Продовження. Початок за посиланням: Energy Universe/ Енергетичний Всесвіт.
Електрична (електромагнітна) енергія електричного кола та Електродинаміка.
Електрику фізика вивчає як: Класичну Елекродинаміку — розділ фізики, що вивчає електромагнітне поле. Включає зв'язок електричних і магнітних явищ, електромагнітне випромінювання (в різних умовах, як вільне, так і в різноманітних випадках взаємодії з речовиною), електричний струм (взагалі кажучи, змінний) і його взаємодію з електромагнітним полем (електричний струм може бути розглянуто при цьому як сукупність рухомих заряджених частинок). Будь-яка електрична і магнітна взаємодія між зарядженими тілами розглядається в сучасній фізиці як здійснювана за посередництвом електромагнітного поля, і, отже, також є предметом електродинаміки.
Найчастіше під терміном «електродинаміка» за замовчуванням розуміється класична (не зачіпає квантових ефектів) електродинаміка; для позначення сучасної квантової теорії електромагнітного поля і його взаємодії із зарядженими частинками зазвичай використовується стійкий термін квантова електродинаміка.
Базовими поняттями класичної електродинаміки є уявлення про електричне та магнітне поле навколо заряджених тіл і провідників зі струмом.
Спеціальні розділи електродинаміки:
- Електростатика описує властивості статичного (не змінного за часом або такого, що змінюється достатньо повільно, щоб «електродинамічними» ефектами можна було знехтувати, тобто, коли в рівняннях Максвелла можна відкинути, через їх малості, члени з похідними за часом) електричного поля і його взаємодії із електрично зарядженими тілами (електричними зарядами), які також нерухомі або рухаються з досить малими швидкостями (чи, може, якщо є і є заряди, що швидко рухаються, але вони досить малі за величиною), щоб створювані ними поля можна було приблизно розглядати як статичні. Зазвичай при цьому мається на увазі і відсутність (або нехтуванням впливу через незначну силу) магнітних полів.
- Магнітостатика досліджує постійні струми (і постійні магніти) та постійні магнітні поля (поля не змінюються в часі або змінюються настільки повільно, що швидкістю цих змін в розрахунку можна знехтувати), а також їх взаємодію.
- Електродинаміка суцільних середовищ розглядає поведінку електромагнітних полів у суцільних середовищах.
- Релятивістська електродинаміка розглядає електромагнітні поля в рухомих середовищах.
Всі ми зі школи знаємо про простіший електричний ланцюг: електрична батарея, з'єднувальні дроти, вимикач та лампа розжарювання.
На схемі зображено електричну батарею, яка є гальванічним джерелом електроенергії. Першим таким джерелом електроенергії вважається артефакт «Багдадська батарейка». Гальванічний елемент, в основному, це пристрій, який перетворює хімічну енергію на електричну. Він працює за рахунок окисно-відновних реакцій між двома різними металами та електролітом. Але гальванічний елемент є хімічним джерелом електрики, яке генерує різницю Електричних потенціалів, між клемами гальванічного елементу (Електричний потенціал у ланцюгу живлення - це характеристика електричного поля, що визначає потенціальну енергію заряду в певній точці. Різниця потенціалів між двома точками ланцюгу викликає електричний струм.) У електростатиці електростатичний потенціал φ визначається згідно із E = −∇φ, де E — напруженість електричного поля. Часто для визначення електростатичного потенціалу зручно розв'язувати диференціальне рівняння, якому він задовольняє — рівняння Пуассона: Δφ=−4πρ, де ρ — густина заряду. Але для зрозумілого розгляду простішого електричного кола, батарея не дуже вдалий приклад. Є такий прилад - Електричний кондесатор (англ. capacitor; нім. Kondensator m) — система з двох чи більше електродів (обкладок), які розділені діелектриком, товщина якого менша у порівнянні з розміром обкладок. Така система має взаємну електричну ємність і здатна нагромаджувати та зберігати електричний заряд. Кондесатор як раз відповідає прикладу тлумачення електричного поля у стані напруги/напруженності. Електрична напруга та електрична напруженість - це дві різні фізичні величини, які описують електричне поле.
Електрична напруга характеризує роботу, яку потрібно виконати для переміщення одиниці заряду Q між двома точками.
