Разделы: Физика
Размещена 18.04.2022. Последняя правка: 17.04.2022.
Просмотров - 793

Что такое «сила тока» и что измеряет «амперметр»

Ильясов Фархад Назипович

канд. филос. н.

ИС Орион

аналитик

УДК 537.11

1. Введение

В физике давно утвердилось каноническое истолкование понятий «сила тока» и «амперметр». На первый взгляд эта интерпретация может казаться логичной и обоснованной. Однако, если посмотреть внимательнее, обнаруживается, что не все так однозначно и не всё эмпирически обоснованно. Нет, в частности, ответа на вопрос, который около 200 лет назад задавал Георг Ом: Почему показания магнитного электрометра (прообраза «амперметра») одинаковы во всех точках последовательной цепи?

«Сила тока», если рассуждать чисто эмпирически, – это некоторое свойство проводника с током, которое отклоняет магнитную стрелку (или от которого отклоняется магнитная стрелка). Однако какое именно это свойство, как ни удивительно, все еще остается не вполне проясненным.

Актуальность темы статьи обусловлена тем фактом, что один из фундаментальных вопросов современной физики пока не нашел своего исчерпывающего объяснения.

Цель статьи – проанализировать «парадокс амперметра», изложить гипотезы, объясняющего его.

Научная новизна заключается:

– В критическом анализе дуальной (дуалистической) и электронной теорий электричества.

– В рассмотрении «парадокса амперметра» с точки зрения унитарной теории электричества Бенджамина Франклина.

2. Эксперименты Ганса Эрстеда и Георга Ома

Ганс Эрстед (1820) экспериментально установил – магнитная стрелка отклоняется тем больше, чем больше «электрической субстанции» проходит по проволоке. Эта магнитная стрелка и является прообразом «амперметра» (гальванометра). Отклонение стрелки от проволоки Эрстед объяснял взаимным отталкиванием («конфликтом») «электрической субстанцией» в проволоке и «магнитными частицами» на магнитной стрелке. Вопреки распространенному мнению Эрстед не писал о том, что «проводник с током создает магнитное поле». Его публикация доступна в инете на русском языке [1]. Указанное открытие Эрстеда положило начало созданию электрических измерительных приборов и уже вскоре на базе этого была обнаружена зависимость, называемая «закон Ома».

Георг Ом (1826) в ходе своих экспериментов обнаружил то, что сейчас можно назвать «парадоксом амперметра». Стрелка магнитного электрометра Ома (прообраз «амперметра») отклонялась в одинаковой степени и до, и после нагрузки, см. рис 1.

Рисунок 1. Схема иллюстрирующая эксперименты Георга Ома. Стрелки магнитного электрометра отклоняются в равной степени до нагрузки и после нее, не отражая факта поглощения части электроэнергии нагрузкой

(стрелки находятся над проволокой)

Ом отметил странность этого явления, т.к. знал, что нагрузка (испытуемая проволока) поглощает часть электричества идущего по цепи (и превращает его в теплоту). Ом использовал величину «количество электричества». А электричество, поглощаемое нагрузкой, называл «потери». Если бы магнитная стрелка отклонялась в зависимости от количества электричества, протекающего в данной точке цепи, тогда бы после потерь некоторого количества электричества в нагрузке, поглотившей часть электричества, стрелка отклонялась бы меньше, чем до нагрузки. Однако этого не происходит. Ом стал исходить из того, что отклонение стрелки магнитного электрометра одинаково во всех точках (последовательной) цепи потому, что стрелка всегда отражает (измеряет) количество электричества, дошедшего до конца цепи [2; 3].

Истолкование Ома не было принято физиками, однако и альтернативного, эмпирические обоснованного, исчерпывающего объяснения «парадокса амперметра» нет.

3. Каноническая физика о «силе тока»

Ныне в канонической физике принято считать, что на отклонение стрелки влияет нечто, что назвали «сила тока». Парадоксально, но понятие «сила тока» до настоящего времени не получило исчерпывающего объяснения.

«Сила тока электрического – величина ...численно равная количеству заряда...» [4, c. 496]. Электрический заряд в СИ измеряется в кулонах.

«Кулон ...единица СИ количества электричества (электрического заряда)...» [5 c. 533]

Слово «сила» в последних двух определениях странным образом заменяется на слово «количество».

