и отображаются они на плоскость.
У гиперкомплексных кватернионов - четыре составляющих, три мнимых и одна действительная. Вы сейчас о чём?

"Удобно"? Вот такое понятие - "Спинор". Физики были вынуждены ввести его

Современная физика - штука, которая уже совсем не способна отличить реальность от искусственно воодимых конструктов "чисто для удобства".
Вот Вам ещё на закуску:
http://ru.wikipedia.org/wiki/Алгебра_Кэли
http://ru.wikipedia.org/wiki/Гиперкомплексное_число

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Спасибо за Ваше терпение. Думаю, что его уже не много осталось, но нагло пользуюсь им, пока оно еще есть... У меня сложилось представление, что если человек, порой очень талантливый и очень результативный в какой-то конкретной области, все глубже погружается в свою область, он все меньше интересуется тем, что происходит в соседнем "окопе". Но... он ничего не сможет написать в мировоззренческом смысле. Для этого нужен гораздо более широкий подход и только...философия может его обеспечить. Только под "философией" я понимаю несколько иное, чем обычно считается. В моем понимании это означает находить ИНФОРМАЦИОННЫЕ СВЯЗИ между понятиями и категориями в совершенно не связанных, казалось бы, областях науки и даже культуры и выстраивать новые логические конструкции. именно это помогает мне понять, почему, к примеру, лонсдейлит, который еще называют гексагональный алмаз, прочнее алмаза на 60%, хотя у алмаза четыре связи в элементарной решетке, а у лонсдейлита всего три при всех линейных размерах решетки одинаковых с алмазом. Казалось бы, чем больше связей, тем прочнее, но... А в виде намека для Вас, замечу, что только у гексагональной решетки из сотен других есть координата с комплексной составляющей. (Это не электротехника, а суть-то та же). Словом "Удобство" - не философская категория, а скорее что-то бытовое наверное... Всего!

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

А в виде намека для Вас, замечу, что только у гексагональной решетки из сотен других есть координата с комплексной составляющей.

Не может быть "координаты с комплексной составляющей" в нашем пространстве - за исключением трёх известных. Если, конечно, мы описываем пространственные объекты.
В случае линейных цепей синусоидального переменного тока - рассчёт можно было-бы вести в матричной форме.
Задаёмся двумя "фазами", находящимися в квадратуре.
Проецируем на них все рассчитываемые и задаваемые величины, зависящие от времени т.е. - токи и напряжения. Каждая будет иметь две составляющих.
Рассчитываем схему по законам Кирхгоффа, отдельно для каждой составляющей, суммируя только синфазные.
При умножении на коэффициенты - появляется два вида сопротивлений: активное, которое действует на ту-же составляющую, и реактивное, которое действует на квадратурную составляющую.
Всё это можно описать в матрицах - в результате у нас никаких "мнимостей" не будет, а в итоге "арифметика" окажется той-же самой.

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

"Не может быть "координаты с комплексной составляющей" в нашем пространстве - за исключением трёх известных". В этом утверждении заключено логическое противоречие: оно верно и верно именно в глубинном смысле, но абсурдно в обычном - бытовом. С одной стороны, Вы так небрежно закрыли почти всю математику, которая никак не может отказаться от использования систем координат с комплексными составляющими. Но, с другой стороны, Вы абсолютно правы, что четвертая координата в математических моделях физических явлений и процессов явно указывает на участие в них свойств ПРОСТРАНСТВ БОЛЬШЕЙ МЕРНОСТИ. (Как Вы и написали "В нашем пространстве"(!) Сто лет назад это вдруг понял Теодор Калуца, когда ввел в уравнения ТО еще одну координату. Известно, что Эйнштейн был в восторге от красоты этой математики, но, как и наука до сих пор, как и Вы, похоже тоже, так и не приняли идею многомерного Мира и, соответственно, места нашего маленького мира в нем. Есть очень много признаков, что это скоро уже произойдет и физики перестанут удивляться тому, что результат столкновения частиц - новая частица, появляется, как они с удивлением констатируют: "Поразительно далеко от места столкновения". Спасибо за терпение. Всего!

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

С одной стороны, Вы так небрежно закрыли почти всю математику, которая никак не может отказаться от использования систем координат с комплексными составляющими.

Извините, но Вы сейчас произнесли вещи, значения которых совершенно не понимаете. В нашем пространстве - в котором мы живём - можно разместить не более трёх линейно-независимых векторов. Разговоры "про математику" в данном случае бессмысленны - математика влёгкую рассматривает пространства большей (и сколь угодно большей) размерности - скажем пространство функций, непрерывных на отрезке - бесконечномерно.

