Статья: О старых и новых представлениях в электротехнике

О СТАРЫХ И НОВЫХ ПРЕДСТАВЛЕНИЯХ В ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ

Канарёв Ф.М.

Существующие электротехнические представления формируются законом электромагнитной индукции Фарадея. Никто не подвергает его сомнению, даже в условиях, когда он порождает очевидные элементарные противоречия. Проанализируем их.

Экспериментальной основой существующей электродинамики является закон электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем в 1831 году. Суть этого закона кратко можно выразить так: переменное электрическое поле создаёт магнитное поле, а переменное магнитное поле создаёт электрическое поле. На основании этого считается, что работа электромоторов, электрогенераторов, трансформаторов и других многочисленных электротехнических устройств - результат взаимодействия электрических и магнитных полей. Проверим связь с реальностью таких представлений. Для этого вначале установим, какие электрические заряды движутся в проводах, отрицательные, носителями которых являются электроны, или положительные, носителями которых являются протоны, или они движутся вместе?

Физики давно условились считать, что носителем отрицательного электрического заряда является электрон, а положительного - протон и давно смирились с многочисленными теоретическими и экспериментальными противоречиями, следующими из этой условности. Представим часть из них и покажем выход из этих противоречий.

Структура носителя отрицательного электрического заряда электрона уже разработана достаточно глубоко [1]. Это полый тор, субстанция которого вращается относительно центральной оси и относительно кольцевой оси тора. На рис. 1 показана лишь часть магнитных силовых линий электрона. Если показать всю их совокупность, то магнитная поверхность электрона будет подобна поверхности яблока. Теоретическая величина радиуса электрона отличается от его экспериментальной величины в 6-м знаке после запятой. Напряжённость электрического поля на поверхности электрона равна , а напряжённость магнитного поля в центре симметрии электрона - Угловая скорость вращения электрона равна . Процесс формирования структуры электрона контролируется 23-мя константами [1].

Рис. 1 Теоретические модели электрона и протона

Протон - сплошной тор. Его радиус в 1000 раз меньше радиуса электрона. Напряжённость магнитного поля протона , а электрического - на его поверхности [1].

Итак, знаки носителей отрицательных электрических зарядов - «минусы» и знаки положительных электрических зарядов - «плюсы» стоят на клеммах всех источников постоянного напряжения и всех приборов, измеряющих характеристики постоянного напряжения и тока. Напряжение и ток передаются по проводам, на клеммах которых также стоят знаки «плюс» и «минус». Возникает вопрос: какие же электрические заряды движутся в проводах, отрицательные, носителями которых являются электроны, или положительные, носителями которых являются протоны, или они движутся вместе? [1]

Ответ на этот вопрос прост. Известно, что соседство свободных электронов и протонов заканчивается или поглощением электронов протонами и образованием нейтронов или формированием атомов водорода (рис. 2), которые существуют только в плазменном состоянии при минимальной температуре 2500…2700 град. С.

Рис. 2 Модель атома водорода

Известно также, что при обычных токах провода не нагреваются до указанной температуры и не излучают нейтроны. Известно, также, что в проводах присутствуют свободные электроны. Это значит, что электричество в проводах формируют только электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому наличие на клеммах батарей, конденсаторов и выпрямителей тока знаков минус (-) объяснимо, а знаков плюс (+) совершенно непонятно. Нет в проводах положительных носителей электричества - протонов. Есть только носители отрицательных зарядов - электроны. Противоречие капитальное. Попытаемся разобраться в нём. Для этого поставим простейший эксперимент (рис. 3) [1].

На рис. 3 показана электрическая схема, направления проводов которой сориентированы на север (N). При отсутствии тока в проводнике направления стрелок компасов А, В, С и D совпадают с направлением проводов. При замыкании цепи вокруг провода возникает магнитное поле, и стрелки компасов отклоняются [1].

В данном эксперименте в качестве источников питания испытывались аккумулятор, заряженный конденсатор и выпрямитель напряжения. Знаки плюс (+) и минус (-) принадлежат их клеммам, а по проводам движутся только электроны, имеющие отрицательные заряды. Возникает вопрос: как понимать знаки (-) и (+) на клеммах аккумулятора, конденсатора и выпрямителя напряжения, если по проводам движутся только электроны, имеющие отрицательные заряды?