Что такое «электрический заряд» исчерпывающе не объяснено, например в Энциклопедическом физическом словаре (1995) «электрический заряд» определяется довольно туманно – как «источник ЭМ поля» [6, с. 864], а что заряд из себя представляет в физическом смысле, из чего конкретно он состоит, остается неясным. К этому следует добавить, что корректных, валидных доказательств того, проводник с током создает магнитное поле, как ни удивительно, – нет. Скорее всего происходит взаимное отталкивание электрической энергии в проводнике и магнитной энергии на постоянном магните, как об этом писал Ганс Эрстед [1],см., также: [7]

Интересно отметить:

– «электрический заряд» (количество электричества), измеряется в кулонах;

->кулон определяется через амперы (Кл=1А*1с);

–> ампер измеряется в ньтонах (A=2*10^-7N);

–> ньютон измеряется в кг, метрах и секундах (N=1 кг·м/с²).

В итоге не совсем понятно как килограммы, метры и секунды преобразуются в вольфрамовой спирали лампочки в излучения квантов световой и тепловой энергии.

При этом на вопрос: «что такое электрический ток?», при внимательном прочтении, обнаруживаются разные ответы.

4. Три теории электричества

В унитарной теории электричества Бенджамина Франклина [7; 8] электричество – это мельчайшие порции (кванты) электрической энергии. Соответственно, электрический ток – это движение квантов электрической энергии из того места, где электроэнергии больше, в то место, где энергии меньше, также как это происходит с квантами теплового излучения. Каждое тело содержит на (в) себе нормальное количество электричества, если электричества больше нормального, то тело является избыточно (положительно) заряженным (положительно электризованным), если меньше нормального – тело является дефицитно (отрицательно) заряженным (электризованным). Франклин ввел в теорию электричества понятия «положительно» (обозначается «плюс») и «отрицательно» (обозначается «минус») заряженного тела именно в указанном выше смысле. Позднее в дуальной теории это понимание исказили, приспособив под нужды этой теории.

В унитарной теории отталкиваются одинаково (избыточно или дефицитно) электризованные тела на которых одинаковое (удельное) количество электричества, а притягиваются тела, на которых разное (удельное) количество электричества [7; 8]. Кванты электрической энергии поглощаются спиралью лампочки, накапливаются там, преобразуются и излучаются в виде квантов световой и тепловой энергии.

В дуальной (дуалистической) теории – электрический ток есть движение положительных зарядов как таковых (от «плюса» к «минусу»). При этом отсутствует исчерпывающее объяснение – что такое «положительный заряд» и «отрицательный заряд», из чего они состоят, какова их физическая первооснова. Неясно, какова роль «отрицательных зарядов» в электрических процессах. К тому же нет прямых валидных доказательств существования «отрицательного заряда». То, что в дуальной теории истолковывается как признак «отрицательно заряженного тела», в унитарной теории электричества объясняется «дефицитом»электричества на этом теле, т.е. тело является дефицитно заряженным, или «отрицательно заряженным» – в изначальном смысле этого понятия [7; 8].

От дуальной теории электричества произошла электронная теория электричества – на основании оптической иллюзии, когда визуально кажется, что в разрядной трубке («трубке Крукса») поток энергии (в виде гипотетических «катодных лучей») движется от катода к аноду. В электронной теории ток – это движение «заряженных частиц» (электронов) или «носителей электрических зарядов» (ионов), которые, якобы, движутся, по не очень понятным причинам, от «минуса» к «плюсу». Однако нет прибора, эксперимента, которые бы прямо, непосредственно, обнаруживали, фиксировали электрон, именно как электрон. Эксперименты Дж. Дж. Томсона, Роберта Милликена, Чарльза Вильсона, и др., вопреки распространенным представлениям, дают только очень косвенные, гипотетические основания, но не дают однозначных доказательств.

В электронной теории, в описании эмпирических процессов, заряды сами по себе, самостоятельно, не перемещаются, а перемещаются только «прицепившись» к какому либо «телу». Правда, в спекулятивных построениях рассматривается перемещение отдельно взятого заряда. Электрический ток в электронной теории может пониматься как движение некоторого количества электричества (или электрического заряда) «в составе электрона или иона». Но что за субстанция «электричество» – исчерпывающе не объяснено.

