Аккумулирование электричества 30 страница

⇐ ПредыдущаяСтр 30 из 41Следующая ⇒

При рассмотрении электростатических феноменов преобладает путаница между количеством (s) и зарядом (t/s). В большинстве случаев это не происходит в результате любых числовых ошибок, потому что вычисления имеют дело лишь с электронами, каждый из которых составляет единицу количества электричества и способен принимать одну единицу заряда. Поэтому определение числа электронов как числа единиц заряда вместо числа единиц количества не меняет числовой результат. Однако такая подмена играет роль камня преткновения на пути понимания, что происходит на самом деле, и многие отношения, установленные в учебниках, неверны.

Например, учебники говорят, что E = Q/s². Е, напряженность электрического поля, - это сила на единицу расстояния и обладает пространственно-временными размерностями t/s² x 1/s = t/s³. Пространственно-временные размерности Q/s² - это
t/s x 1/s² = t/s³. Следовательно, с точки зрения размерности уравнение корректно. Оно говорит то, чего и следовало ожидать, - величина поля определяется величиной заряда. С другой стороны, тот же учебник предлагает уравнение, выражающее силу, оказываемую на заряд со стороны поля, в виде F = QE. Пространственно-временные размерности этого уравнения - t/s² = t/s x t/s³. Такое уравнение неверно. Чтобы прийти к балансированию размерностей, величина, обозначенная Q в этом уравнении, должна обладать размерностями пространства, тогда в пространственно-временной форме уравнение обретает вид t/s² = s x t/s³. Тогда термин Q – это на самом деле q (количество), а не Q (заряд), а отношение представляет собой F = qE.

Ошибка, возникающая за счет использования Q вместо q, входит во многие соотношения, связанные с емкостью, и внесла значимую путаницу в теорию этих процессов. Поскольку мы определили аккумулированную энергию или заряд конденсатора как размерно эквивалентный заряду Q, уравнение емкости в привычной форме Q = CV сводится к уравнению t/s = s x t/s², согласованному размерно. Традиционная форма уравнения энергии (или работы, символ W) W = QV отражает определение вольта как один джоуль на кулон. В данном уравнении, если CV заменяется на Q, что представляется оправданным отношением Q = CV, результат будет W = CV². Это уравнение размерно не правомочно, но его и его производные можно найти в научной литературе. Например, развитие теории в этой сфере в одном из учебников46 начинается с уравнения dW = VdQ для потенциальной энергии заряда, но посредством ряда подстановок предположительно эквивалентных величин превращается в выражение энергии в терминах Е, интенсивности электрического поля, и As, объема, занимаемого электрическим полем. Первая колонка нижеприведенной таблицы демонстрирует выражения, которые приравниваются к энергии в последовательных шагах развития. Как указывается во второй колонке, размерная ошибка в первом уравнении проходит через всю последовательность, и пространственно-временные размерности выражений остаются t²/s³ вместо правильной размерности s/t.

В учебнике			Правильно
	QV	t/s x t/s² = t²/s³		qV	s x t/s² = t/s
	Q/CdQ	t/s x 1/s x t/s = t²/s³		Q/C dq	t/s x 1/s x s = t/s
	CV²	s x t²/s⁴ = t²/s³		qV	s x t/s² = t/s
	E² As	t²/s⁶ x s² x s = t²/s³		E(q/s²) As	t/s³ x s/s² x s² x s = t/s

Ошибка в сериях выражений возникла с самого начала теоретического развития из-за неверного определения напряжения. Как указывалось раньше, вольт определяется как один джоуль на кулон. Но в современной практике, из-за путаницы между зарядом и количеством, допустили, что кулон, входящий в данное определение, - это кулон заряда, символ Q. На самом деле, как видно из предварительного обсуждения, кулон, входящий в уравнение энергии, это кулон количества, который мы обозначили символом q. Тогда уравнение энергии будет не W = QV, а W = qV.

Правильные термины и размерности, соответствующие терминам и размерностям первых двух колонок таблицы, приведены в колонках 3 и 4. Здесь термин Q в двух первых выражениях и термин CV, заменивший Q в последних двух выражениях, заменяются правильным термином q. Как указано в таблице, это приводит все четыре выражения к согласованности с правильными пространственно-временными размерностями t/s энергии. Во всех выражениях таблицы опущены чисто числовые термины, поскольку они не влияют на ситуацию с размерностью.

