ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКЕ

Становов А.Д.

157 просмотров

Становов А.Д.

ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКЕ *

Аннотация:
в работе рассматривается взаимодействие движущихся электрических зарядов проводнике

Ключевые слова:
плоскость действия всех сил, вектор относительной скорости движения точечного заряда, вектор электростатической силы взаимодействия, вектор электродинамической силы взаимодействия, линия, соединяющая заряды, линия перпендикулярная линии, соединяющей заряды, связанные линейно расположенные заряды, не связанные линейно расположенные заряды, плоскость действия токов

DOI 10.24412/2712-8849-2024-978-619-640

УДК 537.112

Становов А.Д.

инженер электронной техники

(г. Москва, Россия)

ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ III.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ.

ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКЕ

Аннотация: в работе рассматривается взаимодействие движущихся электрических зарядов проводнике.

Ключевые слова: плоскость действия всех сил, вектор относительной скорости движения точечного заряда, вектор электростатической силы взаимодействия, вектор электродинамической силы взаимодействия, линия, соединяющая заряды, линия перпендикулярная линии, соединяющей заряды, связанные линейно расположенные заряды, не связанные линейно расположенные заряды, плоскость действия токов.

Рассмотрим взаимодействие проводника, по которому течёт электрический ток, с движущимся точечным отрицательным зарядом, с позиции индукции магнитного поля.

На отрицательный заряд, движущейся в магнитном поле проводника, в направлении движения свободных электронов, действует сила притяжения Лоренца. Есть направленное движение свободных электронов в проводнике, есть созданная свободными электронами индукция магнитного поля, есть движение отрицательного заряда перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, есть действие силы Лоренца. Всё правильно. Но если систему отсчёта связать с движущимся зарядом, то какие силы действуют между проводником и зарядом? Можно конечно утверждать, что в формуле Лоренца нельзя принимать скорость заряда равную нулю, но ведь от этого сила взаимодействия проводника и заряда не изменится. Утверждается, что сила должна действовать между свободными электронами проводника и движущимся внешним отрицательным зарядом. Но какая эта сила? Сила движущегося магнитного поля проводника с не подвижным отрицательным зарядом? Но в движущемся постоянном магнитном поле величина индукции магнитного поля не меняется, а значит не возникает ЭДС.

Так чем же отличаются условия движения зарядов в проводнике от условий их движения в вакууме?

