WEBVTT
Kind: captions
Language: ru

представьте себе огромную электрическую
цепь источник питания ключ лампочка их
соединяет два провода каждой длиной 300
тысяч километров это расстояние примерно
полпути до Луны и затем обратно свет
проходит за одну секунду провода
соединяет батарею с лампочкой которая
находится всего в метре от неё вопрос
Если замкнуть цепь Через сколько
загорится лампочка
пол секунды 1 секунда 2 секунды один
делить на Ц секунды или какой-то другой
вариант естественно некоторые условия
придется упростить пренебречь
сопротивлением проводника иначе у нас
ничего не получится и допустить что
лампочка загорается мгновенно стоит
через нее пройти току выберите вариант
ответа сейчас и напишите в комментариях
чтобы потом когда я озвучу решение не
Итак задача на самом деле тесно связана
с тем как энергия добирается от
электростанции до вашего дома в отличие
от батареек станции снабжают наши дома
переменным током Это значит что
электроны в проводах дергаются туда-сюда
никуда по сути не двигаясь если сами
заряды Не бегут по проводам к вашему
дому откуда тогда электричество в
розетках
когда я еще преподавал и мне приходилось
объяснять эту тему я сравнивал линию
электропередач с пластиковой трубой а
электроны с цепочкой внутри американский
электростанции дергают цепочку туда-сюда
60 раз в секунду меняя направление
представим что мы подключили какой-то
прибор скажем тостер по сути Это значит
что электроны теперь будут проходить и
через него электростанция все также
дергает их туда-сюда но они теряют часть
энергии введите пла из-за сопротивления
нагревательного элемента и мы можем
поджарить себе на завтрак хлеб Мне
нравится такое объяснение визуализация
наглядно и вроде бы те кому я это
объяснял все понимали Но есть одно Это
неправильно
во-первых нет такого провода который
тянулся бы к вашему дому Прямо от
электростанции на пути есть множество
пробелов физических разрывов цепи
например в трансформаторах стоят две
катушки на стороне подстанции на стороне
потребителя электроны физически не могут
перескочить с одной на другую еще момент
если энергию несут электроны которые
бегут от станции к вашему тостеру то
почему когда у них меняется направление
они не переносят энергию назад от вашего
дома на станцию Если электроны движутся
туда-сюда Почему энергия течет только в
одном направлении но скорее всего в
школе вас учили Так рассказывали что
сами электроны обладают потенциальной
энергией что их дергают туда-сюда внутри
замкнутой цепи и они отдают свою энергию
подключенному прибору в этом видео я
объясню почему всё это неправда
что же тогда правда
в
1860-х и 70-х мы совершили прорыв
понимания устройства Вселенной
шотландский физик Джеймс Максвелл
обнаружил что свет это на самом деле
колебание электрического и магнитного
полей колебания идти направлены
перпендикулярно друг другу и находятся в
фазе то есть пик одного полюса впадает с
пиком другого
Максвелл сформулировал уравнение
описывающее поведение электрического и
магнитного полей иначе говоря волн и
сегодня эти уравнения носят его имя в
1883 один из бывших учеников Максвелла
Джон Генри поинтинг озаботился проблемой
сохранения энергии если энергия
сохраняется локально в каждой точке
пространства то мы можем проследить путь
который она проходит от источника до
цели возьмем например энергию которую мы
получаем от Солнца в течение 8 минут за
которые свет доходит до земли энергия
сохра и переносится
электромагнитным полем излучения
pointing вывел уравнение описывающее
поток энергии количество
электромагнитной энергии проходящей
через определенную площадь за единицу
времени это так называемый Вектор
понтинга он обозначает с английской с
формула довольно простая один разделить
на минулевое это проницаемость вакуума и
умножить на векторное произведение Я на
B последнее это векторное произведение
электрического и магнитного полей
векторное произведение это один из
способов перемножения векторов сначала
надо перемножить их величины А чтобы
найти направление вытянуть пальцы правой
руки по направлению первого вектора то
есть электрического поля закрутить по
направлению второго то есть магнитного
поля и тогда вытянутый большой палец
укажет направление результирующего
вектора то есть потока энергии в случае
со светом Это говорит о том что энергия
передается
перпендикулярно Как магнитному так и
электрическому полю и в том же
направлении в котором движется свет что
в принципе логично свет переносит
энергию от источника так сказать пункту
назначения
Но вот что важно
уравнение пойнтинга применимо не только
для света оно подходит для описания в
принципе любых электромагнитных волн
всякий раз когда два поля оказываются
вместе возникает поток энергии который
можно рассчитать с помощью вектора
поинтинга
для наглядности представим простенькую
цепь из батарейки и лампочки у батарейки
есть собственная электрическое поле но
так как движение зарядов нет магнитного
поля не возникает и батарея не теряет
энергию когда батарейку включают в цепь
ее электрическое поле распространяется
по этой цепи со скоростью света более
толкает электроны таким образом что
большая часть оказывается в одной части
проводника и её поверхность обретает
отрицательный заряд а там где электронов
становится меньше поверхность обретает
положительный заряд
заряды образовавшиеся на поверхности
создают небольшое электрическое поле
внутри провода что заставляет электроны