5. Электрическая схема с «амперметром»

Электротехника – отрасль более прагматичная, основанная больше на эмпирических данных. Здесь используются понятия «передача электрической энергии», «счетчик электрической энергии», и т.п. Фактически, хотя это не декларируется, электротехника и практическая электроэнергетика, в значительной мере основываются на унитарной теории электричества. Ниже изложение анализа работы электрической схемы опирается на унитарную теорию электричества и термины электротехники.

Рассмотрим цепь, состоящую из источника тока и электрической лампочки. Источник тока – бытовая розетка. Из клеммы «фаза» (L) электроэнергия поступает в лампочку. Вольфрамовая спираль лампочки поглощает часть электроэнергии, преобразует ее, а затем излучает в виде квантов световой и тепловой энергию. Остатки электроэнергии выходят из лампочки и поступают в клемму «ноль или нейтральная» (N) розетки (см. рис. 2).

Рисунок 2. Электрическая схема с двумя «амперметрами»

 

«Амперметр», как известно, показывает одинаковые значения«количества электричества» в разрыве цепи и перед лампочкой, и после нее. Т.е. «амперметр» никак не отражает того факта, что часть электроэнергии поглощена лампочкой и израсходована на тепловое и световое излучение. Вместе с тем понятно, что количество электроэнергии, входящее в лампочку, больше количества электроэнергии, выходящего из нее. А «амперметр» этого не показывает. Из этого следует эмпирически обоснованный вывод: «амперметр» измеряет не «силу тока» («количество электричества»), а нечто иное. В электронной теории это могут объяснять тем, что электроны «просто проходят через нагрузку, сколько зашло, столько и вышло». В этом случае непонятно за счет каких затрат энергии горит лампочка.

Каноническая физика не предлагает никакого убедительного, эмпирически обоснованного объяснения «парадоксу амперметра», стремясь его по возможности замалчивать. Потому сохраняет актуальность гипотеза Георга Ома: магнитный электрометр («амперметр») во всех точках цепи измеряет количество электричества, доходящего до конца цепи.

Существует также вторая гипотеза: «амперметр» измеряет скорость протекания электроэнергии по цепи, а она одинакова во всех точках последовательной цепи [9].

6. Выводы:

На настоящий момент существуют две гипотезы, объясняющие, что на самом деле измеряет «амперметр», то есть гальванометр, включенный в цепь последовательно:

1) «Амперметр» во всех точках цепи измеряет количество электроэнергии, доходящее до конца цепи.

2) «Амперметр» измеряет скорость прохождения электроэнергии по цепи. Скорость прохождения электроэнергии во всех точках последовательной цепи одинакова. Потому показания амперметра во всех точках цепи одинаковы.

1. Эрстед Г.-Хр. Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку // Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.): М.: Высш. шк., 1989 С.307-312.
2. Ohm, Georg Simon. Versuch einer Theorie der durch galvanische Kräfte hervorgebrachten elektroskopischen Erscheinungen. In: J. C. Poggendorff (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Berlin, Band 82, 1826, S. 459–469.
3. Ohm, Georg Simon. Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. Berlin: Riemann., 1827
4. Физическая энциклопедия. Гл. ред. А. М. Прохоров. В 5-ти тт. Т. 4. М.: Большая российская энциклопедия., 1994.
5. Физическая энциклопедия. Гл. ред. А. М. Прохоров. В 5-ти тт. Т. 2. М.: Советская Энциклопедия., 1990.
6. Физический энциклопедический словарь. Под ред. А. М. Прохорова. М.: БСЭ., 1995.
7. Ильясов Ф. Н. Проводник с током не создает магнитного поля. М.: ИЦ Орион. 2021, август. Препринт.
8. Франклин В. Опыты и наблюдения над электричеством. М.: Изд-во АН СССР., 1956.
9. Ильясов Ф. Н. Кванты электрической энергии – о концепции электричества Бенджамина Франклина. М.: ИЦ Орион, ноябрь 2019, Препринт.
10. Ильясов Ф. Н. Что измеряет "амперметр" и "вольтметр". М.: ИЦ Орион. 2021, ноябрь. Препринт.

