К ВОПРОСУ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЗАРЯДОВ

Комаров Станислав Григорьевич

Дата публикации: 11.02.2014

Опубликовано пользователем: Комаров Станислав Григорьевич

Рубрика ГРНТИ: 29.00.00 Физика

Библиографическая ссылка:
Комаров С.Г. К вопросу определения скорости распространения силового взаимодействия электрических зарядов // Портал научно-практических публикаций [Электронный ресурс]. URL: http://portalnp.ru/2014/02/1747 (дата обращения: 07.06.2017)

АННОТАЦИЯ

В статье представлены исходные определяющие данные к эксперименту и устройство с их использованием для экспериментального определения скорости распространения в воздушном пространстве силового взаимодействия электрических зарядов, которое является новым по отношению к первому устройству (источник информации п. 1) того же назначения. И также, как рекомендация опытному исследователю, предложено устранить установившееся мнение, что в том случае, когда электростатическое поле заряда постоянно по отношению к своему заряду, но становится переменным к его величине (разделённый заряд сохраняет свой знак, а величина его быстро уменьшается до полного исчезновения), скорость распространения исчезающего силового взаимодействия зарядов равна скорости света, чем самым отрицается существование в природе продольной волны электрического поля, которая возможно распространяется в воздушном (вакуумном) пространстве больше скорости света, и утверждается существование электрического поля после исчезновения его источника. Из-за чего необходимо произвести экспериментальное определение скорости распространения силового взаимодействия электрических зарядов, в том числе, с применением нового устройства.  Нет сомнения в том, что заряд, переменный к своей величине, но сохраняющий свой знак, образует электрический сигнал, хотя возможность его детектировать уменьшается очень быстро с расстоянием. В данное время решается задача не передачи такого сигнала на большое расстояние, а определения его скорости на малом расстоянии уверенного детектирования и измерения параметров исчезающего электрического поля с целью сравнения скорости сигнала со скоростью света (со скоростью передачи электрического напряжения по проводам). Эта возможность связана с современными достижениями в создании электронных измерительных усилителей, обеспечивающих точную передачу очень короткого электрического сигнала в заданном масштабе, усиление изменяющегося тока с чувствительностью по току 10-15 А при очень малом входном сопротивлении, или по напряжению – несколько микровольт при очень большом входном сопротивлении, и с достижениями в создании высокоточных анализаторов амплитудно-временных спектров сигналов.

ИСХОДНЫЕ ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДАННЫЕ

В своей основе определяющие данные к эксперименту взяты автором из уже опубликованной статьи под названием «Легко ли измерить скорость распространения в пространстве силовых взаимодействий электрических зарядов?» (источник информации п. 1), но они дополнены до соответствия конструктивным признакам нового устройства.  Кроме того, представлены доказательства в определение изобретательского уровня технического решения. (Примечание автора: рекомендуется после прочтения «Устройство для экспериментального определения скорости распространения силового взаимодействия зарядов», вновь обратиться к пояснениям в «Исходные определяющие данные»).

Металлический шар 1 радиуса Ŕ = 0,05 м равномерно заряжен по поверхности до потенциала Ů = 28000 В. Положительный заряд шара 1 обеспечивается одним из известных способов, например, с помощью демонстрационного генератора Ван – де Граафа. Величина заряда ĝ = ŮŔ/К, где К – коэффициент пропорциональности. К = 9·109 Н·м2/Кл2. ĝ = (28000·0,05)/9·109 = 1,56·10-7 (Кл).

С учётом того, что пробивное напряжение для воздуха составляет 30 кв/см, шар 1 окружён концентрической сферической проводящей оболочкой (шаром 2) радиусом Ŕ = 0,07 м. Индуцированный заряд ĝ на внешней поверхности шара 2 равен заряду на внешней поверхности шара 1, т. е. 1,56·10-7 Кл. Но этот заряд «размазан» на площади поверхности шара 2 – 0,0615 м2 (4·3,14·0,07·0,07 = 0,0615), в то время, как такой же заряд «размазан» на площади поверхности шара 1 – 0,0314 м2 (4·3,14·0,05·0,05 = 0,0314). Из-за чего поверхностный потенциал Ů шара 2  равен 28000·0,05/0,07 = 20000 (В).

Напряжённость Е электрического поля заряда на поверхности шара 2 определяется в значении 20000 В / 0,07 м = 2,86·105 В/м. Полное число линий напряжённости, выходящих через сферическую поверхность шара 2, равно 4πКĝ, т. е. равно 4·3,14·9·109·1,56·10-7 = 1,764·104 линий.

