ТАЙНА ЭЛЕКТРИЧЕСТВА. ЧАСТЬ III. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВИЖУЩИХСЯ ЗАРЯДОВ. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПРОВОДНИКЕ Текст научной статьи по специальности «Физика»

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.

5. 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?

5.1. 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 ц). Поэтому их взаимодействие с другими зарядами можно исключить.

5.2. Наличие внешнего электрического поля, вызывающее направленное движение свободных носителей заряда, электронов в проводнике.

5.3. Линейное расположение, не связанных между собой, свободных электронов в проводнике и наличие связанных между собой неподвижных зарядов противоположной полярности свободному носителю заряда.

5.4. Электрический ток в проводнике реально представляет взаимодействие связанных между собой линейно расположенных положительных зарядов с не связанными между собой линейно расположенными свободными электронами.

5.5. 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.

5.6. Несвободные положительные заряды непосредственно связаны с проводником, а значит с общей массой и привязанной к ней системой отсчёта.

5.7. Суммарный заряд в проводнике равен нулю, то есть отсутствует электрический потенциал.

5.8. 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.

5.9. 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.

5.10.В формулах расчёта силы F.E Кулоновского взаимодействия и электродинамической силы /7.э, расстояние между взаимодействующими зарядами необходимо учитывать, как (г) вместо (г2).

5.11.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 (а = 45о), согласно п.4.13...4Л7 (часть II). Соответственно, модуль электродинамического

взаимодействия между двумя параллельно расположенными проводниками определяется произведением относительных скоростей свободных электронов в проводниках (|г;.1| |гя21), согласно формулы п.4.17 (часть II).

5.12.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.

5.13.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 = пэ |-е| / t = ъэ ЛL / Л^ где ъэ - плотность свободных электронов в проводнике.

I = пэ |—е| |г;.о| 3 = Ъэ ЛL |г?о | 3, где (-е) - заряд электрона, Пэ - концентрация свободных электронов, г?о - скорость свободных электронов (-е) относительно не подвижных положительных зарядов проводника, Б - сечение проводника.

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

Е = пэ -е / ЛL

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).

5.14.Для свободных отрицательных носителей заряда в проводнике и связанных с ними противоположных зарядов будут выполняться условия п.1

(часть I), а сила Бо общего взаимодействия определяется формулой:

-»-»-»

Р о Р к + Р э

Р.к = к1 (П1 -е) (П2 / г, где п1 - концентрация свободных электронов (-е), п2 - концентрация положительных зарядов (+q), к1 = 1 / 2 п в о в - коэффициент пропорциональности, Согласно п.4.16 (часть II)

Р.э = к2 0,5 |йо|2 (П1 -е) (П2 +q) / г, где

уо - относительная скорость электронов,

к2 - коэффициент пропорциональности к2 = Ц0 ц / 2 п

П1 < П2

^о = (к1 (П1 -е) (П2 +q) / г) + (к2 0,5 |^о|2 (щ -е) (П2 +q) / г)

2

) / 1) + (к2 0,5 |

2

^о = (к1 + к2 0,5 |£о|2) (П1 -е) (п -+Ч) / г

Ко = ((1/ 80 в) + Ц0 Ц 0,5 |р.о|2) (П1 -е) (п +q) / 2 п г

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.

5.15.Чем ограничивается скорость свободных носителей заряда (электронов) в проводнике?

Ответ: скорость ограничивается количеством свободных электронов, сечением проводника, при определённом значении тока. 17е = I / (пе -е Б), где I - электрический ток в проводнике, (п е -е) - концентрация движущихся в одном направлении электронов, Б - сечение проводника. Так ли это?

Это было бы справедливо, если бы не было электродинамического поля, то есть при направленном движении свободных электронов в проводнике между свободными электронами и не подвижными положительными зарядами, не

создавалось дополнительного электродинамического поля ^Е* э:

Е.э = ц0 ц 0,5 |йе|2 (пе -е) / 2 п г, где йв - скорость свободных электронов, (-е) заряд электрона, (пе -е) - концентрация свободных электронов, движущихся в одном направлении, г - расстояние между зарядами.