Когда при существующем напряжении достигается полная емкость конденсатора, противоположные силы приходят к равновесию, и течение электронов в конденсатор прекращается. Теоретикам было трудно объяснить, что происходит, когда конденсатор заполняется или разряжается. Максвелл считал концепцию “тока смещения” существенной для завершения математической обработки магнетизма, но он не относился к нему как к реальному току. Он говорит: “Смещение не равнозначно току, а является началом тока”. Он описывает смещение как “вид эластичной податливости действию силы”.47 Современные теоретики находят это объяснение неприемлемым, поскольку отказались от эфира, который был в моде во времена Максвелла, и, следовательно, нет ничего, что могло бы “поддаваться”, если пластины конденсатора разделены вакуумом. Нынешняя тенденция рассматривает смещение как некий вид модификации электромагнитного поля, но природа гипотетической модификации неясна, чего и следовало ожидать в свете отсутствия любого ясного понимания природы самого поля. Один из учебников говорит об этом так: “Смещение тока – это самая абстрактная концепция, упомянутая в этой книге”.48 Другой автор констатирует:

“Если определять ток как перенос заряда, термин смещение тока, бесспорно, неверен, если относится к вакууму, где не существует зарядов. Однако если ток определяется в терминах магнитных полей, которые он создает, выражение правомочно”.49

Проблема возникает из следующего факта. Хотя физические наблюдения и математический анализ указывают на то, что ток течет в пространство между пластинами конденсатора, если это пространство является вакуумом и если оно заполнено диэлектриком; но поток тока невозможен, если сущности, движение которых составляет ток, являются заряженными электронами, как это допускается сейчас. Как говорилось в вышеприведенной цитате, в вакууме нет зарядов. Такой ныне превалирующий тупик между теорией и наблюдением является еще одним свидетельством, указывающим на то, что электрический ток не является движением заряженных частиц.

Наш анализ показывает следующее. На самом деле электроны втекают в пространственный эквивалент интервала времени между пластинами конденсатора. Эти электроны не заряжены и не наблюдаются в том, что называется вакуумом. Помимо того, что он является лишь переносчиком, ток смещения эквивалентен любому другому электрическому току.

Дополнительные единицы пространства (электроны), вытолкнутые во временной (эквивалентный пространству) интервал между пластинами, увеличивают общее пространство. Это можно продемонстрировать экспериментально, если поместить между пластинами диэлектрическую жидкость, поскольку увеличение количества пространства уменьшает внутреннее давление (силу на единицу площади) за счет веса жидкости. С этой целью мы можем рассмотреть систему, в которой две параллельные пластины частично погружены в контейнер с маслом, и собранную так, что три части, на которые контейнер делится пластинами, открыты друг другу лишь на дне контейнера. Если мы подсоединим пластины к батарее с действующим напряжением, в секции между пластинами уровень жидкости поднимается. Из предшествующего объяснения, очевидно, что разность потенциалов уменьшила давление в масле. Причем уровень масла поднимается до той отметки, где вес масла над свободной поверхностью уравновешивается отрицательным приращением за счет разности потенциалов.

Вследствие того, что принятая теория требует, чтобы “ток смещения” вел себя как электрический ток, не будучи таковым, традиционная наука испытывала трудности в допущении, что такое смещение на самом деле. Это существенный элемент формулировок Максвелла, но нынешние авторы считают его ненужным. “Всю физику диэлектриков можно обсуждать без привнесения вектора смещения”50, - говорит Артур Кип. Один из главных факторов, усугубляющих неясность, связанную со статусом, таков: Смещение привычно определяется и рассматривается в электростатических терминах, хотя на самом деле, представляет собой проявление текущего электричества. В уравнении Максвелла для тока смещения плотность тока I/s² и производная времени смещения dD/dt являются аддитивными, и, следовательно, терминами эквивалентной природы; то есть, имеют одинаковые размерности. Пространственно-временные размерности плотности тока - s/t x 1/s² = 1/st. Размерности D, смещения, - 1/st x t = 1/s. Тогда место смещения в картине емкости очевидно. В процессе аккумулирования единицы пространства (незаряженные электроны) выталкиваются в окружающее эквивалентное пространство, то есть, в пространственный эквивалент времени (t = 1/s)., И это обратное пространство 1/s становится одной из значимых величин, с которыми нам приходится иметь дело.