Носителями зарядов в проводнике являются свободные электроны с отрицательным зарядом. Электроны, не являющиеся свободными носителями и связанные с ними положительные заряды, не будут оказывать влияния на силу взаимодействия проводника с окружающими его другими зарядами (могут оказывать влияние в качестве коэффициента магнитной проницаемости µ). Поэтому их взаимодействие с другими зарядами можно исключить.
Наличие внешнего электрического поля, вызывающее направленное движение свободных носителей заряда, электронов в проводнике.
Линейное расположение, не связанных между собой, свободных электронов в проводнике и наличие связанных между собой неподвижных зарядов противоположной полярности свободному носителю заряда.
Электрический ток в проводнике реально представляет взаимодействие связанных между собой линейно расположенных положительных зарядов с не связанными между собой линейно расположенными свободными электронами.
Свободные носители заряда, обеспечивающие электрический ток в проводнике, связаны электростатическими и электродинамическими силами с не подвижными положительными зарядами и при движении ограничены объёмом проводника, а концентрация свободных электронов зависит от сечения проводника.
Несвободные положительные заряды непосредственно связаны с проводником, а значит с общей массой и привязанной к ней системой отсчёта.
Суммарный заряд в проводнике равен нулю, то есть отсутствует электрический потенциал.
Разнонаправленное движение отрицательных электронов, как свободных, так и несвободных, при отсутствии внешнего электрического поля. В отсутствии внешнего электрического поля, в проводнике отсутствуют движущиеся заряды с приоритетным направлением. Например, в одной из трех осей направлений, свободные заряды движутся вдоль проводника в противоположном друг другу направлении, не создавая электродинамического взаимодействия с другими электрическими зарядами, так как суммарная относительная скорость свободных электронов равна нулю, а действие электродинамических сил зарядов, движущихся в противоположных направлениях компенсируются электрическими разно полярными зарядами окружающей материи.
Скорость движения свободных электронов в проводнике считается относительно не подвижных положительных зарядов материала проводника и является относительной скоростью движения свободных электронов под действием внешнего электрического поля, независящая от системы отсчёта. В любой системе отсчёта эта скорость постоянна. В расчётах при определении силы взаимодействия с другими зарядами является постоянной величиной, определяемой величиной электрического тока. Так как при определении силы взаимодействия, движущихся зарядов вдоль проводника с током, не подвижные положительные заряды проводника, связанные со свободными электронами, будут оказывать противоположное действие свободным электронам, определяющими величину тока в проводнике.
В формулах расчёта силы _к Кулоновского взаимодействия и электродинамической силы _э, расстояние между взаимодействующими зарядами необходимо учитывать, как (r) вместо (r²).
Максимальное электродинамическое взаимодействие между движущимися в одном направлении свободными электронами и другими зарядами происходит, когда угол между вектором скорости движущихся свободных электронов и линией, соединяющей заряды равен (α = 45^о), согласно п.4.13…4.17 (часть II). Соответственно, модуль электродинамического взаимодействия между двумя параллельно расположенными проводниками определяется произведением относительных скоростей свободных электронов в проводниках (|₁| |₂|), согласно формулы п.4.17 (часть II).
Величина электрического тока в проводнике, в отличии от движущихся в одном направлении линейно связанных между собой зарядами, определяет плотность свободных электронов в проводнике и их скорость движения.
Наличие внешнего электрического поля в проводнике вызывает приоритетное направление движения свободных электронов, увеличивая количество движущихся свободных электронов, относительная скорость электронов, при этом, будет больше нуля. Согласно п.4.13…4.17 и (рис.18) (часть II), между связанными между собой не подвижными положительными и движущимися в одном направлении вдоль проводника свободными электронами, создаётся дополнительная электродинамическая сила притяжения, а значит создаётся электродинамическое поле. На не подвижный заряд любой полярности, находящийся вне проводника, согласно (рис. 8,17,18) (часть II), должна действовать электродинамическая сила. Проводник, в таком случае, должен получить отрицательный электрический потенциал, а значит должна увеличится потенциальная энергия электрического поля в проводнике. Согласно п. 1 энергия всегда стремится к минимуму. В проводнике, непосредственно связанного с положительными не подвижными зарядами и общей массой, дополнительный отрицательный потенциал компенсируется изменением плотности движущихся свободных электронов. В результате, в системе отсчёта, связанной с проводником, электрический потенциал проводника равен нулю, соответственно электродинамическая сила, компенсированная электростатическим полем не подвижных положительных зарядов проводника, не будет действовать на внешний не подвижный заряд, а плотность движущихся свободных отрицательных зарядов, электронов, уменьшится. Что означает компенсацию дополнительного электродинамического поля уменьшением электростатического поля свободных электронов. Чем выше скорость движущихся свободных электронов, тем меньше их плотность, при определённом значении электрического тока.

Величина электрического тока в проводнике определяется величиной заряда, прошедшего через сечение проводника за единицу времени в единице объёма.

I = n_э |-e| / t = ԏ_э ∆L / ∆t, где ԏ_э - плотность свободных электронов в проводнике.

I = n_э |-e| |_о| S = ԏ_э ∆L |_о| S, где (-e) - заряд электрона, n_э – концентрация свободных электронов, _о - скорость свободных электронов (-e) относительно не подвижных положительных зарядов проводника, S – сечение проводника.

Увеличение относительной скорости _о движения свободных электронов в проводнике, при неизменном значении тока (I), приводит к уменьшению концентрации свободных электронов n_э, плотности свободных электронов (ԏ_э), согласно выше указанной формулы. Уменьшение концентрации свободных электронов, плотности свободных электронов (ԏ_э), приводит к уменьшению отрицательного электростатического поля. Напряжённость электростатического поля не зависит от интервала времени, а зависит от плотности (ԏ_э) свободных электронов, движущихся в одном направлении.

= n_э -e / ∆L

В проводнике с током между движущимися отрицательными свободными носителями заряда электронами не возникает никакой дополнительной силы, кроме кулоновской силы отталкивания, так как относительная скорость свободных электронов, между собой, равна нулю, согласно (рис. 13) п.4.11 (часть II).