Рецензии:

18.04.2022, 20:57 Ашрапов Улугбек Товфикович
Рецензия: Автор работы "Вольтметр или амперметр на УАЗ" -[https://forum.uaz-club.org.ua/viewtopic.php?f=17&t=18321&start=15] пишет, что "С амперметром некоторый парадокс: если все потребители(фары, противотуманки, люстра, куллеры охлаждения и обогрева, музыка, подогрев зеркал, какие нить шняги в прикуривателе и т.д.) будут включены одновременно, то ток через амперметр скорее всего существенно превысит номинал, вследствии выход из строя амперметра".Автор данной статьи пишет - "Цель статьи – проанализировать «парадокс амперметра», изложить гипотезы, объясняющего его". Каким образом автор данной статьи может объяснить вышеуказанный парадокс c амперметром?



Комментарии пользователей:

26.04.2022, 23:28 Цорин Борис Иосифович Отзыв: В целом же статью можно смело удалять. Как было сказано в предыдущем комментарии, она перенасыщена ляпами, после вычистки которых останется разве что "вывод", который не несет в себе научной новизны с 19 века и доступен в школьных учебниках в куда более корректной формулировке, чем в этой статье. Да, амперметр изменяет "скорость прохождения электроэнергии", точнее - количество переносимого за единицу времени заряда. Да, эта "скорость" во всех точках последовательной цепи одинакова. Нет, это не гипотеза, а давно известный факт.

29.04.2022, 16:04 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: Борис Иосифович, обратите внимание: 1) вы пишите: «...амперметр изменяет "СКОРОСТЬ прохождения электроэнергии", точнее - КОЛИЧЕСТВО переносимого за единицу времени ЗАРЯДА.» (вероятно здесь опечатка, вместо слова «изменяет» вы хотели написать слово «измеряет», но может я ошибаюсь.) Однако «скорость» и «количество заряда» разные величины, для их измерения используются разные единицы измерения. Поясню на формулах: (а) Величина – Сила тока (количество электричества): I=dQ/dt; или в единицах измерения: А=Кл/сек. (б) Величина – Скорость: v=ds/dt; или в единицах измерения: v=метр/сек. Где: Q – «количество заряда». t – время. s - расстояние. А – ампер Кл – кулон В первой формуле (а) в числителе находится величина «количество заряда», а во второй формуле (б) в числителе – величина «длина». Единицей измерения величины «количества электричества» («сила тока») является кулон (в статье есть разъяснение), а единицей измерения величины длины является метр. Ваше представление о том, что «скорость» и «количество заряда» – это одинаковые физические величины, а кулон и метр идентичные единицы измерения, является ошибочным. Скорость показывает, какое расстояние преодолел объект за определенную длительность (время), потому измеряется в «метрах в секунду». А «сила тока» показывает, какое количество «заряда» dQ прошло через определенную поверхность dS (сечение проводника) в единицу длительности (времени) dt. Скорость же движения отдельной порции (кванта) электроэнергии могла бы измеряться по формуле (б), приведенной выше: v электро-кванта=dS/dt; – т. е. скорость показывает – какое расстояние преодолевает электро-квант в единицу времени. Если проводить какие-то аналогии, то можно, с оговорками, сказать, что формула (а) «силы тока» идентична формуле мощности: P=dE/dt; где dE – количество энергии. Если признать, что электричество – это вид энергии, тогда термин «количество электричества» идентичен термину «количество электроэнергии», а расход определенного количества энергии в единицу времени, это и есть мощность. Подробнее можно посмотреть в статье: Ильясов Ф. Н. Мощность потока электроэнергии в унитарной концепции электричества. М.: ИЦ Орион. 2021, октябрь. Препринт. http://www.iliassov.info/2020/electric-power.html 2) вы пишите: «..."вывод" ...с 19 века и доступен в школьных учебниках в куда более корректной формулировке, чем в этой статье. Да, амперметр изменяет "скорость прохождения электроэнергии"...». Думается это вы просто так сказали. Скорее всего, ни в каком учебнике физики не написано, что «амперметр изменяет "скорость прохождения электроэнергии"». Пока нет прибора, метода, которые измеряли бы прямо, непосредственно скорость тока, именно как скорость тока. Если на самом деле вы где-то это прочитали, то буду признателен за ссылку на научное издание или хотя бы на учебник физики. 3) В статье еще приводится гипотеза Георга Ома, вы наверно этого не поняли (или проигнорировали, вероятно Ом для вас не авторитет). Если на самом деле вы где-то прочитали о гипотезе Ома «амперметр» измеряет количество электричества, доходящего до конца цепи» – то буду признателен за ссылку на научное издание или хотя бы на учебник физики.