Электростатическое поле, создаваемое свободными электронами, движущихся в одном направлении:

Е.-к = (пе -е) / 2 п в0 в г, где (пе -е) - концентрация свободных электронов, движущихся в одном направлении.

Электростатическое поле, создаваемое положительными не подвижными зарядами проводника, связанными со свободными электронами:

Е+к = (п+ +q) / 2 п 80 в г, где (п+ +q) - концентрация положительных не подвижных зарядов проводника, связанных со свободными электронами.

Е.+к Е-К + Е.э

(п+ +q) / 2 п 80 в г = ((Пе -е) / 2 п 80 в г) + (Ц0 Ц 0,5 |йэ|2 (Пе -е) / 2 п г) (п+ +q) / 80 в = ((Пе -е) / в 0 в ) + Ц0 Ц 0,5 |йэ |2 (Пе -е) (п+ +q) = (Пе -е ) (1 + Ц0 Ц в 0 в 0,5 |^э|2), где (п+ > п е) - при электрическом токе (I > 0)

(п+ +q) = (п е -е) - означает отсутствие электрического тока (I = 0). в 0 = 8,85 10-12 Ф/м, ц 0 = 4 п 10-7 = 1,25 10-6 Гн/м = 1,25 10-6 Н/А2, -е = 1,6 10-19 Кл, Пе = 8,4 1028 м3, 80 Ц0 = 11 10-19

Увеличение значения величины электрического тока приводит к увеличению скорости свободных электронов в проводнике и уменьшению их концентрации, так, чтобы выполнялось условие выше указанного уравнения. И наоборот, уменьшение величины электрического тока в проводнике приводит к уменьшению скорости свободных электронов и увеличению их концентрации.

При скорости движения свободных электронов (гяэ = 0), концентрация свободных электронов, равна концентрации положительных не подвижных зарядов проводника:

(п+ = (Пэ -е)

Электрический потенциал в проводнике, при (гяэ = 0) равен нулю.

Электродинамическое поле Еэ проводника с электрическим током, в нашей неподвижной системе отсчёта, компенсируется за счёт уменьшения плотности свободных отрицательных носителей заряда, что приводит к увеличению их скорости, при неизменном значении электрического тока. Напряжённость электростатического поля Ек заряда не зависит от времени. Величина тока и напряжённость электродинамического поля обратно пропорционально времени. В каждый момент времени напряжённость электростатического поля определяется концентрацией электрического заряда в проводнике. Чем меньше концентрация свободно движущихся электронов в проводнике, тем меньше напряжённость электростатического поля. Увеличение скорости электронов, при неизменном значении электрического тока, приводит к уменьшению концентрации отрицательного заряда в проводнике и к увеличению электродинамического поля между зарядами. Увеличение электродинамического поля приводит к уменьшению концентрации электронов и так далее. В результате свободные электроны в проводнике, при не достаточном их количестве, зависящим от сечения проводника, могут достигают максимально возможной скорости. Что приводит к образованию разности потенциалов в проводнике, то есть омическому сопротивлению. Свободные электроны, участвующие в поддержании постоянного тока в проводнике, не имеют одинаковую скорость, в разные моменты времени. У разных металлов максимальная скорость свободных носителей (электронов) разная. Преодоление барьера максимальной скорости электронов, может создавать сверхпроводимость.

5.16. Электродинамическое (магнитное) поле проводника прямо пропорционально величине электрического тока, зависит от значения величины