Обратим внимание на то, что в эксперименте на рис. 3 провода сориентированы с юга (S) на север (N). Стрелка компаса A (рис. 3, а), расположенного над проводом, отклоняется вправо, а стрелка компаса B, расположенного под проводом, - влево (табл. 1). Из этих результатов следует, что магнитное поле, возникающее вокруг провода при замыкании цепи, закручено против хода часовой стрелки (рис. 3, а) и имеет магнитный момент . Наличие модели электрона (рис. 1, а) с известными направлениями векторов магнитного момента и спина даёт нам основание полагать, что магнитное поле вокруг провода формируется совокупностью магнитных полей электронов, сориентированных вдоль провода таким образом, что направления векторов магнитного момента каждого электрона совпадают с направлением вектора магнитного момента магнитного поля, образующегося вокруг провода (рис. 3). Из этого следует, что электроны движутся в проводе от плюсовой клеммы источника питания, а не от минусовой, как считалось раньше.

Рис. 3 Схемы движения электронов в проводе от плюса (+) к минусу (-) и - формирования на его концах южного (S) и северного (N) магнитных полюсов

Те же электроны (рис. 3, b), которые движутся по правому проводу с севера (N) на юг (S), формируют вокруг него противоположно направленное магнитное поле и стрелки аналогичных компасов С и D отклоняются противоположно отклонению стрелок компасов А и В (рис. 3, а).

Таким образом, на концах проводов формируются не разноимённые электрические заряды (+ и -), а разноимённые магнитные полюса ( и ), которые исчезают при размыкании цепи.

Из схемы магнитного поля вокруг провода (рис. 3, а) следует, что оно может быть сформировано лишь в том случае, если северные магнитные полюса электронов (рис. 1) направлены вверх, в сторону минусового конца провода, а южные - вниз, в сторону плюсового конца провода (рис. 3, а). Совпадение направлений векторов магнитных полей электронов и магнитного поля вокруг проводника является логичным следствием описанного эксперимента. Спины электронов , совпадая с направлениями векторов магнитных полей, указывают направление движения электронов. Отклонение стрелок компасов, подтверждает это. Магнитное поле вокруг провода при такой его ориентации закручено против хода часовой стрелки и имеет магнитный момент .

На рис. 3, b) электроны движутся вниз и формируют вокруг провода магнитное поле (рис. 3, b), направление которого противоположно направлению магнитного поля вокруг провода, когда электроны движутся вверх (рис. 3, а) Это означает, что плюсовой конец провода эквивалентен южному магнитному полюсу (S), а минусовой - северному (N) (рис. 3) [1].

Итак, результаты эксперимента, представленные на рис. 3 и в табл. 1, показывают, что направление магнитного поля, формирующегося вокруг провода, совпадает с направлением вращения сориентированных электронов в нём (рис. 3), поэтому направление тока совпадает с направлением движения электронов, а не наоборот, как представлено в старой электродинамике [1].

Таблица 1

Углы отклонения стрелок компасов A и B при различных токах (рис. 3)

Чтобы усилить достоверность представленных экспериментальных данных в электрическую цепь был включён обычный электролизёр (рис. 4).

Рис. 4 Схемы движения электронов в электрической цепи с электролизёром

В качестве дополнительного прибора, показывающего направление движения электронов вдоль провода, использовался амперметр, который, как известно, имея на клеммах знаки (+) и (-), включается в электрическую цепь последовательно. На схеме рис. 4 видно, что стрелки всех трёх амперметров отклонялись в одну и туже сторону, демонстрируя правильность полярности на их клеммах, которая показана на рисунке и которая вместе с отклонениями стрелок компасов убедительно доказывает движение электронов вдоль проводов с постоянным напряжением от (+) к (-). Полярность на клеммах электролизёра также сохранилась и он в этом случае сохраняет полярность аналогичную полярности батареи.

Этот простой эксперимент ярко демонстрирует движение электронов по проводам от их плюсовых клемм (рис. 3) к минусовым. Такая картина полностью согласуется со структурой электронов (рис. 1, а) и однозначно доказывает, что свободные электроны провода с постоянным напряжением повёрнуты южными магнитными полюсами к положительному концу провода, а северными - к отрицательному. В этом случае не требуется присутствие в проводах свободных протонов для формирования положительного потенциала, так как свободные электроны провода формируют на его концах не разноимённые электрические заряды, а разноимённые магнитные полюса (рис. 5).