В привычном электростатическом подходе к смещению оно определяется как D = ₀E, где Е – это напряженность поля (электростатическая концепция), а ₀ – диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Поскольку размерностями Е являются t/s³, и сейчас мы нашли, что размерности D – это 1/s, пространственно-временные размерности диэлектрической проницаемости составляют 1/s x s³/t = s²/t. Однако в нынешней практике диэлектрическая проницаемость выражается в фарадах на метр. Это делает ее не обладающей размерностями, поскольку и фарад, и метр являются единицами пространства. Таким образом, мы сталкиваемся с конфликтом между размерным определением диэлектрической проницаемости, выраженным в традиционной единице, и определением, выведенным из отношений Максвелла, определением, согласующимся с размерностями смещения. Отношение между этими двумя в пространственно-временных терминах s²/t показывает, где возникает разница, поскольку это отношение единицы электрического тока s к электростатической единице t/s. Фарад на метр – это электростатическая единица, в то время как размерности для диэлектрической проницаемости s²/t относят это количество к системе электрического тока.

Диэлектрическая проницаемость важна лишь в связи с непроводящими веществами или диэлектриками. Если между пластинами конденсатора поместить такое вещество, емкость возрастает. Вращательные движения всех непроводников содержат движение с пространственным смещением. Именно присутствие пространственных компонентов блокирует поступательное движение незаряженных электронов во временном компоненте атомной структуры и делает вещество-диэлектрик непроводником. Тем не менее, как и вся другая обычная материя, диэлектрики – это в основном временные структуры; то есть, их итоговое общее смещение происходит во времени. Это время прибавляется к времени системы отсчета и увеличивает емкость.

Из объяснения происхождения увеличения, очевидно, что величина приращения будет меняться вследствие разницы физической природы диэлектриков, потому что разные вещества содержат разные величины приращения скорости во времени, организованные в разные геометрические паттерны. Отношение емкости данного диэлектрического вещества между пластинами к емкости в вакууме называется относительной диэлектрической проницаемостью или диэлектрической константой вещества.

Диэлектрические константы большинства обычных диэлектрических веществ (диэлектриков класса А, как они называются) демонстрируют небольшое изменение при низких частотах при обычных условиях.51 Это указывает на то, что диэлектрическая проницаемость – это неотъемлемое свойство вещества, следствие его состава и структуры, а не связи с окружающей средой. Это согласуется с теоретическим объяснением, приведенным выше.

Традиционные теории диэлектрических феноменов основываются на допущении, что эти феномены обладают электростатической природой. Однако следует понять, что теории, зависящие от существования электрических зарядов в электрически нейтральных материалах, не могут быть ни чем иным кроме гипотез. Более того, традиционная наука не имеет исчерпывающей электростатической теории диэлектриков. Как говорил У. Дж. Даффин:

“Важно осознать, что вычисления полей и сил, возникающих за счет распределения заряда, выполняются на модели, и результаты сравниваются с экспериментом. Для рассмотрения разных наборов экспериментальных результатов, требуются разные модели”.52

В модели, относящейся к проблеме емкости, допускается, что: (1) положительные* и отрицательные* заряды существуют в нейтральном диэлектрике; (2) ”маленькие движения зарядов происходят в противоположных направлениях”; (3) эти движения создают “поляризацию, которая, как мы верим, имеет место”.53 Как указывается в утверждении Даффина, нет прямого свидетельства поляризации, которая играет главную роль в теории. Вся “модель” гипотетична.

Прояснение размерностей количества, известного как диэлектрическая проницаемость, убирает статические заряды из математики процесса аккумулирования электричества и выбивает почву из-под ног всех электростатических моделей. Привычная математическая обработка выполняется в терминах четырех величин: смещения D, поляризации Р, напряженности электрического поля Е и диэлектрической проницаемости ₀E. Как сообщают исследователи, величины связаны уравнением P = D – ₀E. Раньше в этой главе, мы уже видели, что пространственно-временные размерности D – это 1/s, а пространственно-временные размерности ₀E_-s²/t. Тогда размерности величины ₀E будут s²/t x t/s³= 1/s. Из этого следует, что размерности Р тоже 1/s.