Для свободных отрицательных носителей заряда в проводнике и связанных с ними противоположных зарядов будут выполняться условия п.1 (часть I), а сила F_о общего взаимодействия определяется формулой:

_о = _к + _э

_к = k₁ (n₁ -e) (n₂ +q) / r, где

n₁ – концентрация свободных электронов (-e),

n₂ – концентрация положительных зарядов (+q),

k₁= 1 / 2 π ɛ₀ ɛ - коэффициент пропорциональности,

Согласно п.4.16 (часть II)

_э = k₂ 0,5 |_о|² (n₁ -e) (n₂ +q) / r, где

_о - относительная скорость электронов,

k₂- коэффициент пропорциональности k₂ = µ₀ µ / 2 π

n₁ < n₂

_о = (k₁ (n₁ -e) (n₂ +q) / r) + (k₂ 0,5 |_о|² (n₁ -e) (n₂ +q) / r)

_о = (k₁ + k₂ 0,5 |_о|²) (n₁ -e) (n +q) / r

_о = ((1/ ɛ₀ ɛ) + µ₀ µ 0,5 |_о|²) (n₁ -e) (n +q) / 2 π r

Между движущимися свободными электронами в проводнике и связанными с ними не подвижными положительными зарядами возникает электродинамическая сила, согласно выше приведённой формулы, а, следовательно, между ними образуется электродинамическое поле. Это поле будет между движущимися свободными электронами и любым внешним зарядом.

Соответственно, в системе отсчёта, движущейся в направлении вектора скорости носителей заряда электронов, проводник имеет положительный потенциал. Вектор относительной скорости электронов в проводнике совпадает с вектором движения отрицательного заряда вне проводника, что приводит к уменьшению отталкивающей электродинамической силы между движущимися в одном направлении отрицательными зарядами и увеличению силы притяжения электростатической и электродинамической силы с не подвижными положительными зарядам проводника, потерявших свободные электроны. В результате, движущийся в направлении вектора относительной скорости электронов в проводнике отрицательный заряд, за счёт уменьшения действия электродинамической силы отталкивания и увеличения силы притяжения электростатического и электродинамического взаимодействия, будет притягиваться к проводнику, а положительный – отталкиваться. То есть сила притяжения возникает между движущимся внешним отрицательным зарядом и не подвижными зарядами проводника. На не подвижный, относительно проводника, отрицательный заряд будет действовать отталкивающая электродинамическая сила, движущихся относительно него свободных электронов и такая же по величине, но противоположная по направлению притягивающая, электростатическая сила не подвижных положительных зарядов проводника. В результате, не подвижный относительно проводника электрический заряд, не будет взаимодействовать с электрическим током в проводнике. На заряд, движущийся в направлении движения свободных электронов в проводнике, действуют силы электродинамического и электростатического взаимодействия. На заряд, движущейся против движения свободных электронов в проводнике, действует только сила электродинамического взаимодействия.

Полная версия статьи PDF

Номер журнала Вестник науки №9 (78) том 3

Ссылка для цитирования:

Становов А.Д. ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКЕ // Вестник науки №9 (78) том 3. С. 619 - 640. 2024 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/17348 (дата обращения: 17.06.2025 г.)

Альтернативная ссылка латинскими символами: vestnik-nauki.com/article/17348

Нашли грубую ошибку (плагиат, фальсифицированные данные или иные нарушения научно-издательской этики) ?
- напишите письмо в редакцию журнала: zhurnal@vestnik-nauki.com

* В выпусках журнала могут упоминаться организации (Meta, Facebook, Instagram) в отношении которых судом принято вступившее в законную силу решение о ликвидации или запрете деятельности по основаниям, предусмотренным Федеральным законом от 25 июля 2002 года № 114-ФЗ 'О противодействии экстремистской деятельности' (далее - Федеральный закон 'О противодействии экстремистской деятельности'), или об организации, включенной в опубликованный единый федеральный список организаций, в том числе иностранных и международных организаций, признанных в соответствии с законодательством Российской Федерации террористическими, без указания на то, что соответствующее общественное объединение или иная организация ликвидированы или их деятельность запрещена.