МЕТА-ФИЗИКА - оглавление 

Скачать PDF

Ильясов Ф. Н. Что измеряет "амперметр". М.: ИЦ Орион. 2021, июль. Препринт.

Фархад Назипович Ильясов. Исследовательский центр Орион. E-mail: [email protected]

Iliassov F.N. What the "ammeter" measures. Moscow: IC Orion. 2021. July. Preprint.

Farkhad Nazipovich Iliassov. Orion Research Center. E-mail: [email protected]  

Аннотация
В статье рассматривается феномен, обнаруженный в 1827 году Георгом Омом, – стрелка магнитного электрометра ("амперметра"), по ходу протекания тока, отклоняется в одинаковой степени до и после элемента цепи, поглощающего электроэнергию. Из этого факта следует, что величина отклонения стрелки электрометра отражает не величину мощности потока электроэнергии, идущей по цепи. Из контекста изложений Георга Омы следует, что он истолковывал показания его магнитного электрометра как отражающего величину мощности потока электроэнергии в конце цепи. Анализ обсуждаемого феномена позволяет сделать вывод о правоте понимания Георга Ома.

Ключевые слова: амперметр; сила тока, количество электричества; мощность потока электроэнергии
                                   

Abstract
The article examines a phenomenon discovered in 1827 by Georg Ohm - the needle of a magnetic electrometer ("ammeter"), in the course of current flow, deviates equally before and after a circuit element that absorbs electricity. From this fact, it follows that the magnitude of the deviation of the electrometer needle does not reflect the magnitude of the power of the flow of electricity passing through the circuit. From the context of Georg Ohma's statements, it follows that he interpreted the readings of his magnetic electrometer as reflecting the amount of power flow of electricity at the end of the circuit. The analysis of the discussed phenomenon allows us to conclude that Georg Ohm's understanding is correct.

Key words: ammeter; current strength, amount of electricity; power flow

1. Введение

Как представляется, в канонической физике не удается выработать исчерпывающего объяснения, почему показания «амперметра» во всех точках последовательной цепи одинаковы. Количества электричества проходящего в цепи до нагрузки и после нагрузки не может быть одинаковым, т.к. часть электричества поглощается нагрузкой.
В статье анализируется и оценивается подход Георга Ома, который интерпретировал показания своего магнитного электрометра как отражающего количество электричества, доходящего до конце цепи.

Вопрос рассматривается в рамках унитарной теории электричества.

2. Эксперименты Георга Ома

Ганс Эрстед (1820) установил – магнитная стрелка отклоняется от проволоки с током тем больше, чем больше «электрической субстанции» (электроэнергии) проходит по проволоке [Эрстед, 1954]. Это открытие положило начало созданию электроизмерительных приборов.
В ходе своих экспериментов Георг Ом установил – стрелка его бесконтактного магнитного электрометра (созданного по типу крутильных весов – прообраз электромагнитного гальванометра), отклоняется в одинаковой степени на любых участках электрической цепи.

После включения в разрыв последовательной цепи нагрузки (испытуемой проволоки) показания электрометра уменьшаются. Однако показания электрометра остаются одинаковыми на всех участках цепи, при измерениях и до элемента цепи, поглощающего электроэнергию, и после него. Ом указывает – такие же результаты были получены Becquerel и G. Bischof [Ohm, 1827: 51].

Из этого эмпирически установленного, достоверного факта вытекает вопрос: а что же именно тогда измеряет «амперметр»? Нагрузка («сопротивление»), включенная в цепь, поглощает часть электроэнергии, проходящей через нее. То есть часть электроэнергии, входящей в цепь, поглощается нагрузкой. Соответственно, мощность потока электроэнергии идущего по последовательной цепи после нагрузки, меньше величины энергии, входящей в нагрузку. Однако, вопреки этому, «амперметр» показывает одинаковую величину измеряемого им параметра потока электроэнергии, идущего по цепи до и после нагрузки. Если «амперметр» показывает количество электричества, идущего по цепи, то почему он не отражает тот факт, что нагрузка поглощает часть электричества?
Георг Ом отметил противоречивость приведенных фактов. Он писал:

«Прежде всего, более пристального внимания заслуживает тот факт, что распределение электричества, протекающего по гальванической цепи, поддерживает постоянную и неизменную градацию [магнитного электрометра] в различных точках, хотя мощность потока электричества меняется. В этом причина магической изменчивости явлений, которая позволяет заранее волшебным образом и с первого взгляда определить действие определенной точки гальванической цепи на электрометр» [Ohm, 1827: 38].

Георг Ом указал – анализируемый феномен (назовем его «парадокс амперметра») требует дальнейшего изучения, а принимаемую интерпретацию показаний магнитного электрометра он не случайно сопроводил определениями «магический» (magischen – нем.) и «волшебный» (zauberische). Однако этот парадокс до настоящего времени остается необъясненным.

