Синусоидальное напряжение

Когда векторы спинов и магнитных моментов электронов повернутся на от исходного положения (рис. 12, а), то полюса магнитной полярности на концах провода и направление магнитного поля вокруг провода (рис. 12, а, b) поменяются на противоположные, а амплитуда напряжения U примет максимальное отрицательное значение (рис. 12, с).

Через следующие четверть периода направления векторов магнитных моментов и спинов электронов окажутся перпендикулярными оси провода (рис. 12, d). Магнитное поле вокруг провода (рис. 12) в этот момент исчезает, а величина напряжения U будет равна нулю (рис. 12, d).

Рис. 12. Схемы изменения ориентации электронов в проводах, формирующие

синусоидальное напряжение

Векторы магнитных моментов и спинов свободных электронов займут исходную позицию (рис. 12, а) через следующие четверть периода (рис. 12, е). В этот момент направление магнитного поля вокруг провода окажется соответствующим исходному положению (рис. 12, а) и амплитуды напряжения и напряжённости магнитного поля вокруг провода (рис. 12, а) максимальны. Так ведут себя свободные электроны в проводах, формируя синусоидальные законы изменения напряжения U, тока I и напряжённости H магнитного поля вокруг провода (рис. 11) [2].

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

(9)

(10)

. (11)

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. Описанный процесс показывает, что при переменном напряжении количество электронов в рассматриваемом сечении провода не изменяется, а изменяется лишь их направление, которое изменяет направление магнитного поля вокруг провода, характеризуемого вектором (рис. 8).

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. 10), где электроны не меняют свою ориентацию, то потери энергии в проводе с постоянным напряжением меньше, чем с переменным. Это хорошо известный факт.

В проводе с переменным напряжением (рис. 12) 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 [2].

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 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 электроны, 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 физических тонкостей этого совершенства.

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

6. Энергия и мощность постоянного и переменного токов

Источники постоянного напряжения и тока родились первые. Источники переменного напряжения и переменного тока появились позже, и возникла проблема сравнения их электрической энергии и электрической мощности. К тому времени уже были вольтметры, которые измеряли величину постоянного напряжения и амперметры, которые измеряли величину постоянного тока. Вольтметры включались в электрическую сеть параллельно, а амперметры последовательно (рис. 13), но физическая суть электрических величин, названных Вольтами и Амперами, до сих пор остаётся в тумане.

Вольтметр фиксирует величину постоянного напряжения . Напряжение, поданное потребителю, формирует ток . Его величину измеряет амперметр . Если напряжение и ток непрерывны, то на клеммах потребителя фиксируется величина электрической энергии , равная произведению напряжения на величину тока и на время

. (12)

Чтобы иметь представление о величине энергии, генерируемой в одну секунду, введено понятие мощность. Она определяется по формуле [2]

. (13)

Рис. 13. Схема включения вольтметра V и амперметра А в электрическую цепь

Появление переменного тока значительно усложнило процесс измерения электрической энергии и мощности. Так как переменное напряжение и переменный ток изменяются синусоидально, то для определения средней мощности надо интегрировать функции изменения напряжения и тока в интервале периода их изменения и формула для расчёта средней мощности становится такой