Электроны в проводе с переменным напряжением

Сейчас мы увидим, что изменение знака амплитуды синусоидального напряжения – результат изменения направления электронов в проводе в интервале одного периода колебаний. Последовательность этих изменений представлена на рис. 111, a, b, c, d и e. Из них и следует закон формирования синусоидального характера изменения переменного напряжения.

Рис. 111. Схемы изменения направления векторов магнитных моментов и спинов свободных электронов в проводе с переменным напряжением

Вполне естественно предположить, что при максимальном положительном напряжении все свободные электроны в проводе ориентированы одинаково и векторы их магнитных моментов и спинов направлены в сторону движения электронов вдоль провода (рис. 111, а) от южного полюса S (+) к северному N (-) концам провода, которые пока обозначаются знаками плюс (+) т минус (-). В этот момент напряженность магнитного поля вокруг провода максимальна.

Схема поворота векторов спинов и магнитных моментов электронов на и падение напряжения до нуля представлена на рис. 111, b. Вполне естественно, что в этом случае магнитное поле вокруг провода (рис. 109) отсутствует и напряжение равно нулю.

Когда векторы спинов и магнитных моментов электронов повернутся на от исходного положения, то знаки магнитной полярности на концах провода (по существующим представлениям знаки электрического потенциала) поменяются на противоположные и направление магнитного поля вокруг провода (рис. 109) также изменится на противоположное, а амплитуда напряжения V примет максимальное отрицательное значение (рис. 111, с)

Через следующие четверть периода направления векторов магнитных моментов и спинов окажутся перпендикулярными оси провода (рис. 111, d). Магнитное поле вокруг провода (рис. 109) в этот момент исчезает, а величина напряжения V будет равна нулю (рис. 111, d).

Векторы магнитных моментов и спинов свободных электронов займут исходную позицию (рис. 111, а) через следующие четверть периода (рис. 111, е). В этот момент направление магнитного поля вокруг провода окажется соответствующим исходному положению (рис. 111, а) и амплитуды напряжения и напряжённости магнитного поля вокруг провода (рис. 109) максимальны. Так ведут себя свободные электроны в проводах, формируя синусоидальные законы изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля вокруг провода.

Это даёт нам основание написать уравнения их изменения в таком виде:

(257)

(258)

. (259)

Вполне естественно предположить, что описанным процессом изменения ориентации электронов в проводах управляют магнитные полюса магнитов первичных источников питания, например, генераторов электростанций.

Главная особенность описанного процесса – синхронность синусоидального изменения напряжения U, тока I и напряженности H магнитного поля вокруг провода.

Дальше мы увидим, что при появлении в электрической цепи ёмкости и индуктивности синхронность изменения напряжения, тока и напряжённости магнитного поля нарушается.

Описанный процесс показывает, что при переменном напряжении количество электронов в рассматриваемом сечении провода не изменяется, а изменяется лишь их ориентация, которая изменяет направление магнитного поля вокруг провода, характеризуемого вектором (рис. 109).

Из описанного процесса поведения электронов в проводе с переменным напряжением обычной электрической сети следует, что свободные электроны меняют в ней своё направление с частотой сети, равной 50 Гц.

Если сравнивать поведение свободных электронов в проводе с постоянным напряжением (рис. 110), где электроны не меняют свою ориентацию, то потери энергии в проводе с переменным напряжением больше, чем с постоянным. Это хорошо известный факт.

В проводе с переменным напряжением (рис. 111) расходуется дополнительная энергия на изменения направлений векторов спинов и магнитных моментов электронов, на периодичность формирования магнитного поля вокруг провода. Далее, резкое изменение направления векторов спинов и магнитных моментов свободных электронов изменяет скорость их вращения относительно своих осей, что приводит к излучению фотонов. При этом надо иметь в виду, что меняющаяся полярность магнитного поля вокруг провода действует не только на свободные электроны, но и на валентные электроны атомов в молекулах и электроны атомов, не имеющие валентных связей. В результате они тоже могут излучать фотоны и увеличивать потери энергии.

Наиболее простой пример явного проявления явления потерь энергии – спираль электрической лампочки накаливания или спираль электрической плиты. Переменные магнитные поля вокруг нитей спирали значительно больше шага спирали. В результате они перекрывают друг друга и таким образом увеличивают интенсивность действия на связанные электроны атомов материала спирали и они, возбуждаясь, начинают излучать фотоны, накаливая спираль электрической печки или лампочки. При этом длина волны излучаемых фотонов (цвет спирали) зависит от приложенного напряжения и величины тока. Чем они больше, тем больше электронов проходит в единицу времени в каждом сечении провода спирали, которые увеличивают напряжённость магнитного поля, возникающего вокруг провода спирали, а это поле в свою очередь интенсивнее действует на связанные электроны молекул, заставляя их терять больше массы в одном акте излучения фотонов.

Известно, чем больше масса фотона, тем меньше длина его волны. Следовательно, процессом изменения длины волны излучаемых фотонов можно управлять, изменяя интенсивность воздействия магнитных полей на электроны. Эта, экспериментально разработанная процедура, достигла, можно сказать, предельного совершенства в современной электронике, но теоретики далеки от понимания тонкостей этого совершенства.