двигаться по большей части в
определенном направлении это называется
дрейф и его скорость Крайне мала около
1/10 мм в секунду тем не менее это ток
принято считать что отток идет в
обратную сторону движения электронов но
вызывает его именно это движение
заряды на поверхности проводников также
создают электрическое поле снаружи отток
внутри провода добавляет к нему еще и
магнитное поле
Теперь у нас есть сочетание
электрического и магнитного полей в
пространстве вокруг цепи Согласно теории
понтинга должен возникнуть поток энергии
а направление легко определяется По
правилу правой руки возьмем пространство
вокруг батареи электрическое поле
направлено в ней а магнитное как бы в
экран получается что поток энергии
направлен вправо от батареи
Если точнее энергия направлена радиально
от источника питания выходит со всех
сторон и попадает в окружающее её поля
с проводами то же самое По правилу
правой руки энергетичет вправо при том
как по верхнему так и по Нижнему проводу
на нити накаливания Вектор понтинга
оказывается направлен внутрь лампы Так
что лампочка черпает энергию из Поля
если провести векторные вычисления мы
увидим что энергия поступает в лампочку
со всех сторон от источника энергии она
идет разными путями Но в любом случае
переносит ее именно магнитные
электрические поля обычно думают что
электроны перекачиваются из одного места
в другое ну или что-то вроде того и это
абсолютно неверно
большинство людей до сих пор сложно
свыкнуться с мыслью о том что энергия
проходит через пространство вокруг
проводника Однако так и есть энергия
движется через поле и притом довольно
быстро
Обратите внимание на пару моментов
во-первых Несмотря на то что электроны
движутся не только от батареи но и к ней
Вектор понтинга однозначно указывает что
поток энергии направлен в одну сторону
от батарейки к лампочки А еще видно что
энергию переносит именно поле а не
Электрон Далеко ли продвинутся электроны
в цепи которую вы описываете почти
Никуда или вообще на месте останутся А
что если вместо батареи мы используем
источник переменного тока и направление
движения электронов будет меняться
каждые пол периода тогда магнитные
электрические поля будут
переворачиваться одновременно Так что в
любой момент времени Вектор пойнтинга
будет указывать в одну и ту же сторону
от источника к лампочки для переменного
тока нам подойдут те же расчеты что
помогли нам разобраться с постоянным вот
так энергия производимая на
электростанциях попадает к нам в дом
внутри проводов электроны двигаются
туда-сюда
визуализация это движение усиленно но
энергию переносит не они от станции к
нашим домам продвигаются колебания
пространстве вокруг этих проводов в том
направлении куда показывает Вектор
понтинга движется поток энергии
может показаться что это просто вопрос
перспективы и в целом Нет разницы
передается энергия через поле или по
проводам Но на самом деле она есть мы
выяснили это на собственном опыте когда
начали прокладывать подводные
телеграфные кабели первые
трансатлантический кабель проложили в
1858 проработал буквально месяц и
довольно плохо из-за искажений при
прохождении сигнала искажение еще мягко
сказано скорость передачи была пара слов
в минуту оказалось что проходя столь
длинный путь по дну океана сигнал
искажается и удлиняется точки тире
становятся практически неотличимы ученые
долго спорили о том что стало причиной
такой неудачи Уильям Томсон
считал что сигнал проходит по кабелю
настаивали что информацию энергию Вот
именно поля вокруг провода оказалось что
они были правы чтобы кабель был прочнее
Центральный медный проводник оборачивали
изолятором а сверху добавили оплетку из
железа по идее она должна была укрепить
кабель но железо отличный проводник
изрядно увеличило электрическую емкость
кабеля что привело к искажению сигнала
сегодня провода стараются закреплять
повыше достаточно влажная почва сама
является проводником из-за чего между
проводом и землей необходимо хорошее
изолирующее прослойка из воздуха
так каков же ответ на задачку про
гигантскую электрическую цепь
стоит мне ее замкнуть лампочка загорится
практически моментально
примерно через один делить на Ц секунды
правильный ответ д
предположу что многие рассуждали так
электрическому полю необходимо пройти
весь путь от батареек лампочке по
проводу длиной в одну световую секунду
Так что она зажжется через одну секунду
но как вы теперь знаете из этого видео
главную роль играет не то что происходит
в проводах а то что происходит вокруг
них электрическая и Магнитные поля
проходит расстояние в один метр от
батареи до лампы за какие-то наносекунды
именно от этого и зависит скорость
включения лампочки естественно таким
образом лампочка не получит полное
напряжение батареи лишь какую-то его
часть все зависит от комплексного
сопротивления проводов и самой лампы я
эту задачку с несколькими экспертами Они
давали немного разные ответы но по
основным пунктам все были согласны в
описании я оставлю ссылку на более
подробный разбор если вам вдруг
интересно если мне не поверят скажут что
я все придумал Думаю будет смысл немного
потратиться и сконструировать что-то
подобное скажем пустыне Мне кажется тебе
не поверят согласен
[смех]
так и будет
Мне кажется Странно что все мы каждый
день пользуемся электричеством но почти
никто не знает и даже не задумывается
что на самом деле энергия идет не по
проводам А через электромагнитное поле
вокруг них