Пожалуй, главное заблуждение об электричестве [Veritasium]

Представьте себе огромную электрическую цепь. Источник питания, ключ, лампочка. Их соединяют два провода, каждый длиной 300 тысяч километров. Это расстояние примерно полпути до Луны и затем обратно. Свет проходит за одну секунду. Провода соединяют батарею с лампочкой, которая находится всего в метре от нее. Вопрос, если замкнуть цепь, через сколько загорится лампочка? Полсекунды? Одна секунда? Две секунды? Один делить на С 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 говорить «О, ну я так и знал». 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. Американские 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 так же дергает их туда-сюда, но они теряют часть энергии в виде тепла из-за сопротивления нагревательного элемента, и мы можем поджарить себе на завтрак хлеб. Мне нравится такое объяснение. Визуализация наглядная, и вроде бы те, кому я это объяснял, все понимали. Но есть одно «но». 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 и 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 все это неправда. Что же тогда правда? В 1860-х и 70-х мы совершили прорыв в понимании устройства Вселенной. Шотландский физик Джеймс Максвелл обнаружил, что свет — это на самом деле колебания электрического и магнитного полей. Колебания эти направлены перпендикулярно друг к другу и находятся в фазе, то есть пик одного поля совпадает с пиком другого. Максвелл сформулировал уравнение, описывающее поведение электрического и магнитного полей, иначе говоря, волн, и сегодня эти уравнения носят его имя. В 1883-м один из бывших учеников Максвелла Джон Генри Пойнтинг 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 восьми минут, за которые свет доходит до Земли, энергия сохраняется и переносится электромагнитным полем излучения. Пойнтинг вывел уравнение, описывающее поток энергии. Количество электромагнитной энергии, проходящей через определенную площадь за единицу времени. Это так называемый вектор Пойнтинга, он обозначается английской S. Формула довольно простая. Один разделить на μ-нулевое, это проницаемость вакуума, и умножить на векторное произведение Яна Б. 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 передаётся перпендикулярно как магнитному, так и электрическому полю, и в том же направлении, к которым движется свет. Что, в принципе, логично. Свет переносит энергию от источника к, так сказать, пункту назначения. Но вот что важно. Уравнение поинтинга 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 собственное электрическое поле, но так как движения зарядов нет, магнитного поля не возникает, и батарея не теряет энергию. Когда батарейку включают в цепь, её электрическое поле распространяется по этой цепи со скоростью света. Поле толкает электроны таким образом, что большая их 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 определённом направлении. Это называется дрейв, и его скорость крайне мала, около одной десятой миллиметра в секунду. Тем не менее, это ток. Принято считать, что ток идёт в обратную сторону от движения электронов, но вызывает его именно это движение. Заряды на поверхности проводников также создают электрическое поле снаружи, а ток внутри провода добавляет к нему ещё и магнитное поле. Теперь у нас есть сочетание электрического и магнитного полей в пространстве вокруг цепи. Согласно теории поинтинга, должен возникнуть поток энергии, а направление легко определяется по правилу правой руки. Возьмём пространство вокруг батареи. Электрическое поле направлено вниз, а магнитное — как бы в экран. Получается, что поток энергии направлен вправо, от батарейки. Если точнее, энергия направлена радиально от источника питания. Выходит со всех сторон и попадает в окружающие её поля. С проводами то же самое. По правилу правой руки энергия течёт вправо. Притом как по верхнему, так и по нижнему проводу. На нити накаливания вектор поинтинга 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 идёт разными путями, но в любом случае переносит её именно магнитные и электрические поля. Обычно думают, что электроны перекачиваются из одного места в другое, ну или что-то вроде того, и это абсолютно неверно. Большинству 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 поинтинга однозначно указывает, что поток энергии направлен в одну сторону, от батарейки к лампочке. А ещё видно, что энергию переносит именно поле, а не электроны. 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 полпериода? Тогда магнитные и электрические поля будут переворачиваться одновременно, так что в любой момент времени вектор поинтинга будет указывать в одну и ту же сторону, от источника к лампочке. Для переменного тока нам подойдут те же расчёты, что помогли нам разобраться с постоянным. Вот так энергия, производимая на электростанциях, попадает к нам в дом. Внутри проводов электроны двигаются туда-сюда. В визуализации это движение усилено. Но энергию переносят не они. От станции к нашим домам продвигаются колебания электрического и магнитного полей в пространстве вокруг этих проводов, в том направлении, куда показывает вектор поинтинга движется поток энергии. Может показаться, что это просто вопрос перспективы, и в целом нет разницы, передаётся энергия через поле или по проводам, но на самом деле она есть. Мы выяснили это на собственном опыте, когда начали прокладывать подводные телеграфные кабели. Первый трансатлантический кабель проложили в 1858. Он проработал буквально месяц и довольно плохо. Из-за искажений при прохождении сигнала? Искажения — это ещё мягко сказано. Скорость передачи была пара слов в минуту. Оказалось, что, проходя столь длинный путь по дну океана, сигнал искажается и удлиняется. Точки и тире становятся практически неотличимы. Учёные долго спорили о том, что стало причиной такой неудачи. Уильям Томпсон, он же Лорд Кельвин, считал, что сигнал проходит по кабелю, словно вода по шлангу. Но другие, например, Оливер Хевисайд и Джордж Фиджеральд, настаивали, что информацию и энергию несут именно поля вокруг провода. Оказалось, что они были правы. Чтобы кабель был прочнее, центральный медный проводник оборачивали изолятором, а сверху добавили оплётку из железа. По идее, она должна была укрепить кабель, но железо, отличный проводник, изрядно увеличило электрическую ёмкость кабеля, что привело к искажению сигнала. Сегодня провода стараются закреплять повыше. Достаточно влажная почва сама является проводником, из-за чего между проводом и землёй необходимо хорошая изолирующая прослойка из воздуха. Так каков же ответ на задачку про гигантскую электрическую цепь? Стоит мне её замкнуть, лампочка загорится практически моментально. Примерно через 1 делить на c секунды. Правильный ответ — D. Предположу, что многие рассуждали так. Электрическому полю необходимо пройти весь путь от батареи к лампочке по проводу длиной в одну световую секунду, так что она зажжётся 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. Электрическое и магнитное поля проходят расстояние в 1 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. Всё зависит от комплексного сопротивления проводов и самой лампы. Я обсуждал 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 всё придумал, думаю, будет смысл немного потратиться и сконструировать что-то подобное, скажем, пустыней. Мне кажется, тебе не поверят. Согласен, боюсь, не поверят. 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 идёт не по проводам, а через электромагнитное поле вокруг них. Переведено и озвучено студией Верд Дайдер