Сам факт изменения степени отклонения стрелки в зависимости от мощности потока электроэнергии, протекающей по проволоке, однозначно свидетельствует о наличии связи между этими двумя показателями, однако остается не до конца проясненным характер этой связи. 

Во времена Георга Ома не было единиц измерения «ампер», «вольт», «ом». Ом в анализе своих опытов оперировал только понятием количества электричества. Ом использовал термин «количество электричества». Из контекста его изложения следует, что Ом интерпретировал показания магнитного электрометра как количество электричества (электроэнергии), доходящее до конца цепи. Подробнее см. [Ohm, 1926, 1827]. Природа этого феномена со времен Ома остается не проясненной. Однако истолкование Ома представляется верным – «амперметр» измеряет количество электроэнергии, доходящее до конца цепи.

3. Показания «амперметра» в канонической физике

Факт одинакового отклонения стрелки электрометра в любой точке цепи был в канонической физике не вполне логично интерпретирован как одинаковость величины «силы тока», протекающей по всей цепи, однако исчерпывающего, убедительного объяснения почему «сила тока» одинакова во всех точках цепи, не удалось найти.  
Позднее показания магнитного электрометра Ома (и гальванометра, включаемого в разрыв цепи), стали интерпретироваться как «сила тока». Вероятно, термин «сила тока» был введен в виду того, что фиксировалось проявление силы в случаях отклонения стрелки от проводника с током, притяжения и отталкивания проволок с токами, идущими в одинаковых и противоположных направлениях. Однако, сила не является исходной физической величиной, никакие физические объекты не обладают свойством «сила», сила всегда есть проявление затраченной или расходуемой в данный момент энергии.

По вопросу установления единицы «силы тока» существует большая неясность, - отмечал Роберт Поль (Robert Pohl) [Поль, 1935: 18]. Один из наиболее наглядных методов измерения «силы тока» – электролитический. В 1893 г. за единицу количества электроэнергии принималось такое количество электроэнергии, которое в одну секунду осаждает 1,1180 мг серебра (из раствора нитрата серебра). Эта единица называется ампером. В данном случае ампер измерялся с помощью часов и весов [Поль, 1935: 19]. Этот метод наглядно показывает природу электричества и тот факт, что ампер, по сути, это определенное количество электроэнергии.

Рассмотрим современное понимание термина «сила тока»:

«Сила тока электрического – величина, характеризующая упорядоченное движение электрических зарядов и численно равная количеству заряда, протекающего через определенную поверхность в единицу времени» [Физическая…, т. 4. 1994: 496].

Приведенное определение никак не объясняет, почему «сила тока» одинакова во всех точках последовательной цепи, а скорее противоречит этому положению. Если в цепи есть лампочка, все заряда проходят через нее, но тогда неясно за счет какой энергии горит лампочка.

Если принять: «заряд» – это «количество электричества», а электричество понимать как электроэнергию, то можно записать: «сила тока» (I) тождественна мощности потока электроэнергии (PE) и равна количеству электроэнергии (?EE) проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени (?t):

I? PE= ?EE / ?t(1)

Количество энергии, проходящее через поперечное сечение в единицу времени, – это мощность потока энергии. Из этого понимания можно сделать вывод, что «сила тока» – это мощность потока электроэнергии. Если отвлечься от установок канонической физики и величину энергии измерять в единицах энергии – калориях, тогда единицей мощности потока будет cal/sec. (1 W = 1 J/s = 0,2388 cal/s.)

4. Исходные положения унитарной теории электричества

В унитарной теории электричества Бенджамина Франклина электричество, электрическая субстанция, это мельчайшие порции, кванты электрической энергии. Соответственно, электрический ток этот поток квантов электрической энергии, которые движутся из того места, где их больше в то месте, где их меньше. Как это происходит с квантами инфракрасного излучения (теплоты).

В канонической физике за рамками рассмотрения во многом остается давно известный факт притяжения телом (веществом) электроэнергии. И этот факт не находит объяснения в дуальной теории электричества. В унитарной теории это один из основополагающих эмпирически зафиксированных фактов .  

Каждое тело (вещество) содержит на (в) себе «нормальное», «природное» количество электроэнергии. Электризованными называются тела, на которых электроэнергии больше или меньше нормального. Избыточно заряженными являются тела, на которых электроэнергии больше нормального. Тела, на которых электроэнергии меньше нормального, называются дефицитно заряженными.

Тело, на котором электро-квантов меньше, притягивают электро-кванты с тела на котором их больше, притягивают вместе с телом. Потому различно электризованные тела притягиваются.