Но, с другой стороны, Вы абсолютно правы, что четвертая координата в математических моделях физических явлений и процессов явно указывает на участие в них свойств ПРОСТРАНСТВ БОЛЬШЕЙ МЕРНОСТИ.

Наличие в физических моделях чётвёртого и больших измерений объясняется лишь удобством применения. Инерпретации моделей - дел более сложное и неоднозначное.

Сто лет назад это вдруг понял Теодор Калуца, когда ввел в уравнения ТО еще одну координату. Известно, что Эйнштейн был в восторге от красоты этой математики, но, как и наука до сих пор, как и Вы, похоже тоже, так и не приняли идею многомерного Мира и, соответственно, места нашего маленького мира в нем.

Несмотря на то, что пространство-время давно используется в физике - точно также давным-давно известно, что время является особым измерением. Собственно, если посмотреть на уравнения СТО/ОТО - ось времени там занимает особое место, а геометрия просранства Минковского является псевдо-эвклидовой. Калуца продемонстрировал забавную идею для реализации единой теории поля. Но до сих пор не решены серьёзные проблемя для создания полноценной теории на её базе.

Есть очень много признаков, что это скоро уже произойдет и физики перестанут удивляться тому, что результат столкновения частиц - новая частица, появляется, как они с удивлением констатируют:

Я, конечно, к сожалению, не имею контактов с "первичными данными" физиков - но про подобные проблемы ни разу не слышал.

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Вы так подробно излагаете свои мысли, что мне неудобно промолчать. С другой стороны, Вы как-то обходите молчанием, что в науке (не только в физике) все более быстро накапливается объем явлений и феноменов, которые не поддаются объяснению, основываясь на современных научных представлениях. Меня так и подмывает, спросить о том и о сем, но, похоже, что этого не нужно делать. Я ведь уже написал кое что и Вы пробежали эти фрагменты без интереса. Значит Вас не очень пока занимает "непознанное", или вернее - необъясненное. Спрошу лишь об одном. Можно не отвечать, если уже надоел. "Собственно, если посмотреть на уравнения СТО/ОТО - ось времени там занимает особое место", - вы написали. Что же это за ось такая? Я что-то не встречал там чего-то похожего на "Ось". Зато из тех уравнений довольно понятно, что ни пространство, ни время не играют определяющей роли, только..."Скорость". Все остальное - сопутствующие явления. И поскольку по моим представлениям, простите за наглые утверждения, время не является пространственной координатой (наш мир все-таки трехмерный), то мой вопрос: Что же по Вашим представлениям суть "Время"? Всего!..

Re: Электроток

[asox.livejournal.com]

Что же это за ось такая? Я что-то не встречал там чего-то похожего на "Ось".

Лоренцев интервал:

ds² = c²dt² - dx² - dy² - dz²
Вы так подробно излагаете свои мысли, что мне неудобно промолчать. С другой стороны, Вы как-то обходите молчанием, что в науке (не только в физике) все более быстро накапливается объем явлений и феноменов, которые не поддаются объяснению, основываясь на современных научных представлениях.

Ну это как-бы предсказуемо - даже по косвенным признакам можно догадаться, что основы "новой физики" начала XX века большинством последующих поколений учёных скорее "вызубрены", чем "осмыслены". "Заткнись и вычисляй" (ц) Макс Борн.

Если мы имеем пространство, то в нём всегда могут быть определены "координатные оси" - базис пространства.
В четырёхмерном пространстве-времени Минковского, как видим - ось времени остаётся в исключительном положени.
Это следует из принципа причинности и невозможности попятного движения вдоль оси времени.

И поскольку по моим представлениям, простите за наглые утверждения, время не является пространственной координатой

Ну в принципе физики об этом, обычно не забывают, хотя пространство-время - такая удобная абстракция. И, тем более, порождает определённые удобные представления. ))
Что такое время - я не знаю, естественно. Тот, кто это узнает - как минимум получит Нобелевку по физике. Причём это будет минимум миниморум. )))