тока и направления, то есть от заряда, прошедшего через единицу объёма проводника за единицу времени и соответственно зависит от плотности заряда и его скорости. Электродинамическое (магнитное) поле проводника является векторной суммой электродинамического и электростатического полей. Скорость свободных электронов в проводнике, движущихся в одном направлении, зависит от величины электрического тока, концентрации свободных электронов и определяется, согласно выше указанному уравнению. Электродинамическое поле в проводнике не зависит от системы отсчёта и внешних носителей заряда, то есть является закрытой системой. Взаимодействие с другими носителями заряда нужно рассматривать как взаимодействие этих зарядов с электрическим током в проводнике, с электродинамическим (магнитным) полем, а при определении силы взаимодействия с другими движущимися зарядами, принимать величину электрического тока в проводнике. Так как сила взаимодействия с другими движущимися зарядами зависит от величины протекающего тока и определяется концентрацией и относительной скоростью электронов в проводнике, относительно не подвижных положительных зарядов. Вектор максимальной общей силы взаимодействия находится на плоскости действия тока. Плоскость образуется проводником с электрическим током и линией, соединяющей проводник с другим проводником или точечным зарядом. Величина модуля общей силы взаимодействия, двух проводников, находящихся на этой плоскости, определяется формулой, согласно п.4.17 (часть II). Б о = Ц0 Ц П1 П2 0,25 ||^1 + ^2|2 - |р.1 - р2|2| / 2 п г, где (П1 ql) и (п2 q2) - концентрация свободных электронов в проводниках, й1 и у2 -относительные скорости свободных электронов в проводниках, г - расстояние между проводниками, по линии соединяющей эти проводники. Бо = ц0 ц п1 П2 | q21 |^1| |^21 / 2 п г Б о = Ц0 Ц I I / 2 п г

5.17. Взаимодействие проводника с электрическим током с движущимся точечным зарядом отличается от линейно расположенных движущихся в одном направлении с одинаковой скоростью зарядов тем, что сила, действующая на

точечный заряд, движущийся в направлении тока и обратном направлении разные по величине и направлению.

Величина электродинамической силы, при взаимодействии с движущемся точечным зарядом вдоль проводника, одинакова как в прямом, так и в обратном направлении, но противоположна по направлению действия силы.

Величина электродинамической силы линейно расположенных движущихся в одном направлении с одинаковой скоростью зарядов, при взаимодействии с движущемся точечным зарядом вдоль движения линейно расположенных зарядов, разная по величине, но одинакова по направлению, в прямом и в обратном направлении, согласно п.4.17 (часть II). Это связано с разным значением величины относительной скорости в прямом и обратном направлении.

(0,5 |гяо + 4д|2 - 0,5 |г;.о|2) > (0,5 |т;0|2 - 0,5 |0О - г?.од|2), где

0.5.|г?.о |2 - произведение проекций относительной скорости г?о, при угле

45о,

(0,5 |гяо + г7од|2 - 0,5 |гяо |2) - величина изменения произведения проекций увеличенной относительной скорости,

(0,5 |гяо|2 - 0,5 |г?.о - ггод|2) - величина изменения произведения проекций уменьшенной относительной скорости.

Равное значение величины общей силы, при взаимодействии с точечным зарядом, связано с тем, что в проводнике с электрическим током в направлении движения свободных электронов, действуют четыре составляющие силы:

1. Сила электродинамическая движущегося внешнего заряда в направлении движения свободных электронов, соответственно уменьшающая силу взаимодействия отталкивания, как движение в одном направлении одноимённых зарядов.

2. Сила электродинамическая движущегося внешнего заряда относительно не подвижных положительных зарядов проводника, потерявших свободные электроны, соответственно увеличивая силу взаимодействия притяжения, так как движение с разно полярными зарядами.

3. Сила электростатическая свободных электронов проводника, вследствие уменьшения их концентрации, плотности, соответственно уменьшающая силу взаимодействия отталкивания.

4. Сила электростатическая не подвижных положительных зарядов проводника, потерявших свободные электроны, взаимодействующая с электростатическим полем движущегося внешнего заряда, соответственно увеличивая силу взаимодействия притяжения.

Полярность заряда не влияет на величину силы электродинамического взаимодействия, а определяет направление действии силы притяжения или отталкивания.

Согласно, версии магнитной индукции, разницы взаимодействия между электрическим током в проводнике и линейно расположенных движущихся в одном направлении с одинаковой скоростью зарядов нет. Там и там, при условии равенства электрических токов, индукция магнитного поля одинакова и соответственно сила взаимодействия одинакова в разных направлениях движения внешнего точечного заряда. Это соответствует для проводника, но не соответствует для линейно расположенных движущихся в одном направлении с одинаковой скоростью зарядов. Сила взаимодействия тока в проводнике с не подвижным зарядом вне проводника - отсутствует. Не правильно сравнивать взаимодействие движущихся точечных зарядов в вакууме и в проводнике. В вакууме взаимодействие зависит от системы отсчёта, что не соответствует закону постоянства силы. Взаимодействие зарядов в вакууме следует рассматривать относительно выбранного заряда, согласно п.4.8.3 (часть II). В проводнике заряды двигаются относительно друг друга и не зависят от системы отсчёта, что согласуется с законом постоянства силы. При взаимодействии заряда с электрическим током в проводнике сила действует соответственно между движущимся зарядом и проводником в любой системе отсчёта.