Напруга може бути визначена зі співвідношення: U=W/Q, де W — робота сторонніх і кулонівських сил з переміщення заряду, Q — величина електричного заряду. Для потенціального поля напруга відповідає різниці потенціалів між двома точками електричного поля: U = φ1-φ2. Із закону Ома для неповного кола: U=I⋅R, де I — сила струму*, що проходить по провіднику, R — електричний опір провідника. Для вимірювання напруги можуть використовувати прилади, які називаються вольтметрами, мілівольтметрами тощо.
Таке тлумачення принято як константа, але не все так складно як здається. Ви здивовані? Поперще що за явіще таке СИЛА СТРУМУ? Освіта вказує, що це
Си́ла електри́чного стру́му (сила струму або просто струм) — кількісна характеристика електричного струму в провіднику, скалярна величина I=Δq/Δt, яка відповідає кількості заряду (Δq), що проходить крізь переріз провідника за час Δt, розділеному на цей проміжок часу. За одиницю сили струму беруть таку силу струму, за якої відрізки паралельних провідників довжиною 1 м, що розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють із силою 2·10−7 Н. Силою струму називають ще величину, що визначає швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, крізь поперечний переріз провідника. Струм — це упорядкований рух заряджених частинок. У системі SI сила струму вимірюється в Амперах (позначення А). Відповідно, густина струму вимірюється в A/м²..
З цього моменту будемо розбиратися. Як вимірюється сила струму практично у колі. Для цього є прилад Амперметр в основі якого ще ранній прилад Гальвано́метр (гальвано — від прізвища ученого Луїджі Гальвані і дав.-гр. metréo — вимірюю) — високочутливий прилад для вимірювання малих постійних і змінних електричних струмів. На відміну від звичайних мікроамперметрів, шкала гальванометра може бути проградуйована не лише в одиницях сили струму, але й в одиницях напруги, інших фізичних величин, або мати умовне, безрозмірне градуювання, наприклад, при використанні як нуль-індикаторів.
Амперметри бувають магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні, теплові, індукційні, детекторні, термоелектричні та фотоелектричні.
Магнітоелектричними амперметрами вимірюють силу постійного струму в дуже малих вимірюваннях; індукційними і детекторними — силу змінного струму. Амперметри інших систем вимірюють силу будь-якого струму. Найточнішими і найчутливішими є магнітоелектричні та електродинамічні амперметри. Принцип дії магнітоелектричного приладу базується на створенні обертального моменту завдяки взаємодії між полем постійного магніту і струмом, що проходить крізь обмотку рамки. З рамкою з'єднана стрілка, яка переміщується по шкалі. Кут повороту стрілки пропорційний щодо сили струму. Електродинамічні амперметри складаються з нерухомої і рухомої котушок, з'єднаних паралельно або послідовно. Взаємодія між струмами, що проходять крізь котушки, викликає відхилення рухомої котушки і з'єднаної з нею стрілки. В електричне коло Амперметри вмикаються послідовно з навантаженням, а при високій напрузі, великих струмах—через трансформатор.
(Чому я такий прискіпливий до цього питання? Тому що тут є суперечність, і вона була там з самого початку.)
В описі не уточнюється, що саме є силою, яка відхиляє стрілки амперметра. Що пояснює з цього приводу фізика: Провідник зі струмом завжди створює навколо себе магнітне поле. Це відбувається завдяки руху електричних зарядів (електронів) вздовж провідника, що, згідно із законами електромагнетизму, спричиняє виникнення магнітного поля. Магнітні силові лінії концентрично оточують електричний струм. Тобто рух струму в провіднику та магнітне поле – це різні явища, які є взаємозалежними. Ще поважні науковці порівнють роботу електричного струму з напором води у трубі, але це помілкове тлумачення.
Електромагнітні вимірювальні прилади засованві на принципі дії Гальванометра – це пристрій, який використовується для вимірювання малих електричних струмів. Принцип роботи гальванометра заснований на взаємодії між магнітним полем, створюваним котушкою зі струмом, та магнітним полем постійного магніту. Коли через котушку проходить електричний струм вона створює власне магнітне поле, яке взаємодіє з полем постійного магніту і викликає її обертання. Це обертання відхиляє стрілку гальванометра, і кут відхилення пропорційний силі струму. За методикою вмикання до схеми електричного кола вимырюють напругу або силу струму.
