Я думаю, у вас є непорозуміння, як енергія постійного струму передається від джерела до навантаження, що перешкоджає вашій здатності розуміти, як передається енергія змінного струму.
Малюнок у багатьох людей в голові полягає в тому, що джерело живлення якимось чином дає енергію електронам. Потім електрони стікають по дроту, що несе цю енергію, а потім якимось чином вивільняють енергію, коли електрони течуть через навантаження. Я б сказав, що ваша душевна картина електрики - це щось подібне. І якщо це близько до того, як ви бачите електроенергію, тоді питання, як джерело змінного струму передає енергію, викликає здивування. Після цього електрони не течуть туди-сюди 50 або 60 разів на секунду від лампочки на вашій кухні аж до повернення до генератора на електростанції. Ми знаємо, що електрони рухаються набагато, набагато повільніше, ніж вони (вони рухаються порядком метра в годину, залежно від ряду факторів, таких як струм, розмір провідника тощо). А враховуючи, що між вашим кухонним світлом і генератором є трансформатори, це має ще менше сенсу, оскільки це два різних електричних ланцюга, що мають в собі різні електрони. Провід навіть не підключений.
Але це не так, як це працює. Енергія не переноситься від джерела до навантаження за допомогою електронів. Енергія навіть не стікає по дротах. Натомість електрична енергія прямує від електричного джерела до електричного навантаження через електромагнітне (ЕМ) поле в просторі, що оточує джерело, дроти та навантаження.
Подивіться на малюнок нижче ланцюга постійного струму, що складається з акумулятора, трохи дроту та резистора. Зелені стрілки являють собою магнітне поле, яке виникає внаслідок потоку струму. Червоні стрілки представляють електричне поле за рахунок джерела напруги. Сині стрілки представляють щільність потоку енергії або вектор Пойнтінга , який є поперечним добутком електричного та магнітного полів. Вектором Пойнтінга можна вважати швидкість передачі енергії на площу.
Зауважте, потік енергії відбувається від акумулятора до резистора. Також зауважте, що енергія надходить у резистор не з дроту, а через простір, що оточує дроти.
Якщо ви заміните джерело постійного струму на джерело змінного струму, ви зможете переконати себе - дивлячись на електричне та магнітне поле - що вектор Пойнтінга все ще вказує на джерело для завантаження, незважаючи на те, що струм перемикає напрямки. Оскільки вектор Пойнтінга є поперечним добутком двох полів, його напрямок залишається таким же, як і поля змінюються.
У коментарях виникли деякі питання щодо наукової обґрунтованості сказаного вище. Як електромагнітна енергія подорожує ланцюгами, відомо вже давно ... з принаймні кінця 1800-х років. Вектор Пойнтінга, названий на честь Джона Генрі Пойнтінга, який пояснив цю теорію у статті 1884 року, що має назву "Передача енергії в електромагнітному полі" . Документ досить читабельний і досить добре пояснює теорію. Він пояснює:
Раніше струм розглядався як щось, що рухається по провіднику, увага в основному спрямована на провідник, і енергія, яка з'явилася в будь-якій частині ланцюга, якщо взагалі розглядатись, повинна була передаватися туди через провідник струмом. Але існування індукованих струмів та електромагнітних дій на відстані від первинного ланцюга, з якого вони черпають свою енергію, змусило нас, під керівництвом Фарадея та Максвелла, дивитися на середовище, що оточує провідник, як на дуже важливу роль у розвиток явищ. Якщо ми віримо у безперервність руху енергії, тобто якщо ми віримо, що коли вона зникає в одній точці і знову з’являється в іншій, вона, мабуть, пройшла через проміжний простір,
Він продовжує говорити:
Починаючи з теорії Максвелла, ми, природно, спонукаємо розглянути проблему: як енергія про електричний струм проходить від точки до точки - тобто якими шляхами і за яким законом вона рухається від тієї частини ланцюга, де вона вперше впізнаваний як електричний і магнітний для частин, де він перетворюється на тепло або інші форми?
Метою даної роботи є довести, що існує загальний закон передачі енергії, згідно з яким вона рухається в будь-якій точці перпендикулярно площині, що містить лінії електричної сили та магнітної сили, і що величина, що перетинає одиницю площі на секунду цієї площини дорівнює добутку інтенсивності двох сил, помноженої на синус кута між ними, поділеної на 4 π, в той час як напрям потоку енергії такий, у якому правий гвинт перемістився б, якщо повернути його навколо позитивного напрямку електроруху до позитивного напрямку магнітної інтенсивності.
Потім він показує, як енергія потрапляє і нагріває дріт:
Тоді здається, що жодна енергія струму не рухається по дроту, але що надходить з непровідного середовища, що оточує дріт, що як тільки він потрапляє в нього, починає перетворюватися в тепло, кількість, що перетинає послідовні шари дріт, що зменшується до моменту досягнення центру, де немає магнітної сили, а отже, і енергії, що проходить, все це перетворилося в тепло. Ток провідного струму тоді, можна сказати, складається з цього внутрішнього потоку енергії з супутніми магнітними та електрорушійними силами та перетворення енергії в тепло в провіднику.
Річард Фейнман також говорить про це у своїх лекціях з фізики . Після пояснення цього явища Фейнман виводить, як зарядний конденсатор отримує свою енергію, а потім каже:
Але це говорить нам про своєрідну річ: що коли ми заряджаємо конденсатор, енергія не спадає на дроти; він заходить через краї щілини.
Тоді Фейнман, як і Пойнтінг, пояснює, як енергія потрапляє в дріт:
В якості іншого прикладу ми запитуємо, що відбувається в шматку опору, коли він несе струм. Оскільки провід має опір, уздовж нього є електричне поле, що рухає струм. Оскільки по дроту відбувається падіння потенціалу, є також електричне поле безпосередньо біля дроту, паралельне поверхні. Крім того, існує магнітне поле, яке обходить провід через струм. E і B знаходяться під прямим кутом; тому існує вектор Пойнтінга, спрямований радіально всередину, як показано на малюнку. Навколо навколо протікає потік енергії. Це, звичайно, дорівнює енергії, що втрачається в дроті у вигляді тепла. Тож наша «божевільна» теорія говорить, що електрони отримують свою енергію для вироблення тепла через енергію, що надходить у дріт із поля назовні. Здається, інтуїція говорить про те, що електрони отримують свою енергію від натискання по дроту, тому енергія повинна текти вниз (або вгору) по дроту. Але теорія говорить, що електрони справді виштовхуються електричним полем, яке надходить від деяких зарядів дуже далеко, і що електрони отримують свою енергію для генерування тепла з цих полів. Енергія якимось чином витікає з далеких зарядів у широку область простору, а потім всередину до проводу. і що електрони отримують свою енергію для генерування тепла з цих полів. Енергія якимось чином витікає з далеких зарядів у широку область простору, а потім всередину до дроту. і що електрони отримують свою енергію для генерування тепла з цих полів. Енергія якимось чином витікає з далеких зарядів у широку область простору, а потім всередину до дроту.