Таким образом, мы находим, что все величины, входящие в диэлектрические процессы, являются величинами, связанными с электрическим током: количеством электричества s, емкостью s, смещением 1/s, поляризацией 1/s и величиной ₀E, которая тоже обладает размерностями 1/s. В математическом подходе нет места никакой величине с размерностями заряда t/s. Язык – это язык электростатики, пользующийся такими терминами как “поляризация”, “смещение” и так далее. Поэтому предпринималась попытка введения электростатических величин с помощью напряженности электрического поля Е. Но для этого понадобилось связать Е с диэлектрической проницаемостью ₀ и использовать ее в форме ₀E, что, как указывалось, уничтожает электростатическую размерность Е. Следовательно, электрические заряды не играют никакой роли в математической обработке.

Аналогичная попытка предпринималась и для того, чтобы ввести напряженность электрического поля Е в отношения, включающие плотность тока. И вновь, электростатическая величина Е оказалась ни к месту, и математически была удалена соединением с величиной, которая превращает ее в нечто, имеющее значение в феноменах электрического тока. Используемая для этой цели величина – электропроводность, символ s, пространственно-временные размерности s²/t². Комбинация sE обладает размерностями s²/t² x t/s³ = 1/st. Это размерности плотности тока. Подобно ранее обсужденному выражению ₀E, выражение E обладает физическим значением только в целом. То есть, оно не отличается от плотности тока. Традиционная модель вносит в теоретическую картину напряженность поля, но здесь, вновь, ее необходимо удалять математическим приемом прежде, чем теория может быть применена к практике.

В тех случаях, когда напряженность электрического поля применялась к феноменам электрического тока без введения компенсирующей величины, такой как s или ₀, развитие теории приводит к неправильным ответам. Например, при обсуждении “теоретической основы закона Ома” Блини и Блини говорят, что “когда напряженность электрического поля Е действует на свободную частицу с зарядом q, частица ускоряется под действием силы”. И это “приводит к увеличению тока со скоростью dJ/dt = n (q²/m) E54, где n – число частиц на единицу объема. Пространственно-временные размерности этого уравнения – 1/st x 1/t = 1/s³ x s² x s³/t³ x t/s³. То есть, уравнение размерно сбалансировано. Но физически оно не верно. Как признают авторы, уравнение “явно противоречит экспериментальному наблюдению”. Они приходят к выводу, что должны быть “другие силы, мешающие току возрастать бесконечно”.

Тот факт, что ключевой элемент ортодоксальной теории электрического тока (гипотеза, что он возникает как движение электронов) “явно противоречит” наблюдаемым фактам, наносит решающий удар по теории, и не все ее последователи согласны просто игнорировать это противоречие. Одна из попыток найти способ разрешения дилеммы и найти объяснение такова:

“Когда прикладывается постоянное электрическое поле Е, каждый электрон ускоряется во время свободного пути силой E, но при каждом столкновении он теряет дополнительную энергию. Следовательно, движение электронов по проводу – это процесс диффузии, и мы можем связывать дрейф скорости v с этим движением”.55

Но столкновения не вносят ускоренное движение в постоянный поток. Если столкновения эластичные, а такими и являются столкновения электронов, ускорение в направлении разности потенциалов просто передается другим электронам. Если бы сила Eq реально существовала, как считает современная электрическая теория, это приводило бы к ускорению среднего электрона. Авторы цитаты 54 очевидно осознают этот факт, но настаивают на превалирующем убеждении, что нечто будет вмешиваться, чтобы спасти теорию “движущегося заряда” электрического тока от множества проблем. “Должны быть другие силы”, которые позаботятся о расхождении. Никто не хочет смотреть в лицо тому, что прямое противоречие такого вида делает теорию несостоятельной.

Дата добавления: 2018-09-20; просмотров: 311; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 25 26 27 28 293031 32 33 34 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!