Логіка це те, що кінцевим явищем електричного струму навколо дроту є магнітне поле, яке вимірюють гальванометром, тобто це витрачається від джерела. Виникає питання, яке явище є джерелом.
Електричне поле, Електричне джерело
Електричне поле - це фізичне поле, що оточує електричний заряд, через яке він діє на інші електричні заряди. Це область простору, де електричний заряд відчуває силу, і електричне поле є векторною величиною, що може бути візуалізована як стрілки, які показують напрямок та силу дії електричного поля.
Ще є прилад якій індукує наявність статичного електричного поля. Електроскоп - це прилад, що використовується для виявлення та ідентифікації електричного заряду. Крім простішого у скляній банці є електронні.
Що ми вимірюємо за допомогою цих приладів? Напруженість електричного поля, — одна з основних фундаментальних величин класичної електродинаміки. У цій галузі фізики порівнянними з нею за значимістю є тільки вектор магнітної індукції. У статичній електриці існує два типи електричних зарядів: позитивний та негативний. Я також колись вважав, що в електричному колі також є два типи електричних зарядів. Але пізніше я дійшов логічного висновку, що існує лише вектор електричної напруги (індукція). Зараз я трохи поясню. Ми трохи будемо робити висновки, статичну електрику спростовувати не будемо але є те на що треба звернути увагу. На малюнку висче (конфігурації електричних полів) маємо уявлення про точковій електричний заряд та його силові линії. Спробуємо теоретично перенести цей точковий заряд між пластинами простішого неполярного конденсатора.
Я намалював, як електричний заряд перетворюється на елемент електричної поляризації електричного конденсатора. Я не знайшов пояснення, як з монопольного електричного заряду може утворитися диполь (+/-). Я гадаю, що утворюється поляризація напрямку електричної напруги та області, звідки вона виникає (нульова зона). Це положення збігається з вектором магнітної індукції. Різниця полягає в тому, що силові лінії електричної поляризації E не замкнуті, як у силових лініях магнітної індукції B. .Нульва зона це зона в якій виконується явище Імплозії [0-] та Експлозії [0+]. Я зробив малюнок у відповідності нового тлумачення електричних зарядів.
a) малюнок точкового статичного електричного заряду, позитивного чи негативного (Експлозія [+], Імплозія [-]);
b) малюнок взаємодії статичних точкових електричних зарядів з урахуванням зон Експлозії [+], Імплозії [-];
c) перетворення електричного заряду в поляризацію діелектричного середовища між металевими пластинами. У цьому випадку ми бачимо, що електричний диполь є нульовою зоною середовища посередині діелектричного середовища з явищами Експлозії [0+] Імплозії [0-], які формують вектор електричної напруженості E між полюсами електричного диполя +/- за аналогією з постійним магнітом N-S. Для опису електричних полів в діелектриках зручно ввести поняття електричного зміщення. Електричне зміщення іноді називають ще електричної індукцією. Вектор електричного зміщення D в найпростішому випадку пов'язаний з вектором напруженості електричного поля Е співвідношенням D = εε0E. Це пряма дія електричної поляризації середовища діелектрика. При цьому ця поляризація має здатність до збереження (накопичення) електричної напруженості Е (D), без дії зовнішнього джерела після заряжання. Дослідник з України (Херсонська обл.) провів цікавий експерімент: Где храниться заряд в конденсаторе?
d) ілюстрація сил та явищ джерела (конденсатора), в електричному умовному ланцюзі. Де Сила F – сила між полюсами електричного диполя, що містить вектор електричної індукції всередині джерела E. Фізика стверджує що диєлектрик не проводе електричний струм. Питання виникає що за струм якій не проводе середовище дієлектрика (тому досліджуємо далі). Лінія сили електричної індукції E (D) джерела прагне замкнутися сама на себе +/- через лінію сили електричної шндукції Еі. назовні джерела. Якщо провідника які замикають електроди кондесатора немає, лінії електричної індукції та електричного зміщення не замкнуті.
Ще раз про Напру́женість електри́чного по́ля — силова характеристика електростатичного поля, яка визначається відношенням сили F, що діє на додатній точковий заряд q, вміщений в дану точку поля до величини цього заряду: E=F/q, де F — сила, q — електричний заряд, E — напруженість електричного поля. У кожній точці в даний момент часу існує своє значення вектора E (взагалі кажучи — різне в різних точках простору), таким чином, E — це векторне поле.