5.18. Рассмотрим взаимодействие точеного заряда с электрическим током в проводнике.

Носителем электрических зарядов в проводнике являются свободные электроны с отрицательным зарядом. В электродинамическом поле свободные электроны в проводнике и движущиеся отрицательные заряды вдоль проводника всегда имеют силу отталкивания и никогда силу притяжения. Чем больше напряжённость электродинамического поля между зарядами, тем больше сила отталкивания для однополярных зарядов и наоборот для разно полярных зарядов - притяжения. Это, созданное электрическим током электродинамическое поле в проводнике компенсируется уменьшением электростатического поля свободно движущихся электронов, за счёт уменьшения их концентрации. При увеличении скорости движения свободных электронов уменьшается их концентрация. Количество заряда, протекающего за единицу времени не меняется, то есть значение тока неизменно. Концентрация свободно движущихся электронов, а значит напряжённость электростатического поля не меняется в любой системе отсчёта. Поэтому на движущийся, в направлении движения электронов в проводнике отрицательный заряд, уменьшается сила отталкивания между отрицательными однополярными зарядами и увеличивается сила притяжения положительных не подвижных зарядов проводника за счёт увеличения электростатической и электродинамической сил. Чем выше скорость движения отрицательного заряда вдоль проводника, в направлении движения свободных электронов, тем меньше действие отталкивающей электродинамической силы между электронами в проводнике и движущимся в том же направлении отрицательным зарядом, тем больше сила притяжения к проводнику за счёт силы электростатического и электродинамического взаимодействия, так как не подвижные положительные заряды в проводнике, потерявшие свободные электроны, участвуют в относительном движении внешнего отрицательного заряда. Количество движущихся свободных электронов, за единицу времени, при этом, не меняется, зависит от величины электрического тока. Количество движущихся электронов обусловлено внешним электрическим полем

проводника, материалом проводника, сечением проводника, количеством свободных электронов, принимающих участие в направленном движении и их скоростью. Эти физические особенности объясняют причину взаимного притяжения проводника и движущегося отрицательного заряда, в направлении движения электронов. При движении отрицательного заряда вдоль проводника, по которому течёт электрический ток, в противоположном направлении движения свободных электронов в проводнике, значение величины электродинамической силы отталкивания возрастает, а электростатическое взаимодействие отсутствует. Чем выше скорость движения отрицательного заряда в направлении обратном движению электронов в проводнике, тем больше сила отталкивания. Величина силы взаимодействия, как в прямом, так и в обратном направлении, одинаковая, определяется величиной тока в проводнике, величиной внешнего заряда и его относительной скоростью. Проводник и линия, соединяющая точечный заряд ортогональны, образуют плоскость действия тока. Для движущихся свободных электронов в проводнике выполняется условие п.5.10. Направление движения точечного заряда, на плоскости действия тока, не влияет на величину силы электродинамического взаимодействия с электрическим током проводника, но определяет направление действия силы. Величина модуля общей силы взаимодействия электрического тока в проводнике и движущегося заряда на плоскости действия тока, образованной проводником и этим зарядом, определяется формулой, согласно п.4.17 (часть II): Fо = k пе |-e| |v€| |q| (Sin в) / г, где (пе -e) - концентрация свободных электронов в проводнике, q -точечный заряд, v - вектор скорости заряда q, в -угол между вектором скорости v заряда q и линией, перпендикулярной плоскости действия тока.

Fо = k |I| |q| |г?| (Sin в) / г, где I - величина электрического тока, k = ц0 Ц / 2 Для упрощенного определения направления действия силы электродинамического взаимодействия между точечным зарядом и электрическим током в проводнике и между токами в двух проводниках, чтобы не использовать правил «буравчика» и «левой руки», можно пользоваться

предложенной ниже схемой. Действие силы направлено перпендикулярно вектору скорости определяемого заряда. Направление действия силы точечного заряда с электрическим током в проводнике или между двумя проводниками, представлена на рисунках (19... 24).

