Возращение душного сына

Пёс делал пост, касающийся его области (химия). Я писал, что потом когда-нибудь расскажу что-то из своей области. Вообще мне стоило бы учить важные лекции из прошлого семестра, которые я благополучно пропустил мимо ушей. Но т.к. я также благополучно отвлекаюсь от них и не могу себя заставить сесть за тетрадь, я решил сделать какой-нибудь пост. Почему бы не рассказать что-то из учёбы.

Пёс так и не пояснил за полуполярность. Ну мне бы тоже влом было)

1) Электроны и электрическое поле

Т.к. я учусь на электроэнергетика, моя область - физика, а точнее я хотел бы рассказать об интересных, на мой взгляд, явлениях электродинамики и электротехники.
Хотел бы начать с базы, с которой знаком каждый. Что такое ток? Это упорядоченное движение электронов. При разнице потенциалов создаётся электрическое поле, в направлении которого протекают носители заряда от положительного заряда к отрицательному. Всё действительно так. (на самом деле, ток течёт от минуса к плюсу, но исторически сложилось такая позиция, и решили оставить как есть)

Здесь хорошо подходит аналогия с водой. Вода течёт от места, где много воды, туда, где её мало. Также и ток. Таким же путём объясняем его величины: Напряжение - Давление, мощность с которой протекает вода; Сила тока - поток, скорость течения воды; Сопротивление - без комментариев.

Но здесь есть нюанс, который я также упускал в начале обучения. Вы не задумывались, как при нажатии кнопки срабатывают приборы, расположенные далеко-далеко от нас? Как ток так быстро дошёл до потребителя? Электроны быстро пролетели? Нет, скорость электрона меньше скорости улитки. Никто бы не стал использовать такие тормознутые приборы.

Тут, на самом деле, тоже в какой-то мере можно применить аналогию с водой. Как вы знаете, в кранах с водой вода уже подведена к выходу, но её перекрывает клапан. Стоит его открыть, как вода тут же потечёт из крана. По такой же схеме работает эл. ток. Электрическое поле имеет скорость приравненную к скорости света (примерно). Во время замыкания электрической цепи электроны уже находятся у потребителя (они же везде расположены, по всему проводу), и электрическое поле практически мгновенно направляет их на нагрузку.

Мгновенно протекает электрическое поле, а не электроны. Они же продолжают неспешно идти по проводнику. Возможно, я один такой додик, что не знал этого в школе, и открыл вам америку. 
Ещё также есть такая тема, как переменный ток. Как это работает. Переменный ток означает, что электроны время от времени меняют своё направление, двигаясь, как голова САННИКа во время прослушивания доната туда-сюда, чаще всего с частотой 50 Гц (норма электросети, производственная частота). Есть асинхронный ток, у которого непостоянный период смены полярности (направления). Как в таких случаях движутся электроны? Ну, электроны в обычном состоянии имеют хаотические движения. Во время протекания тока они также остаются. И за счёт них они рывками могут передвигаться в направлении электрического поля. Но учитывая, что электроны во всём проводнике, их чёткое передвижение не столь важно.

2) Скин-эффект и плотность потока энергии

Душновато? Вот вам ещё про распределение тока и энергии в проводнике.
Вообще я изредка угараю с наз-й терминов, связанных с электроэнергетикой. Хотя понятно, что здесь больше разыгрывается моя больная фантазия. Вот что вы представляете, когда слышите: правило правой руки, последовательное возбуждение, гомо-переход, передача master-slave? А тут скин-эффект ещё подъехал, давайте пояснять.
В общем-то, там всё просто и немного забавно. 

Есть такая вещь, как индукция. Это когда течёт ток и вокруг него образуется магнитное поле. Так вот это образовавшееся магнитное поле создаёт свой ток (ток индукции), который также течёт вокруг магнитного поля. Такая матрёшка и создаёт скин-эффект. На рисунке видно, как основной ток течёт вверх, а индукционный ток течёт вниз внутри проводника и вверх снаружи. То есть он мешает току течь внутри и помогает снаружи. Оттого ток протекает по поверхности проводника (поэтому и скин (skin - кожа, оболочка)).

Ток протекает по поверхности проводника. Разбираемся дальше.

Был такой профессор Московского университета как Николай Алексеевич Умов. ХЗ, что за дед, но изучал он учение о движении энергии любого вида, а после ввёл понятие плотности потока энергии. 
Собственно, я не знаю, зачем я вам о нём рассказываю, потому что тема этого пункта начинается с Джона Пойнтинга, который сделал то же самое, но про плотность потока уже для электромагнитной энергии. Просто русский чел додумался до этого раньше. (Русские вперёд)
Суть в чём, плотность потока энергии равняется S = E x H, тобишь произведение векторов напряжённости электрического и магнитного полей. Формула напряжённости магн. поля для дефолтного проводника с током (провод) равна: H = I/2πr . I - это ток, r - это радиус провода, π - дор. Отсюда можно сделать несложный вывод, что чем больше r, тем меньше H. Учитывая скин-эффект и зависимость электрической напряжённости поля от расстояния (я не буду показывать формулы, они муторные), можно наблюдать такую картину.

При уменьшении радиуса меньше радиуса поверхности провода, электрическая напряжённость падает в виду прямой зависимости от радиуса и скин-эффекте. А в случае повышении радиуса больше поверхности, падает уже магнитная напряжённость в виду обратной пропорциональности радиусу и гашении магнитных волн с большим расстоянием. Золотой серединой тут является поверхность проводника, возле которой будет проходить вектор Пойнтинга. (надеюсь, не слишком сложно)

Ток течёт не по проводам, а вокруг них. Представьте едущий поезд. Рельсы, по которым едут вагоны, как раз будут проводником, а движущийся состав - током.  

Пока всё. Продолжу с чем-то более конкретным уже из электротехники в следующий раз.