Таким чином можемо констатувати, що рівняння Максвелла – за теоремою Гауса: ∇∙D = ρ або D = εE де ∇∙Е = ρv/ε0, є виразом поля електричного джерела де ρ - Густина електричного заряду [ρv] – це об'ємна густина електричного заряду: об'ємна густина електричного заряду Грецький символ (ρ) зазвичай позначає електричний заряд, а нижній індекс V вказує на об'ємну густину заряду. Оскільки заряд вимірюється в кулонах [Кл], а об'єм – у метрах3 [м3], одиниці густини електричного заряду в рівнянні – [Кл/м3]. Фізіка стверджує, що оскільки електричний заряд може бути негативним або позитивним, густина заряду може бути негативною, позитивною або нульовою; ε - Діелектрична проникність - це фізична характеристика середовища, що визначає, у скільки разів сила взаємодії між зарядами в даному середовищі менша, ніж у вакуумі. Вона характеризує ізоляційні властивості діелектрика, тобто речовини, яка не проводить електричний струм.
Рівняння Масвелла - на закон Гаусса для електричного поля
| 1 | закон Гауса для електрики | Джерело електричного поля — заряди |
Але D = ρv = εE є ще виразом відповідної дипольної електричної напруженісті діелектричного накопичувача, де ЕD = εE = ρv/εε0, тобто вираз за фактом. Але ми не знаємо, що є причиною такого явища як утримання накопичення електричного поля в стані умовного диполя в діелекрику. Крім того, негативна сторона індукції (-) такого накопичувача не реєструється. Силові лінії як у статичного негативного негативного заряду не виявляються. Тому вираз ЕD= ρ/εε0 заряду у дієлектрику може мати тільки відповідне значення: нуль [0] або [GND] та позитивний [+Е] з відповідним спином силової лінії електричної індукції Еі навколо провідника. Крім неполярного, найпростішого кондесатора існують електролітичні полярні кондесатори, кондесатори - це пасивні джерела, вони тільки накопичують електричне поле з наступним розрядом в електричний ланцюг. Також існують гальваничні елементи (мають зворотну та незворотну електрохімічну реакцію). Принцип дії гальванічного елемента використовується в електрохімічних батареях. Ще є Паливний елемент, Електричний акумулятор, Електрохімічна комірка, Концентраційний елемент це все вже є генераторами напруги, так як у процессі розряду вони виробляють напругу (постійно підтримують електричну напруженість на клемах пристрою).
Розглянемо простіший ланцюг із джерелом C1 [зарядженим кондесатором], проводами з'єднання довжиною 1 метр, активним навантаженням R. Є три вимикачі S1, S2, S3 та вимірювальний прилад вольтметр, який підключається для вимірювання напруги [U] між точками 1, 2, 3, негативний вивід кондесатора (-) [GND].
Припустимо, що ємність кондесатора становить 100 мкФ, якій заряджений до 12В. Припустимо, що навантаження R має опір 10 Ом. Питання як напруженість Е [D] - напруга 12В діелектричного шару конденсатора С1, досягає цих точок вимірювання по провіднику довжиною 10 см (1), 1 м (2) та 1,9 м (3), коли S2, S3 розімкнуті? Чому навантаження R (10 ом) ні як, тому не заважає [Fig. a)]. Схема онлайн за посиланням. Як електрична напруженість E [D] потрапляє від позитивної пластини конденсатора C1 до кінчика дроту, що має розімкнуте коло на виводах перемикачів S1, S2? Ми можемо пояснити це лише провідністю силових ліній, сфокусованих у діелектрику джерела C1 вздовж поверхні дроту. Це те саме явище, що й електрорушійна сила. Але фізична інтерпретація стосується лише явища виникнення Е від зовнішньої сили, яка є причиною виникнення електрорушійної сили у замкненому колі. Насправді ЕРС [ED] – це спрямована електрична напруженість навколо провідника, яка виникає навіть тоді, коли коло не замкнене, і є явищем для ділянки дроту, на яку діє зовнішня сила. Записи тотожні
Якщо далі вмикаємо S2 [Fig. b)] отримаємо лінійну вольт-амперну характеристику розряду кондесатора з формуванням сили струму в Амперах по всій довжині з'єднувальних проводів 2 метри. Але спадаюча напруга реєструється тільки в точках вимірювання 1, 2. У третій точці вимірювання падіння напруги миттєво. Після опору 10 ом ніякої напруженості Е відповідному значенні точок 1, 2 ми не спостерігаємо. Тобто 1 м дроту з напруженістю Е, а другий 1 м дроту без відповідної напруженості Е джерела.