Рис. 19. Рис. 20. Рис. 21. Рис. 22. Рис. 23. Рис. 24. Рис. 25.

5.19.На (рис.19. 24) показано направление действия силы в зависимости от направления электрического тока в проводнике (I) и направления движения точечного положительного однополярного заряда. На (рис.19) показан проводник катушка соленоид, по которому течёт электрический ток. На (рис.25) показано взаимодействие линейно расположенных движущихся положительных зарядов (п (+q)) и не подвижного точечного заряда.

Чтобы определить направление силы, действующей на точечный однополярный заряд и электрический ток проводника, необходимо провести дугу в направлении вектора движения точечного заряда к направлению вектора движения однополярного заряда в проводнике. Электрическим ток в проводнике составляют отрицательные заряды, направление электрического тока принято для положительных зарядов. Что бы не было путаницы с направлением движения зарядов, на (рис.19.25) показано направление электрического тока для положительных зарядов. Вектор силы, действующей на точечный заряд, всегда перпендикулярен скорости движения заряда и направлен из дуги, если вектора движения зарядов являются продолжением друг друга, для однополярных зарядов и во внутрь дуги - для разно полярных. Если вектора движения зарядов направлены друг против друга, то вектор силы, действующей

на точечный заряд, направлен во внутрь дуги для однополярных зарядов и из дуги - для разно полярных. Дуги можно проводить с разных сторон от заряда. В любом случае результат направления силы будет правильный. Эта схема позволяет без ошибочно быстро определять направление действия силы на движущийся точечный заряд в электродинамическом поле проводника или других электродинамических полях, где известно направление электрического тока. Так как для однополярных зарядов, при линейно расположенных движущихся зарядов и не подвижным зарядом всегда действует сила отталкивания, то логично для определения направления действия электродинамической силы, принимать направление дуги по направлению вектора скорости линейных зарядов к неподвижному заряду (рис.24). В результате вектор электродинамической силы направлен из дуги. Соответственно, логично принять для определения направления действия электродинамической силы, направление дуги по направлению вектора скорости одного заряда к продолжению вектора скорости другого заряда, то есть вектор электродинамической силы должен направлен из дуги для однополярных зарядов.

Такая схема определения направления действия силы на точечный заряд в электродинамическом поле является не верной для двух точечных зарядов в вакууме. Неправильно уравнивать действие силы на точечный заряд в электродинамическом поле электрического тока проводника и действие силы между двумя точечными зарядами в вакууме.

6. Рассмотрим взаимодействие током в двух проводниках.

6.1. Рассмотрим два параллельно расположенных проводника с протекающими по ним токами. В проводниках с одинаковым электрическим током, в одном направлении, взаимодействие между движущимися свободными электронами одного проводника и свободными электронами другого проводника, электродинамической силы, согласно п.4.12 (часть II) не возникает. Суммарное электростатическое поле зарядов в проводниках равно нулю

относительно нашей не подвижной системы отсчёта. Взаимодействие зарядов, согласно п.1, не верно оценивать из системы отсчёта, не связанной с определяемым зарядом, то есть для определения взаимодействия между свободными электронами проводников необходимо систему отсчёта привязать к определяемому заряду. В данном случае нужно рассматривать систему отсчёта, привязанную к движущимся свободным электронам одного из проводников. Электродинамическая сила между свободными электронами проводников отсутствует, так как их относительная скорость равна нулю. Это значит электродинамическое поле между ними отсутствует, соответственно сила отталкивания между свободными электронами стала меньше, действует только уменьшенное из-за плотности электронов электростатическое взаимодействие. Увеличилась электростатическая и электродинамическая сила притяжения между движущимися свободными электронами одного проводника и не подвижными положительными зарядами, потерявшие свои электроны, другого проводника. Между проводниками с движущимися свободными электронами в одном направлении возникает сила притяжения, сила Ампера. При электрическом токе в противоположном направлении между движущимися электронами возникают электродинамические силы отталкивания согласно п.5.16, называемые силой Ампера. Силы взаимодействия притяжения и отталкивания, при одинаковым электрическом токе, равны и противоположны по направлению, в отличии от сил взаимодействия между двумя линейно расположенными зарядами. Направление действия силы взаимодействия можно определять согласно выше предложенной схемы (рис.20.24) п.5.19. Вместо точечного заряда принять направление тока второго проводника. Сила Ампера БА является силой общего Б о взаимодействия проводников определяется формулой: Бо = Ба = ^о ^ 11 12 / 2 п г, где (11 12) - электрические токи в проводниках, г -расстояние между проводниками.