29.04.2022, 20:28 Цорин Борис Иосифович Отзыв: Во-первых, да, опечатка, "измеряет", конечно. Во-вторых, я писал два отзыва, длинный и затем короткий. Длинный почему-то не пропустила модерация, хотя там ничего такого не было. В нем объяснялась суть нескольких Ваших наиболее крупных ляпов. В-третьих, Ваше ерничество на тему "количество заряда и скорость - разные вещи" неуместно. Скорость - это не только ds/dt, скоростью (в широком смысле слова) называют любое отношение изменяемой в некоем процессе величины ко времени. Скорость передачи информации, скорость роста населения, скорость перетекания заряда... В-четвертых, знакомиться с другими Вашими статьями я не буду, не уговаривайте, мне достаточно одной этой, чтоб понять, что Ваши статьи на тему электричества не несут ценности. В-пятых, естественно, ни в одном учебнике физики не написано, что "амперметр измеряет скорость прохождения электроэнергии", это Ваша кривая формулировка была мной процитирована. Более корректную формулировку я дал. В-шестых, гипотеза Ома в формулировке первой половины 19 века не представляет интереса, кроме исторического, так как со времен Ома наука продвинулась далеко вперед.

30.04.2022, 16:58 Ильясов Фархад Назипович Отзыв: 1) Борис Иосифович, жаль, что вам нечего сказать по сути. 2) Вы никак не можете понять соотношения величин скорости и мощности, потому не можете понять разницы между скоростью и количеством заряда. Здесь дано разъяснение: «Скорость в наиболее употребительном, частном, смысле – это интенсивность изменения расстояния от одного наблюдаемого объекта до других, одного или нескольких, наблюдаемых объектов. Измеряется в метрах в секунду. Общее определение скорости – это интенсивность уменьшения или увеличения величины во времени. Скорость в этом случае может быть описана формулой: v=dn/dt, где n – любая изменяющаяся величина. Если изменяемая величина измеряется в единицах энергии (или работы), то формула скорости становится тождественной формуле мощности: P=dE/dt.» [Ильясов Ф. Н. Словарь по физике] 3) Со времен Ома, в отношении открытой им закономерности наука никак не «продвинулась далеко вперед». Если вам это кто-то рассказал – не верьте. Попробуйте сами открыть учебник физики – там к своему удивлению вы обнаружите - «продвижение далеко вперед» в отношении открытой Омом закономерности не произошло. Конечно, может это вы «продвинулась далеко вперед со времен Ома» – тогда, не стесняйтесь, расскажите миру.

3.05.2022, 13:45 Цорин Борис Иосифович Отзыв: 1) "По сути" - это Вы просите меня повторить один раз не пропущенный модерацией отзыв? 2) "Разъяснение" - когда неуч ссылается сам на себя в качестве аргументации, выглядит само по себе смешно. Хотя в текущей приведенной Вами самоцитате ошибок нет, мощность - это действительно скорость передачи энергии. Но то, что Вы до этого высказали про "не можете понять разницы", мне очень напомнило некоторых других заядлых авторов этого сайта, увы. Как здесь принято у некоторых, Вы сами запутались, сами обвинили в этом меня, сами меня подтвердили. Скорость и количество заряда - разные вещи. Скорость и количество заряда за единицу времени - уже не настолько уж и разные вещи. 3) Наука продвинулась вперед не в отношении открытой Омом закономерности, а в отношении понимания ее причин, и как одно из следствий этого, корректности формулировок.

12.08.2023, 16:33 Kuzminov Igor Vladimirovich Отзыв: Господа, не надо спорить. Для понимания, гидравлика - аналог электрики. Аналогом силы тока в гидралике является G расход воды. Потеря энергии в электрике потеря напряжения, в гидравлике потеря напора. Амперметр показывает все правильно, показывает расход воды.

Оставить комментарий