Электрическая энергия

 

     Заметка написана по материалам сайта К.Б. Канна «Электродинамика. Взгляд физика» [1]. Из него же взяты все формулы и рисунки. Цитаты из «Электродинамики» даются без ссылки на источник, мои замечания предварены двумя прямыми слешами.     

     Превращение различных видов энергии в электрическую выполняют сторонние силы, перемещающие электрические заряды против сил электрического поля. Типичная ошибка многих исследований - отождествление сторонних и потенциальных сил. Самый большой вред этому понятию нанесла теория взаимодействия полей.

 

1. Сторонние силы и их свойства

 

За полтора века практического использования электроэнергии создано много электрогенераторов разных типов, конструкций и параметров.  На этой странице Канн говорит лишь о генераторах постоянного тока. Общим для всех электрогенераторов является принцип преобразования различных видов энергии в электрическую. Он заключается в разделении электрических зарядов противоположного знака и разведении их на некоторое межэлектродное расстояние. При этом электроэнергия, выработанная генератором, выступает в форме потенциальной электрической энергии, характеризующейся разностью потенциалов на его выходных клеммах.

Чтобы преодолеть кулоновское притяжение между зарядами противоположного знака, нужны силы. Академик И.Е. Тамм [2] предложил называть их сторонними силами. Понятие «сторонние силы» – некоторая абстракция, обозначающая силы разной природы. К сожалению, смысл этого нового понятия, Тамм чётко не определил.

Главной задачей сторонних сил является генерация электрической энергии, то есть превращение энергии различной природы (механической, химической, тепловой, оптической и пр.) в электрическую. Свойства сторонних сил по Тамму:

1. Сторонние силы действуют не на электрический заряд частиц, а массу, форму, размер, плотность, их коллективные свойства и т.п.

2. Подавляющее большинство сторонних сил имеет не полевой характер. Поэтому описывать действие этих сил как проявление некоторого поля сторонних сил нежелательно.

3. Действие сторонних сил всегда сопровождается генерацией электрической энергии – образованием разности потенциалов на клеммах генератора.

4. Сторонние силы работают лишь внутри генератора. Вне генератора на заряженные частицы действуют электростатические (потенциальные) силы.

      Сторонняя сила характеризует не столько физическую природу силы, сколько её функциональное назначение. Сторонние силы, поясняет Канн, есть силы не электростатической природы, участвующие в создании электрической энергии.

 

2. Генератор постоянного тока

 

Рассмотрим работу сторонних сил в идеальном генераторе постоянного тока. По определению внутреннее сопротивление такого генератора равно нулю. На всем пути между электродами на положительно заряженную частицу действует постоянная сторонняя сила F* (Рис. 1).

Эту силу можно представить себе как результат воздействия стороннего поля с напряжённостью

E*  = F*/q           (1)

Допустим, что в тот момент, когда включаются сторонние силы, генератор разряжен.

 

 

 

Под действием сторонних сил положительно заряженные частицы устремляются к положительному электроду генератора, а отрицательные – к противоположному полюсу. По мере того, как на электродах накапливаются заряды противоположного знака, возрастает разность потенциалов на выходных клеммах генератора. Растёт и внутреннее электрическое потенциальное поле Ei, направленное против сторонних сил. Когда сила воздействия этого поля на единицу электрического заряда частицы достигает по модулю силы F*, наступает равновесие: Ei = - E*. Направленное движение заряженных частиц прекращается и на клеммах генератора устанавливается максимально возможная разность потенциалов Δφ = φ1φ2, равная численно ЭДС генератора Э. Она равна работе, затрачиваемой сторонними силами на перемещение единицы электрического заряда внутри генератора.

 Если клеммы генератора замкнуть на нагрузку R (пунктир на Рис.1), по цепи потечёт постоянный ток I = Э/R и движение заряженных частиц в генераторе возобновится. Рабочий режим работы электрогенератора является квазистационарным: поступающие на электрод заряды компенсируют их уход во внешнюю цепь. При этом количество зарядов на электродах остаётся неизменным. Заряженные частицы в объёме генератора движутся равномерно, «по инерции».

В реальном генераторе внутреннее сопротивление r* больше нуля.  В рабочем режиме движение заряженных частиц в генераторе остаётся равномерным, но сторонние силы немного превышают силы электростатические на величину сил сопротивления движению частиц внутри генератора. При этом разность потенциалов на внешней цепи оказывается меньше его ЭДС на величину Ir* — падение напряжения внутри генератора.