Метод определения силы взаимодействия между токами в проводниках иной, чем при определении силы взаимодействия между точечными зарядами. Для определения силы и направления взаимодействия электрического тока в

проводниках, необходимо ввести понятие «вектор тока», для определения его положения в пространстве, определения плоскости взаимодействия токов и определения проекций тока на эту плоскость. Плоскость взаимодействия токов находится на двух параллельных проводниках. Сила Ампера Б А взаимодействия между двумя проводниками на этой плоскости определяется выше приведённой формулой.

6.2. Для определения максимальной силы взаимодействия между проводниками, находящихся в разных плоскостях, необходимо на каждом проводнике выбрать по одной точке с минимальным расстоянием между ними. Линия, соединяющая выбранные точки и вектор тока проводника определяют плоскость действия тока. Так же нужно выбрать одну из этих точек, относительно которой необходимо определить силу взаимодействия. Вектора токов в проводниках не подлежат векторному сложению между собой. Вектор силы взаимодействия между проводниками с электрическим током максимален, когда расстояние между ними минимально, то есть когда линия, соединяющая проводники перпендикулярна к обоим проводникам. Соответственно каждый из векторов электрических токов должен совпадать с линией, перпендикулярной линии, соединяющей проводники и определять плоскости действия токов. В результате образуется две плоскости действия токов, находящиеся на линии, соединяющей проводники. Для определения силы взаимодействия между проводниками можно взять любую из двух образовавшихся плоскостей. Величина и направление действия силы будут одинаковы в обоих плоскостях. Вектор силы взаимодействия в обоих плоскостях совпадает с линией, соединяющей проводники.

Что бы определить максимальную силу взаимодействия между проводниками, находящихся в разных плоскостях, необходимо:

1. Выбрать один из проводников, относительно которого нужно определить силу взаимодействия другого проводника.

2. Выбрать точки на проводниках, из которых линия, соединяющая проводники (г) взаимно перпендикулярна к обоим проводникам, соответственно имеет минимальное расстояние.

3. Определить проекцию вектора тока выбранного проводника, на плоскость действия тока другого проводника.

|/. 121 = |/.i| (Sin в), где в - угол между вектором тока 1\ и линией,

-»

перпендикулярной плоскости действия тока /2.

-»

4. Произведение проекции модуля вектора тока /12 и модуля вектора тока другого проводника определить, согласно формулы:

Бо = ^о ^ |/л| |/.2| (Sin в) / 2 п г, где 1\ и /2 - вектора токов в проводниках, в - угол между вектором тока 1\ и линией, перпендикулярной плоскости действия тока, г - линия, соединяющая проводники.

Направление действие силы зависит от направления вектора тока /2 и направления проекции вектора тока /12, знак (+/-) определит направление силы: (+) - притяжение, (-) - отталкивание. Графически направление действия силы можно определить на плоскости действия тока, согласно схемы (рис.20...24) п.5.19. Вместо точечного заряда принять направление тока второго проводника.

6.3. Для определения силы взаимодействия между проводниками в заданной точке, находящихся в разных плоскостях, необходимо определить плоскость взаимодействия тока. Для определения силы взаимодействия двух проводников, в заданной точке, находящихся в разных плоскостях, необходимо:

1. На проводнике выбрать точку для определения силы взаимодействия на неё второго проводника.

2. Линия, соединяющая проводники должна быть перпендикулярна второму проводнику, то есть иметь минимальную длину.

3. Вектор тока второго проводника и линия, соединяющая проводники находится на плоскости действия тока этого проводника.

4. Определить проекцию вектора тока первого проводника, на котором была выбрана точка для определения силы взаимодействия, на плоскость действия тока.