Електростатичні (індукційні) машини – це тип електричних машин, які використовують електростатичну індукцію для перетворення механічної енергії в електричну. На відміну від звичайних генераторів, які використовують електромагнітну індукцію, вони не використовують магнітні поля, а навпаки, розділяють заряди в ефірі за допомогою електростатичної індукції. Здійснена при цьому механічна робота проти дії електричних сил щодо поділу зарядів у просторі перетворюється на енергію електричного поля (різницю потенціалів).
За конструкцією електростатичні машини бувають: з жорсткими роторами (циліндрами, дисками) - машини фірм Töpler, Goltz, Wommelsdorf, Wimshurst; з гнучкими ременями та ланцюгами – генератор Van de Graaff, пеллетрон; з крапельним і пиловідведенням – крапельниця Кельвіна; інші.
Звичайні машини з низькою робочою напругою працюють в повітрі. Для зменшення розмірів ізоляторів високовольтні автомати можуть бути поміщені в сухе газове середовище під підвищеним тиском. Існують також конструкції у вакуумній упаковці. Для зниження коронних втрат в конструкції машин уникають будь-яких кутів і точок (наприклад, генератор Ван де Граафа з кульковим електродом діаметром 80 см дозволяє накопичувати потенціал до 750 кВ, після чого починається коронний розряд). Використання: електростатичне осадження: очищення електрогазу, порошкове фарбування, електросепарація; випробування на пробій ізоляції електроустановок, випробування блискавкозахисту; Демонстраційні лекції з курсу фізики; живлення прискорювачів заряджених частинок.
Крім више зазначених машин є високовольтний Трансформа́тор Тесли, також котушка Тесли (англ. Tesla coil) — пристрій, винайдений Ніколою Теслою, що носить його ім'я і виконаний у вигляді трансформатора, ввімкнутого обмотками в коливальні контури, які працюють в резонансному режимі та служить для утворення високої електричної напруги (десятки кіловольтів) високої частоти (зазвичай, 20...100 кГц). Прилад було запатентовано 22 вересня 1896 року, як «Апарат для вироблення електричних струмів високої частоти і потенціалу». Нажаль крім демонстаційних заходів ТТ не застосовується. Але сам Тесла прагнув використати технологію в енергетиці для генерації та бездротового передавання струмів.
Для вводу електротстаичного потенциалу які генерується електростатичними машинами в електричний ланцюг, потрібна технологія перетворення з стану поверхневого заряду у заряд полярізації диелектрика з полальшим використанням у силовому електричному колі з навантаженнями. Такий прилад є Вилка С. Авраменка - це простий електронний пристрій, що використовується для вирівнювання несиметрії в високочастотних системах передачі електроенергії. Вона складається з двох диодів та конденсатора, і названа на честь українського інженера Авраменка.
Вилка Авраменка (діодний штекер Авраменка) — це диодна схема, що складається з двох диодів, підключених до конденсатора, Диоди підключені катодом і анодом, а вільні кінці диодів підключені до конденсатора, Пристрої використовуються для зменшення несиметрії в високочастотних лініях передачі електроенергії. Більш детально якщо є бажання ознайомтесь з моїм постом "Електричне поле – джерело енергії!"
Самим відомим приладом генерації якій зі слів автора Таріеля Капанадзе затосовував ВВ ТТ є пристрий якій відомий за назвою КАПАГЕН, ознайомиися можна за посиланням: "Таємниця генератора Капанадзе"
Потроху переходимо до замкненого електричного ланцюга. Ми вже побачили, що дією в електричному ланцюзі є поява сили струму I, це вже інше рівняння Максвелла на закон Ампера, який ми розглянемо в наступній частині.
Наступна сторинка: Електричне коло, Сила Струму, Закон Ампера, Закон Біо-Савара, Магнітне поле.