В качестве детектора электрического поля  на расстоянии 10 м от центра заряженного шара 2 может быть применён металлический, например, из меди стержень диаметром 1 см и длиной 1м, с разрезом по середине (вибратор), с, например, подключенным к внутренним концам стержня активным сопротивлением заданной расчётной величины.

Вибратор направлен своей осью на центр шара 2.Тогда напряжённость электрического поля на ближнем к шару 2 внешнем конце вибратора  9·109·1,56·10-7/9,5·9,5 = 15,55 (В/м), напряжённость электрического поля на дальнем внешнем конце вибратора составит 9·109·1,56·10-7/10,5·10,5 = 12,73 (В/м). Потенциал в точке на ближнем к шару 2 внешнем конце вибратора составит 9·109·1,56·10-7/9,5 = 147,8 (В). Потенциал в точке на дальнем внешнем конце вибратора составит 9·109·1,56·10-7/10,5 = 133,7 (В). Разность потенциалов между этими точками составит 147,8 -133,7 = 14,1 (В).

Для устранения заряда шара 2 на его поверхности достаточно механически (например, с помощью нагруженного спускового устройства, срабатывающего от действия дистанционно посылаемого электрического импульса) быстро соединить поверхность шара 2 с землёй проводником через очень большое сопротивление (в Мом). При этом в процессе исчезновения заряда на поверхности шара 2 заряд сохраняет свой знак, но величина его быстро меняется в сторону исчезновения с образованием продольной волны электрического поля.

Энергия, выделяющаяся в разряде шара 2, равна 0,5ĝŮ поверхности шара 2. Множитель 0,5 появляется потому, что напряжение падает при стекании заряда. Среднее значение разности потенциалов, которую проходит заряд, составляет половину разности потенциалов. Эта энергия составляет 0,5·1,56·10-7 Кл ·20000 В = 1,56·10-3 (Дж). Это довольно незначительная энергия, но она соответствует импульсу тока порядка 0,1 А.

Скорость разряда шара 2 на землю меньше скорости света. Свет проходит расстояние 10 м за 3,33 · 10-8 с, а разряд шара 2 происходит за время, которое больше этого значения времени на несколько порядков. И это важно, поскольку в момент разряда шара 2 на землю на сопротивлении разряда (в том числе, на относительно малом активном сопротивлении, включенном последовательно с большим активным сопротивлением) мгновенно возникает импульс напряжения с максимальным значением переднего фронта импульса, который одним из способов со скоростью света следует передать за время действия всего импульса напряжения на 10 м на регистрацию через согласующий измерительный усилитель – регистрацию в первую очередь положения на шкале времени основания переднего фронта электрического импульса. Что представляет собой один из каналов измерений.

Наличие незаземлённого шара 2 не сказывается заметным образом на силе, с которой незаряженное тело (металлический стержень, направленный осью на центр шара 2) притягивается к заряженному шару 2. Заряд шара 2 вызывает движение зарядов (электронов) в теле металлического стержня до установления равновесия, заряжая тем самым внешние концы стержня (первичного детектора поля – вибратора) разноимёнными зарядами.

С началом разряда шара 2 на землю резкое изменение его продольного электрического поля распространяется на расстояние 10 м до детектора поля со скоростью, которую предстоит измерить. Достигающее заряженный металлический стержень (вибратор)  исчезающее во времени электрическое поле заряда шара 2 вызывает бросок тока разряда концов металлического стержня – вибратора. При этом на заданном по значению активном сопротивлении в середине разрезанного стержня мгновенно возникает импульс напряжения с максимально возможным значением переднего фронта электрического импульса, который сразу же через согласующий измерительный усилитель поступает на регистрацию –  регистрацию в первую очередь положения на шкале времени основания переднего фронта этого электрического импульса. Что представляет собой другой из каналов измерений.

Скорость распространения продольной волны электрического поля определится в результате анализа положений на шкале времени оснований передних фронтов электрических импульсов, соответствующих скорости электромагнитного и силового взаимодействий электрических зарядов.

Именно это определяет изобретательский уровень технического решения, которое в свою очередь может быть реализовано разными устройствами (одно из них представлено ниже), поскольку в одном из каналов измерений передача электрического импульса на фиксированное расстояние со скоростью света может осуществляться либо по проводам – к согласующему измерительному усилителю, либо с помощью электромагнитного излучения.

В другом канале измерения, в котором передача электрического поля возможно осуществляется с запределной скоростью, импульс напряжения разряда внешних концов вибратора может выделяться на активном сопротивлении заданного значения между внутренними концами металлического стержня (вибратора) и усиливаться согласующим измерительным усилителем.

В качестве регистрирующего устройства, подключенного входами к выходам измерительных усилителей, может использоваться анализатор амплитудно-временных спектров сигналов, например, на электроннолучевой трубке памяти с фоторегистрацией, в том числе, осциллограф.