Одинаково электризованные тела отталкиваются полями электро-квантов.

Электрический ток возникает вследствие действия двух факторов:
1) Электро-кванты на избыточно заряженной клемме источника тока отталкиваются друг от друга.
2) Тело дефицитно заряженной клеммы источника тока притягивает электро-кванты с избыточно заряженной клеммы.

Подробнее об унитарной теории электричества: [Франклин, 1956; Эпинус, 1951; Ильясов, 2019].

4. Подход к объяснению «феномена амперметра» в унитарной теории электричества

Со времен Ома не удается объяснить в силу каких причин степень отклонения стрелки его магнитного электрометра отражает количество электроэнергии, доходящей до конца цепи, или, что одно и тоже, – почему показания «амперметра» одинаковы во всех точках цепи.
Рассмотри функционирование электростатического электрометра – см. рис. 1.

Рис. 1. Схема электростатического электрометра [Gibilisco et al., 2016: 61]

Fixed plate – неподвижная пластина («обкладка»). Movable plate – подвижная пластина («обкладка»). Spring bearing – пружина. 

Пластины электростатического электрометра, соединенные с клеммами источника тока, сближаются тем больше, чем больше электростатическая разность («напряжение»), т.е. разность в количестве электроэнергии между клеммами источника тока. Дефицитно заряженная пластина притягивает к себе электро-кванты с избыточно заряженной пластины, вместе с пластиной.

Получается, электрометр «чувствует» какое количество электроэнергии находится и в начале, и в конце цепи. Возможно, нечто аналогичное происходит и со стрелкой магнитного электрометра.

Рис. 2. Стрелки магнитного электрометра отклоняются в равной степени до лампочки и после нее, не отражая факта поглощения части электроэнергии лампочкой
(стрелки находятся над проволокой)

сила тока

В конечном счете, дефицитная клемма притягивает то количество электроэнергии, которое осталось в цепи после поглощения лампочкой. Вероятно, магнитная стрелка взаимодействует с минусовой клеммой, реагируя на количество энергии, дошедшее до конца цепи. Хотя механизм этого феномена остается неясным.

5. Заключение

«Сила тока» – это то, что показывает «амперметр». Анализ параметра цепи, измеряемого «амперметром», дает основания полагать, что истолкование этого параметра Георгом Омом, как количества электричества, доходящего до конца цепи, является верным. Таким образом «амперметр» всегда показывает мощность потока электроэнергии в конце цепи.

Ссылки \ References

Ильясов Ф. Н. (2019) Кванты электрической энергии – о концепции электричества Бенджамина Франклина. М.: ИЦ Орион, ноябрь. Препринт.

Iliassov, Farkhad N. (2019) Quanta of electrical energy – on the concept of electricity Benjamin Franklin. Moscow: IC Orion. Preprint. (in Russ)

Физическая энциклопедия. (1994) Гл. ред. А.М. Прохоров. В 5-ти тт. Т. 4. М.: Большая российская энциклопедия.

Physical encyclopedia. (1994)  Ch. ed. A.M. Prokhorov. In 5 vols. Vol. 4. M.: Bol'shaya rossiiskaya entsiklopediya. (in Russ)

Франклин В. (1956) Опыты и наблюдения над электричеством. М.: Изд-во АН СССР.

Benjamin Franklin's Experiments. (1941) A new edition of Franklin's Experiments and Observations on Electricity. In ed. I. Bernard Cohen. Cambridge, Massachusetts. (Russ. ed.)

Эпинус Ф. У. ?. (1951) Теория электричества и магнетизма. М.: Изд-во АНСССР.

Aepinus, Franz. (1951) Theory of electricity and magnetism. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences. (Russ. ed.)

Эрстед Г.-Хр. (1989) Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку // Классики физической науки (с древнейших времен до начала XX в.): М.: Высш. шк. С.307-312. 

Oersted G.-Hr. (1989) Experiments related to the action of an electric conflict on a magnetic needle // Classics of physical science (from ancient times to the beginning of the 20th century): Mpscow: Vysshaya shkola. (Russ. ed.)

Gibilisco, Stan; MONK, Simon. (2016) Teach Yourself Electricity and Electronics. 6-d ed. McGraw-Hill Education.

OHM, Georg Simon. (1826) Versuch einer Theorie der durch galvanische Krafte hervorgebrachten elektroskopischen Erscheinungen. In: J. C. Poggendorff (Hrsg.): Annalen der Physik und Chemie. Berlin, Band 82, S. 459–469 (speziell S. 459). http://zs.thulb.uni-jena.de/servlets/MCRFileNodeServlet/jportal_derivate_00135011/18260820405_ftp.pdf

OHM, Georg Simon. (1827) Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet. Berlin: Riemann.

Наверх 

На главную