Внутреннее сопротивление r* не является электрическим сопротивлением в обычном смысле. Дело в том, что «падение напряжения» внутри генератора — это энергетические потери источника сторонних сил. Оно лишь численно равно удельным (на единицу электрического заряда) диссипативным потерям сторонней энергии. Ведь силы, действующие на заряженную частицу, на её электрический заряд не действуют и тепловые потери не зависят от заряда частицы. Сопротивление r* – это некоторое эффективное значение, характеризующее внутренние потери энергии источника сторонних сил.

Чтобы показать, что сторонний ток внутри генератора и ток во внешней цепи (потенциальный ток) имеют разную природу, сравнили эффективное сопротивление источника тока r* с внутренним сопротивлением этого же источника r при протекании через него обратного (потенциального) тока (Рис. 2).

Падение напряжения U на испытуемом источнике питания измерялось высокоомным вольтметром V, а ток в цепи — миллиамперметром mA. Нагрузкой служил магазин сопротивлений R.

В положении I переключателя П измерялся прямой ток от источника питания. По показаниям приборов рассчитывалось эффективное сопротивление источника r* = U/I. Затем в положении II переключателя навстречу ЭДС источника включалась встречная электродвижущая сила Э1> Э.

 

Измерялся обратный ток I1, по величине которого и падению напряжения U1 на источнике, рассчитывалось истинное электрическое сопротивление источника r. ЭДС источника измерялась непосредственно перед этим измерением и после него и учитывалась в расчётах

 

Приведённые экспериментальные результаты убедительно показывают, что природа прямого (стороннего) и обратного потенциального токов в электрохимических генераторах различна.

 

3. Ошибка Максвелла, допущенная им при формулировке закона

    электромагнитной индукции

 

По мысли Максвелла переменное магнитное поле генерирует индукционную ЭДС, которая в свою очередь вызывает электрический индукционный ток. Было показано, однако, что процесс генерации ЭДС начинается с работы сторонних сил, создающих сторонний ток. ЭДС генератора является следствием работы этого тока, как результат накопления зарядов на клеммах генератора. Такой механизм ЭМИ полностью соответствует экспериментам Фарадея и механизму электромагнитной индукции по методу пересечения.

Ошибка оказалась чрезвычайно живучей: её повторил и основатель отечественной электродинамики академик И.Е. Тамм. Она совершается и при попытке отождествить сторонние силы в индукционных процессах с силой Лорентца. Сила Лорентца не может быть сторонней силой, так как она не может передать заряду энергию. Пытаясь доказать, что сила Лоренца может создавать ЭДС индукции, И.В. Савельев незаметно подменяет энергию магнитного поля механической энергией движения проводника. Индукционная ЭДС создаётся механической энергией, а сила Лоренца лишь «указывает направление» для движения зарядов. //Я согласен с точкой зрения Савельева. ЭДС создаётся за счёт механической энергии, но посредством двух сил Лорентца. Одна из которых сортирует «вправо-влево» заряды, другая, через возникший ток, препятствует перемещению проводника.

 

4. Электрическая энергия

 

В «Справочнике по физике» [3, с. 208] читаем: «... энергия заряженного проводника или конденсатора является энергией их электрических полей». В перечне различных форм энергии, который приведён в последнем издании энциклопедического словаря «Физика» [4], есть «механическая, внутренняя, химическая, ядерная…», но нет электрической энергии. В этом списке она присутствует лишь в комбинации «электромагнитная энергия».

Любое электрически заряженное тело обладает потенциалом. Казалось бы, сам бог велел называть энергию взаимодействия заряженных тел «потенциальной электрической энергией». Но современные авторы учебников и справочников старательно избегают этого термина. Вместо этого говорят об «энергии электрического поля», плотность которой определяется квадратом электрической напряжённости. Замечание И.Е. Тамма о том, , что «энергия электрического поля играет роль потенциальной энергии в смысле аналитической механики» [2, с. 92] не обсуждается…

     Понятие «электрическое поле» было предложено Фарадеем как удобная математическая модель для расчётов взаимодействия электрических зарядов. Долгое время характеристики электрического поля (напряжённость, потенциал, силовые линии, их «натяжение» и «давление» и пр.) носили абстрактный характер. Потребность «материализовать» электрическое поле появилась, когда от взаимодействия зарядов перешли к взаимодействию полей.

Эта идея принадлежит Максвеллу: «Согласно старым теориям она (энергия электромагнитных явлений – К.К.) находится в электризованных телах, проводящих цепях и магнитах в форме неизвестного качества, называемого потенциальной энергией или способностью производить определённые действия на расстоянии. По нашей теории она находится в электромагнитном поле, в пространстве, окружающем наэлектризованные и намагниченные тела, а также и в этих самых телах и проявляется в двух различных формах, которые могут быть описаны без гипотез как магнитная поляризация и электрическая поляризация» [5].