Опытному исследователю в принципе достаточно представленных сведений для того, чтобы рассчитать  сосредоточенные на длине ёмкость и индуктивность стержневого вибратора, величину исходно образующихся зарядов на концах стержневого вибратора, величину тока разряда и время разряда вибратора при задаваемом значении активного сопротивления между внутренними концами разрезанного по середине стержня (вибратора).

Для измерения величины этого тока разряда потребуется его усиление в  первом канале измерений первым электронным усилителем с чувствительностью порядка 10-15 А, с очень низким входным сопротивлением, или с чувствительностью несколько микровольт, но с очень высоким входным сопротивлением.

Таким электронным усилителем может являться измерительный усилитель, обеспечивающий точную передачу электрического сигнала в заданном масштабе (см. источник информации п. 2).

Во втором канале измерений разряд шара 2 на землю происходит через металлический проводник с последовательно соединёнными низкоомным и высокоомным активными сопротивлениями, с выделением падения напряжения на низкоомном сопротивлении и передачей его коаксиальным кабелем длиной 10 м на другой измерительный усилитель, который своим  выходом одновременно с выходом первого измерительного усилителя подключен к входам регистрирующего устройства – анализатора амплитудно-временных спектров сигналов первого и второго каналов.

Рассчитанные сосредоточенные по длине центрального провода коаксиального кабеля индуктивность и ёмкость могут быть учтены в приведении скорости напряжения в центральном проводе кабеля к скорости света. Тогда следует посчитать, что расстояние 10 м импульс электрического напряжения по проводам проходит за 3,33 · 10-8 с. Если скорость импульса продольной электрической волны будет равна 3 · 1020 м/с, то она проходит расстояние 10 м практически мгновенно.

Если быстродействие (время разрешения) современных радиоэлектронных элементов в измерительных усилителях будут идентичны в обоих каналах измерений, то это позволит определить положение на шкале времени начала интервала времени 3,33 · 10-8 с, соответствующее скорости электромагнитного излучения, и сравнить его с положением на шкале времени начала интервала времени, соответствующего скорости распространения силового взаимодействия зарядов, тем самым экспериментально измерить скорость  распространения силового взаимодействия зарядов.

Следует отметить: замечено ещё Герцем, что в момент переплюсовки зарядов электрическое поле распространялось больше скорости света, однако эта скорость, как и скорость тяготения, другими исследователями экспериментально не подтверждена до настоящего времени.

В наиболее общем случае электромагнитных взаимодействий чувствительность детектора поля зависит не от приложенной силы, которая пропорциональна напряжённости поля, а от энергии, которую детектор может получить от поля. В то же время плотность энергии электрического поля пропорциональна  напряжённости в квадрате. Из-за чего считается, что эффективность обнаружения такого поля падает как 1/на расстояние его действия в четвёртой степени.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯДОВ.

На рисунке изображена блок-схема устройства.

ris1

Устройство содержит полый металлический шар Ш 1 с радиусом 0,05 м, зарядное устройство ЗУ для разовой зарядки шара Ш 1 до положительного потенциала его поверхности 28000 В, полый металлический шар Ш 2 с радиусом 0,07 м, при этом своей концентрической сферической проводящей оболочкой шар Ш 2 окружает шар Ш 1 для образования на внешней поверхности шара Ш 2 индуцированного положительного заряда 1,56·10-7 Кл и поверхностного потенциала 20000 В; разрезанный по середине протяжённый металлический стержень МС (вибратор) заданной длины, например, 1 м и диаметром 1 см, ось которого направлена на общий центр шаров Ш1 и Ш2, располагаемый на расстоянии 10 м от середины протяжённого стержня (вибратора); индикатор тока ИТ в виде заданного по величине активного сопротивления, подключенного к внутренним концам разрезанного стержня МС (вибратора); измерительный усилитель ИУ 1 с очень высокими входным сопротивлением,  коэффициентом усиления и малой входной ёмкостью, подключенный входом параллельно к выходу индикатора тока ИТ (как показано на рис.) для измерения падения напряжения на активном сопротивлении индикатора тока ИТ в микровольтах, или же измерительный усилитель ИУ 1 выполнен с очень низким входным сопротивлением, с чувствительностью по току порядка 10-15 А, и его вход включен последовательно с активным сопротивлением индикатора тока ИТ для измерения тока разряда металлического стержня МС (вибратора); вертикально установленный металлический проводник МП с включенными последовательно низкоомным активным сопротивлением НС и высокоомным активным сопротивлением ВС; высоко изолированный рычаг механического контакта ИРК дистанционного управления для обеспечения быстрого прямого электрического контакта металлического проводника МП с сферической оболочкой шара Ш 2; землю З, соединённую с металлическим проводником МП; коаксиальный кабель КК длиной 10 м, проложенный строго параллельно оси разрезанного металлического стержня МС и подключенный с одной стороны к низкоомному сопротивлению НС; измерительный усилитель ИУ 2 с очень высокими входным сопротивлением, коэффициентом усиления и малой входной ёмкостью, подключенный входом  к коаксиальному кабелю КК с другой его стороны;  регистрирующее устройство РУ (анализатор амплитудно-временных спектров сигналов каналов передачи,например, на электроннолучевой трубке памяти с фоторегистрацией), подключенное входами к выходам измерительных усилителей ИУ 1 и ИУ 2.