5. Определить силу взаимодействия между проводниками в выбранной точке проводника, на плоскости действия тока, согласно ниже приведённой формулы:

Бо = ^о ^ |/-i| |/.2| (Sin в) / 2 п г, где /.i и /2 - вектора токов в проводниках, в

- угол между вектором тока /i и линией, перпендикулярной плоскости действия тока, г - линия, соединяющая проводники.

6. На плоскости действия тока, согласно схемы (рис.20...24), определить направление действия силы на выбранную точку проводника. Вместо точечного заряда принять направление проекции тока первого проводника.

6.4. Плоскость взаимодействия тока в однородном электродинамическом поле соленоида образуется иначе, чем с двумя не параллельными проводниками. Плоскость взаимодействия тока в однородном электродинамическом поле соленоида должна быть перпендикулярной оси соленоида. Линия, соединяющая заряды неопределенна. Эта линия, в однородном электродинамическом поле, может соединять заряды с любыми точками проводника, находящегося плоскости взаимодействия тока. В проводнике соленоида есть два противоположных по направления и одинаковых по величине вектора тока, находящихся на одной плоскости, перпендикулярной оси соленоида образующие плоскости взаимодействия тока по всей длине соленоида. Определять модуль силы взаимодействия заряда, движущегося в однородном электродинамическом поле соленоида можно, согласно ниже приведённой формулы:

Бэ = ^о ^ n |/| |q| |v| (Sin в), где n - количество витков в соленоиде, I -величина электрического тока в соленоиде, q - точечный заряд, v - вектор скорости заряда q, (|v| (Sin в)) - проекция вектора скорости v заряда q на плоскость действия тока, образованную противоположными векторами тока

соленоида, в - угол между вектором скорости точечного заряда q и линией, перпендикулярной плоскости действия тока, параллельной оси соленоида.

7. Индукция электродинамического поля.

Изменение постоянного тока вызывает изменение электродинамического поля. На рис. 23, 24 показано направление действия электродинамических сил на неподвижный точечный однополярный заряд, при увеличении и уменьшении постоянного тока.

Рис. 23.

Рис. 24.

Ускоренное движение свободных электронов в проводнике вызывает изменение равновесия электродинамических сил в радиальных силовых линиях носителей заряда (рис. 23). Это приводит к увеличению вектора электродинамической силы по дуге, совпадающей с вектором ускорения электронов в проводнике, в данном случае по правой дуге, согласно (рис. 23). Причём вектор силы взаимодействия направлен по правой дуге между зарядами ql и q2. Выполняется закон: сила действия равна силе противодействия. В результате происходит движение заряда вне проводника со скоростью гя2 в противоположном направлении ускоренному движению электронов в проводнике. В случае замедления движения электронов в проводнике (рис. 24) происходит тоже изменение равновесия электродинамических сил в радиальных силовых линиях по левой дуге, согласно (рис. 24) совпадающей с отрицательным вектором замедляющихся электронов. Вектор силы взаимодействия направлен по левой дуге между зарядами q1 и q2. В результате происходит движение заряда вне проводника со скоростью гя2 в противоположном вектору ускорения -а.о направлении замедляющимся движению электронов в проводнике.

8. Выше изложенные выводы основаны только на теоретических предположениях и не подтверждены практическими исследованиями.

Требуются практические подтверждения или опровержения предложенных выше выводов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Электромагнетизм, автор: В.Б. Осташев;

2. Электродинамика, автор: И.В. Яковлев;

3. Краткий справочник по физике, автор: С.И. Кузнецов

Stanovov A.D.

Electronic Engineering engineer (Moscow, Russia)

MYSTERY OF ELECTRICITY. PART III. INTERACTION OF MOVING CHARGES. CONSTANT ELECTRIC CURRENT IN CONDUCTOR

Abstract: the paper considers the interaction of moving electric charges in a conductor.

Keywords: plane of action of allforces, vector of relative velocity of motion ofpoint charge, vector of electrostatic force of interaction, vector of electrodynamic force of interaction, line connecting charges, line perpendicular to line connecting charges, connected linearly arranged charges, not connected linearly arranged charges, plane of action of currents.