Согласно определению: «…потенциал численно равен потенциальной энергии, которой обладал бы в данной точке поля единичный положительный заряд» [6]. В отсутствие заряда никакой «потенциальной энергии» у электрического поля быть не может – «пустое» пространство энергией не обладает. Электрическую энергию могут иметь лишь тела, несущие электрические заряды. Если электрические потенциалы у двух тел разные, то разность потенциалов этих тел – это и есть потенциальная электрическая энергия их взаимодействия. А понятие "энергия электрического поля" - это фантом, рецидив "материализации полей". //Не могу согласиться с профессором. Представим себе электрически заряженный конденсатор в космическом пространстве. Эфир между обкладками поляризован, значит электрическое поле обладает запасом потенциальной энергии. Разрядим мгновенно конденсатор. В силу инерции к концу разряда часть поля останется поляризованной и потому несущей в себе какой-то запас энергии.    

Кроме энергии положения, электрическая энергия имеет и другую форму – «энергию движения». Это - энергия движущихся электрических зарядов, энергия электрического тока. «Все признают, что энергия движения существует и обладает некоторыми особенностями, отличающими её от потенциальной энергии, но не решаются назвать её кинетической электрической энергией. Не будем и мы «дразнить гусей» и будем называть энергию движущихся зарядов "энергией движения". //Никаких осложнений не будет, если все начнут называть вещи своими именами. Так что положим по определению: энергия движения электрических зарядов есть кинетическая электрическая энергия.

Не делая никаких предположений о природе этого вида энергии, Канн утверждает:

1. Кинетическая электрическая энергия – это другая форма электрической энергии, отличная от потенциальной энергии взаимодействия неподвижных зарядов

2. Кинетическая электрическая энергия определяется силой тока или (при движении одиночного заряда) – величиной заряда и его скоростью.

3. Мерой кинетическая электрической энергии может служить интенсивность магнитного поля, со-

    здаваемого электрическим током.

 

5. Энергия магнитного поля

 

«Магнитное поле (как и электрическое) – это мысленная конструкция, математическая модель для описания электродинамических взаимодействий». //Магнитное поле – материальное поле, порождаемое движущимися электрическими зарядами и обусловленное деформациями их электрических полей.  

«Но — в отличие от электрической энергии (связанной с зарядами!), – «магнитной энергии» не существует ни в какой форме. Это ещё один фантом, порождённый «материализацией» магнитного поля. То, что мы называем «энергией магнитного поля», можно считать лишь математическим синонимом «электрической энергии движения»».

Ещё в работах Э. Парселла [7] и Р. Фейнмана [8] показано, что поведение заряженной частицы, движущейся параллельно проводу с током, можно объяснить кулоновским взаимодействием с учётом соотношений СТО, не прибегая к понятию магнитного поля». //СТО Эйнштейна – ложна. Всё, что она представляет в извращённой форме, можно отобразить в рамках обновлённой теорию относительности Лорентца.

Аналогичные утверждения содержатся и в работах других авторов [9]. На этом основании делается вывод, что «Представление о магнитном поле есть не более чем удобный приём вычисления сил, действующих на движущиеся заряженные частицы».

Итак, магнитного поля в природе нет, есть только электрическое поле в разных его проявлениях.

 

Источники информации

 

1. Канн К.Б. «Электродинамика. Взгляд физика». http://electrodynamics.narod.ru/

2. Тамм И. Е. Основы теории электричества. 11-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. С. 181.

3. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. – М.: Наука, 1990. – 624 с.

4. БЭС, Физика. – М.: Научное изд. БРЭ, 1999. – С. 903.

5. Максвелл Дж. К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. – М.: Гостехтеориз 

    дат, 1954. – С. 301.

6. Савельев И. В. Курс общей физики. Т. 2. – М.: Наука, 1978.  – С. 20.

7. Парселл Э. Берклиевский курс физики. Т. 2. Электричество и магнетизм. – М.: Наука, 1971. С.

   181.

8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. Т. 5. Электричество и магнетизм. – М.: Мир, 1977. – С. 267.

9. Григорьев А. Н. О существовании магнитного поля.

    http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/11737.html

 

27.05.20, C:\Users\User\Documents\1_Все отрасли знания\1_наука и техника\1_физика\М О И   С Т А Т Ь И_физика\ОРИГ МОИХ СТАТ _ФИЗИКА\электродинамика\Канн. 100520_Электр энергия.docm