Работает устройство следующим образом.

С помощью зарядного устройства ЗУ заряжается поверхность шара Ш 1 до положительного потенциала 28000 В. На шаре Ш 2 при этом появляется индуцированный заряд 1,56 · 10-7 Кл. На поверхности шара Ш 2 возникнет положительный потенциал 20000 В. Напряжённость  электрического поля заряда на поверхности шара 2 определяется в значении 2,86·105 В/м. Напряжённость электрического поля на ближнем к шару 2 внешнем конце стержня вибратора  15,55 (В/м), напряжённость электрического поля на дальнем внешнем конце стержня вибратора 12,73 (В/м). Потенциал в точке на ближнем к шару 2 внешнем конце стержня вибратора 147,8 (В). Потенциал в точке на дальнем внешнем конце стержня вибратора 133,7 (В). Разность потенциалов между этими точками составит 147,8 -133,7 = 14,1 (В).

Эта разность потенциалов образуется в результате исходного одностороннего движения электронов в теле металлического стержня МС (вибратора) до установления равновесия, заряжая тем самым внешние концы разрезанного по середине стержня МС (вибратора)  разными знаками зарядов. Заряд шара Ш 2 и заряды внешних концов стержня МС (вибратора) могут сохраняться длительное время.

С помощью высоко изолированного рычага механического контакта ИРК вертикально расположенный металлический провод МП быстро прикасается к поверхности шара Ш 2 для полного устранения путём разряда заряда шара 2. С  исчезновением заряда на поверхности шара Ш 2 исчезает напряжённость электрического поля в месте установки детектора поля – металлического стержня вибратора МС (в первом канале измерения). Из-за чего ток разряда разрезанного по середине стержня МС (вибратора) начинает протекать через заданное активное сопротивление индикатора тока ИТ до установления незаряженного состояния стержня МС (вибратора). При этом на активном сопротивлении индикатора тока ИТ выделяется импульс напряжения, который передаётся на высокоомный вход измерительного усилителя ИУ 1, выход которого соединён с первым входом регистрирующего устройства РУ.

Если же измерительный усилитель ИУ 1 должен быть предназначен для измерения импульса тока, а не напряжения, то его низкоомный вход подключается последовательно с сопротивлением индикатора тока ИТ (на рис. не показано), а выход соединяется с первым входом регистрирующего устройства РУ.

Шар Ш 2 током разряда на землю З через последовательно включенные в цепь металлического проводника МП низкоомное сопротивление НС и высокоомное сопротивление ВС создаёт также небольшое падение напряжения на низкоомном сопротивлении НС, которое через коаксиальный кабель КК передаётся на вход измерительного усилителя ИУ 2 с большим входным сопротивлением.

Скорость передачи напряжения по коаксиальному кабелю КК соответствует скорости света, если в последующем при анализе будут учтены продольные индуктивность и ёмкость центрального провода коаксиального кабеля КК. Усиленное напряжение на выходе измерительного усилителя ИУ 2 далее передаётся на второй вход регистрирующего устройства РУ, с помощью которого на шкале времени определяется разность времени прихода начал передних фронтов импульсов напряжений и тем самым скорость продольной волны электрического поля – СКОРОСТЬ РАСПРОСТРАНЕНИЯ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЗАРЯДОВ.

При этом особое внимание уделяется подбору сопротивлений индикатора тока ИТ, НС и ВС в металлическом проводнике МП, и тому, чтобы быстродействие (время разрешения) обоих измерительных усилителей ИУ 1 и ИУ 2 было строго одинаковым.

Источники информации:

  1. Комаров С. Г. Легко ли измерить скорость распространения в пространстве силовых взаимодействий электрических зарядов?  http://web.snauka.ru/issues/20011/12/5837     http://technology.snauka.ru/2012/02/291
  2. Измерительный усилитель – средство измерений – Википедия  ru.wikipedia.ru

.


Количество просмотров публикации: -

© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором публикации (комментарии/рецензии к публикации)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.