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

1. c2dt2 - Что это значит, по Вашему? Если именно это выражение Вы принимаете за некую "Ось", то что она означает в мировоззренческом смысле, если согласится с мнением физиков, что "С" совпадает со скоростью света только в нашем трехмерном мире. В иных пространствах это - просто некий постоянный коэффициент?
2. Почему-то те, которых я читал, (и я к ним присоединяюсь) полагают, что пространство Минковского представляет собой ДВУМЕРНОЕ пространство ( X,Y) и временную координату, но можно ли понять содержание того, что Минковский написал "по откровению", если не знаешь, что такое время?
3. Я думаю, что я знаю, что такое "Время" и, более того, это лежит на самой поверхности и мне не верится, что это знаю только я... Мне немного польстило присвоение Вами Нобелевки, но..., хотя я получаю очень большое удовлетворение от разговора (спасибо), не смотря на то, что Ваши представления оказываются очень близки тем взглядам, которые представляются мне верными, например в части того, что именно математика является единственным инструментом в руках людей, который позволяет адекватно отражать многомерный Мир (весь Мир, а не тот маленький мир, который мы привыкли называть "Вселенная"), поскольку она легко и уже очень давно выходит за пределы нашего трехмерного, я не могу рискнуть сообщить Вам, что такое время пока не смогу убедится, что у Вас есть все необходимые для этого предварительные сведения. Математика Калуцы ведь до сих пор воспринимается как математический парадокс. Я лишь намекну Вам и только для того, чтобы разбудить Ваше любопытство, что НА САМОМ ДЕЛЕ "ТО" состоит из двух принципиально различных ТО. Одна из них- СТО, описывает "размещение" трехмерных реальностей в четырехмерном пространстве на той самой "Оси", которую принято называть "Временной", но которых в четырехмерном пространстве бесконечное множество, они определены векторами СКОРОСТИ физических объектов. При этом, реальности, и наш мир в том числе, не перестают быть трехмерными. Другая, ОТО, механизм искривления трехмерных пространств в четырехмерном, а фактически, свойства именно четырехмерного пространства. Концепция пространства Минковского очень весомое тому подтверждение. Но, повторяю, все это не очень весомо без главного - что такое "Время"... Это, понятно, не "Ось" какая-то... Кстати, движение времени в обратную сторону вполне возможно и уже сто лет назад открыто Ричардом Фейнманом: ведь позитрон, согласно его математике, тот же самый электрон, но... в обратном течении времени и, тем не менее, зримо существует в нашем мире... Всего!

Re: Электроток

[ingermanlan.livejournal.com]

Реактивная энергия может быть рассчитана разными способами. Использование формул с мнимой единицей это всего лишь один из методов. Наиболее удобный в сложившейся практике.

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Какими, к примеру? Это очень интересно...

Re: Электроток

[ingermanlan.livejournal.com]

Действительно интересно? Даже гугл даёт достаточно ответов. Это если не открывать учебник электротехники. Там так вообще все разжевано. И про тангенс угла потерь и активную и реактивную мощности. И даже как их считать. в комплексном варианте и нет.

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

"Какими, к примеру? Это очень интересно...." И где ответ? "Пошел к учебникам"? Это не ответ...

Re: Электроток

[mord08.livejournal.com]

Нельзя не заметить, что есть науки фундаментальные и есть прикладные. Первые ближе к области мировоззрения и хотя не приносят немедленных практических результатов, зато определяют появление в дальнейшем прорывных инженерных открытий. Вторые обуславливают получение немедленных результатов, но не дают никаких объяснений того, как устроен Мир, не приносят, таким образом, новых знаний. Но вот таких понятий, как «Удобство», «Мистика» в науке мне пока не встречалось. Те, кто немного изучал электротехнику, знают, что реактивная энергия в электросетях – не мистика, а физическая реальность, которая без полезно гоняется по проводам, увеличивая в них потери и потому у потребителей стоят специальные счетчики ее учета, а на них, потребителей, накладываются штрафы, если они не принимают мер для ее уменьшения. ( Уменьшают установкой конденсаторных батарей, которые закорачивают путь этой энергии, «не пуская ее» к генератору). Так вот расчет величины реактивной энергии ведется по формулам, включающим в себя комплексный член. Это, с позиций фундаментальной науки, означает, что в движении реактивной энергии участвует ЧЕТВЕРТАЯ координата, которая НЕ СУЩЕСТВУЕТ в нашем трехмерном мире. Слова «Удобство» или «Мистика» никак не подходят к описанию ИНЖЕНЕРНЫХ расчетов, а для людей думающих, ничего не объясняют. Вот такие дела. Всего!

[lyuden.livejournal.com]

Нас вроде даже в школе предупреждали, что это все не так на самом деле, но на обычных цепях, если не смотреть процессы которые происходят при замыкании/размыкании (т.е применять закон Ома к некоторой вечной платоновкой сущности данной цепи) все работает.

Вообще это древняя дисциплина специальной олимпиады, взять физический закон, попробовать применить его куда-нибудь где он не работает и сказать, что все физики дураки, особенно эта дисциплина любима инженерами (в том числе и программистами), философами, да и чего греха таить и физиками.