Рис. 5 Схема движения электронов вдоль провода и в электронно-лучевой трубке

Из новых представлений о поведении электронов в проводе следует необходимость заменить представления о плюсовом и минусовом концах проводов сети с постоянным напряжением на концы с северным и южным магнитными полюсами. Однако, процесс реализации этой необходимости будет длительный. Но он, как мы увидим дальше, неизбежен, так как углубление представлений о реальных электродинамических процессах невозможно без новых условностей в обозначении концов электрических проводов.

Таким образом, экспериментальная информация, которую мы привели, позволяет сформулировать первые предположения (постулаты) о структуре электрона и его движении по проводам. Для этого обратим внимание на то, что экспериментальный провод сориентирован с юга (S) на север (N) и южный конец этого провода подключён к плюсовой (+) клемме аккумулятора или конденсатора.

Итак, формулируем постулаты. Первый - электроны имеют вращающиеся электромагнитные структуры. Второй - электроны вращаются против часовой стрелки и имеют собственные магнитные моменты . Третий - магнитные поля движущихся и вращающихся электронов формируют суммарное магнитное поле, которое выходит за пределы провода. Четвёртый - направление вектора магнитного момента вокруг провода совпадает с направлениями векторов магнитных моментов электронов (рис. 3, 4, 5). Пятый - электроны в проводах движутся от плюсовых клемм к минусовым.

Итак, мы сформировали представление о том, что суммарное магнитное поле вокруг провода - результат сориентированного движения электронов в нём (рис. 3, 4, 5). Теперь нам надо найти электрическое поле. Закон Фарадея требует появление электрического поля вокруг провода в момент, когда меняется магнитное поле. Это значит, что при отключении тока магнитное поле вокруг проводника, исчезая, должно генерировать электрическое поле и у нас возникает проблема фиксации момента его появления. Считается, что электрическое поле формируется в направлении перпендикулярном магнитному полю. В данном случае оно должно быть направлено вдоль провода. Как же зафиксировать его рождение? Это - главный вопрос, который должен был сформулировать Майкл Фарадеем, но он не сделал этого. И это, видимо, естественно, так как он заложил лишь начала формирования представлений об электромагнитных явлениях. Но ведь его последователи должны были поставить этот вопрос и найти ответ на него, но они тоже не сделали этого. Поэтому попытаемся найти ответ на этот вопрос. Для этого рассмотрим вначале процессы взаимодействия магнитных полюсов постоянных магнитов.

Принято считать, что магнитные силовые линии выходят из северного магнитного полюса N и входят в южный магнитный полюс S (рис. 6). Как видно (рис. 6, а), у разноименных магнитных полюсов, сближающих друг друга, магнитные силовые линии в зоне контакта полюсов (рис. 6, а, точки а) направлены навстречу друг другу , а у одноименных магнитных полюсов, отталкивающих друг друга (рис. 6, b, точки b), направления магнитных силовых линий в зоне контакта полюсов совпадают [1].

Рис. 6 Схема взаимодействия магнитных силовых линий стержневых магнитов

электрон заряд электрический протон

Из описанного процесса взаимодействия магнитных полюсов постоянных магнитов следует, что если у двух параллельных проводов ток будет течь в одном направлении (рис. 7, а), то силовые линии магнитных полей, формирующихся в плоскости, перпендикулярной проводам, в зоне их контакта будут направлены навстречу друг другу и провода будут сближаться (рис. 7, а), как разноименные полюса магнитов (рис. 7, а) [1].

Если же направление тока у параллельных проводов будет противоположно (рис. 7, b), то направления магнитных силовых линий образующихся при этом магнитных полей будут совпадать по направлению в зоне их контакта и такие провода будут удаляться друг от друга, как и одноименные полюса стержневых магнитов (рис. 7, b) [1].

Таким образом, магнитные поля, формирующиеся вокруг параллельных проводов (рис. 7) сближают или удаляют их друг от друга. Нет здесь электрических полей. Есть напряжение и ток в проводах, а вокруг проводов - только магнитные поля, сближают или удаляют провода.